Finite element modelling of residual stresses due to shot peening

• Main Author: Rahimzadeh, Tanaz
• Other Authors: Pascal Hubert (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2009
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=40773

Shot peening is a surface enhancement process used to improve the fatigue strength of metals by introducing beneficial compressive residual stresses on the surface. Shot peening is widely used in a number of industrial applications, including gas turbine engines. However, the fatigue life improvement gained via shot peening is not explicitly accounted for in current engine components life prediction processes. Therefore, there is a significant potential for increasing the predicted damage tolerance capabilities of engine components if beneficial residual stress considerations are incorporated into the life prediction methodology. In this work, a finite element model was developed to apply residual stresses from shot peening as initial stresses to the finite element mesh. The proposed technique was validated using a simple numerical example and the sensitivity of the resulting stress distribution in the model was investigated. The capability of the proposed strategy was also demonstrated on a fatigue test specimen containing high stress concentration features, broadly used in gas turbine engine applications. With the proposed technique, the applied residual stress profile is not self-equilibrating. Therefore, a redistribution of stresses was found in the model after the application of the boundary conditions. The depth and magnitude of the tensile residual stresses had a significant influence on the resulting redistribution of stresses. === Le grenaillage est un traitement de surface visant à améliorer la résistance en fatigue des métaux en introduisant des contraintes résiduelles en compression sur la surface. Le grenaillage est largement utilisé dans de nombreuses applications industrielles particulièrement dans les moteurs à turbine à gaz. Cependant, l’effet des contraintes résiduelles de n’est pas explicitement inclus dans les analyses de la prédiction de la résistance en fatigue des composantes. Ceci entraîne des prédictions très conservatrices de la vie en fatigue des pièces. Dans ce travail, un modèle d'analyse par éléments finis a été développé en applicant les contraintes induites par le grenaillage comme contraintes initiales dans le modèle. La méthode d’analyse proposée a été validée par un exemple numérique unidimensionnel. L’effet de la distribution des contraintes initiales sur la répartition des contraintes finales à été étudié. Un exemple de calcul a été effectué pour un échantillon utilisé pour mesurer la vie en fatigue des matériaux utilisés dans les moteurs à turbine à gaz. Avec la technique proposée, la contrainte initiale appliquée n’est pas en équilibre et ceci provoque une redistribution des contraintes dans la pièce. Ainsi, la profondeur et l’amplitude des contraintes résiduelles ont un effet important sur la redistribution des contraintes initiales dans la pièce.