11nd International Conference of Mechanical Engineering

COMEC 2023

VI Symposium of Computer Aided Design and Engineering, Biomechanics and Mechatronics

Stress analysis of die castings taking into account data from computed tomography

Abstract

Problem to deal with: Pores and shrink holes are unavoidable defects in the die-casting mass production which influence the strength, fatigue and fracture behaviour and, consequently, reduce the life span of a structure. Defects can be detected with computed tomography (CT) measurements and should be considered during the design process or after production, which is usually not done in today’s mass production.

Methodology: The paper proposes an effective methodology for the stress analysis of die-cast parts with pores found from CT measurements or that are artificially placed within a structure. The method consists of a combination of the finite element method (FEM) and the finite cell method (FCM), which extends the FEM if the geometry cuts finite elements. This procedure has the advantage that all simulations with different pore distributions, real or artificial, can be calculated without changing the base finite element mesh.

Results and Discussion: The STL data of defects received from CT measurements cannot be used without repairing them. Therefore, an appropriate repair procedure is proposed first. The coupling procedure of the FEM with the FCM is presented and it is successfully realized in the frame of the commercial software tool Abaqus. The developed software has been successfully tested on academic examples as well as a complex industrial project.

Conclusions: The proposed approach could become a preferred way to consider pores in practical applications, where the porosity can be derived either from CT measurements or are artificially adopted for design purposes.

Resumen

Problema a tratar: Los poros y los agujeros de contracción son defectos inevitables en la producción en serie de fundición a presión que influyen en el comportamiento de resistencia, fatiga y fractura y reducen la vida útil de una estructura. Los defectos pueden detectarse mediante la tomografía computarizada (TC) y deben tenerse en cuenta durante el proceso de diseño o la producción, lo que no suele hacerse actualmente.

Metodología: Se propone una metodología eficaz para el análisis de tensiones de piezas fundidas a presión con poros detectados mediante TC o que se colocan artificialmente dentro de una estructura. El método consiste en una combinación del método de los elementos finitos (MEF) y el método de las células finitas (MCF), que amplía el MEF de geometría corta elementos finitos. Este procedimiento tiene la ventaja de que todas las simulaciones con diferentes distribuciones de poros, reales o artificiales, se calculan sin cambiar la malla de elementos finitos base.

Resultados y discusión: Los datos STL de los defectos recibidos de las mediciones CT no pueden utilizarse sin repararlos. Por lo tanto, primero se propone un procedimiento de reparación adecuado. Se presenta el procedimiento de acoplamiento del MEF con el FCM y se realiza con éxito en el marco de la herramienta de software comercial Abaqus. El software desarrollado se ha probado con éxito en ejemplos académicos, así como en un complejo proyecto industrial.

Conclusiones: El enfoque propuesto podría convertirse en una forma preferida de considerar los poros en aplicaciones prácticas, donde la porosidad puede derivarse de mediciones de TC o se adoptan artificialmente para fines de diseño.