FEM of corrosion fatigue crack growth applied to pd pump fluid end parts

This MSc thesis work investigates the realm of corrosion fatigue in GEHO pump – type of a positive displacement pump is utilized in mining industries – fluid end parts, with a primary focus on numerical modeling and simulation through Finite Element Method (FEM). The motivations are to enhance the current knowledge of corrosion fatigue effects on the pressure parts through numerical simulation methods and to better predict a service life of pump components to avoid over-conservatism in design. The overall aim is to develop a numerical model capable of predicting corrosion fatigue life while providing a valuable tool for manufacturers operating in corrosive environments. The objectives of the study highlights formulating a theoretical background on corrosion and fatigue phenomena, conducting numerical simulations, correlating findings with experimental results, and ultimately contributing to the advancement of knowledge in the field. Methods employed consist of the utilization of Siemens NX software for the creation of 3D solid models, implementing FEM simulations using MSC Marc/Mentat software, application of nCode software to identify the most stressed regions within the model, and integrating Fortran subroutine for crack growth parameter adjustments. This comprehensive approach makes a sophisticated investigation of corrosion fatigue behavior easier, considering factors such as material properties, loading conditions, and crack propagation. Key results include the numerical modeling of corrosion fatigue life in GEHO pump fluid end parts, with a specific focus on critical points within the diaphragm housing. The comparison and validation of numerical simulations with experimental analyses, coupled with the introduction of an approximate method for calculating Stress Intensity Factor (SIF) enhance the understanding of component resilience under cyclic loading in corrosive media. This thesis advances the field by shedding light on the complex relationships between fatigue and corrosion, offering an efficient numerical model for corrosion fatigue life prediction, and outlining a functional technique for SIF assessments. The results not only fill in current knowledge gaps but also provide manufacturers with useful advice on how to improve component durability under harsh operating conditions.

Questa tesi di laurea magistrale esplora il campo della fatica da corrosione nelle parti finali del fluido della pompa GEHO, un tipo di pompa a spostamento positivo utilizzata nelle industrie minerarie, con un focus principale sulla modellazione numerica e simulazione attraverso il Metodo degli Elementi Finiti (FEM). Le motivazioni sono di migliorare la conoscenza attuale degli effetti della fatica da corrosione sulle parti a pressione attraverso metodi di simulazione numerica e di predire meglio la vita utile dei componenti della pompa al fine di evitare un eccessivo conservatorismo nel design. L'obiettivo generale è sviluppare un modello numerico in grado di prevedere la vita da fatica da corrosione, fornendo uno strumento prezioso per i produttori che operano in ambienti corrosivi. Gli obiettivi dello studio includono la formulazione di un background teorico sui fenomeni di corrosione e fatica, la conduzione di simulazioni numeriche, la correlazione dei risultati con i risultati sperimentali e, in ultima analisi, il contributo all'avanzamento della conoscenza nel campo. I metodi impiegati comprendono l'utilizzo del software Siemens NX per la creazione di modelli solidi tridimensionali, l'implementazione di simulazioni FEM tramite il software MSC Marc/Mentat, l'applicazione del software nCode per identificare le regioni più stressate nel modello e l'integrazione di subroutine Fortran per gli aggiustamenti dei parametri di crescita delle crepe. Questo approccio completo facilita un'indagine sofisticata del comportamento da fatica da corrosione, considerando fattori come le proprietà del materiale, le condizioni di carico e la propagazione delle crepe. I risultati chiave includono la modellazione numerica della vita da fatica da corrosione nelle parti finali del fluido della pompa GEHO, con un focus specifico sui punti critici all'interno dell'involucro del diaframma. La comparazione e la convalida delle simulazioni numeriche con le analisi sperimentali, unite all'introduzione di un metodo approssimato per il calcolo del Fattore di Intensità di Stress (SIF), migliorano la comprensione della resilienza del componente sotto carichi ciclici in mezzi corrosivi. Questa tesi fa avanzare il campo gettando luce sulle complesse relazioni tra fatica e corrosione, offrendo un efficiente modello numerico per la previsione della vita da fatica da corrosione e delineando una tecnica funzionale per le valutazioni del SIF. I risultati non solo colmano le attuali lacune di conoscenza, ma forniscono anche consigli utili ai produttori su come migliorare la durabilità dei componenti in condizioni operative difficili.