Multivariable regression analysis and hot-spot stress approach into fatigue life estimations of welded joints

Kolmen eri hitsausliitoksen väsymisikä arvio on analysoitu monimuuttuja regressio analyysin avulla. Regression perustana on laaja S-N tietokanta joka on kerätty kirjallisuudesta. Tarkastellut liitokset ovat tasalevy liitos, krusiformi liitos ja pitkittäisripa levyssä. Muuttujina ovat jännitysvaihtelu, kuormitetun levyn paksuus ja kuormitus tapa. Paksuus effekti on käsitelty uudelleen kaikkia kolmea liitosta ajatellen. Uudelleen käsittelyn avulla on varmistettu paksuus effektin olemassa olo ennen monimuuttuja regressioon siirtymistä. Lineaariset väsymisikä yhtalöt on ajettu kolmelle hitsausliitokselle ottaen huomioon kuormitetun levyn paksuus sekä kuormitus tapa. Väsymisikä yhtalöitä on verrattu ja keskusteltu testitulosten valossa, jotka on kerätty kirjallisuudesta. Neljä tutkimustaon tehty kerättyjen väsymistestien joukosta ja erilaisia väsymisikä arvio metodeja on käytetty väsymisiän arviointiin. Tuloksia on tarkasteltu ja niistä keskusteltu oikeiden testien valossa. Tutkimuksissa on katsottu 2mm ja 6mm symmetristäpitkittäisripaa levyssä, 12.7mm epäsymmetristä pitkittäisripaa, 38mm symmetristä pitkittäisripaa vääntökuormituksessa ja 25mm/38mm kuorman kantavaa krusiformi liitosta vääntökuormituksessa. Mallinnus on tehty niin lähelle testi liitosta kuin mahdollista. Väsymisikä arviointi metodit sisältävät hot-spot metodin jossa hot-spot jännitys on laskettu kahta lineaarista ja epälineaarista ekstrapolointiakäyttäen sekä paksuuden läpi integrointia käyttäen. Lovijännitys ja murtumismekaniikka metodeja on käytetty krusiformi liitosta laskiessa.

A modified structural stress method for fatigue assessment of welded structures

Fatigue life assessment of weldedstructures is commonly based on the nominal stress method, but more flexible and accurate methods have been introduced. In general, the assessment accuracy is improved as more localized information about the weld is incorporated. The structural hot spot stress method includes the influence of macro geometric effects and structural discontinuities on the design stress but excludes the local features of the weld. In this thesis, the limitations of the structural hot spot stress method are discussed and a modified structural stress method with improved accuracy is developed and verified for selected welded details. The fatigue life of structures in the as-welded state consists mainly of crack growth from pre-existing cracks or defects. Crack growth rate depends on crack geometry and the stress state on the crack face plane. This means that the stress level and shape of the stress distribution in the assumed crack path governs thetotal fatigue life. In many structural details the stress distribution is similar and adequate fatigue life estimates can be obtained just by adjusting the stress level based on a single stress value, i.e., the structural hot spot stress. There are, however, cases for which the structural stress approach is less appropriate because the stress distribution differs significantly from the more common cases. Plate edge attachments and plates on elastic foundations are some examples of structures with this type of stress distribution. The importance of fillet weld size and weld load variation on the stress distribution is another central topic in this thesis. Structural hot spot stress determination is generally based on a procedure that involves extrapolation of plate surface stresses. Other possibilities for determining the structural hot spot stress is to extrapolate stresses through the thickness at the weld toe or to use Dong's method which includes through-thickness extrapolation at some distance from the weld toe. Both of these latter methods are less sensitive to the FE mesh used. Structural stress based on surface extrapolation is sensitive to the extrapolation points selected and to the FE mesh used near these points. Rules for proper meshing, however, are well defined and not difficult to apply. To improve the accuracy of the traditional structural hot spot stress, a multi-linear stress distribution is introduced. The magnitude of the weld toe stress after linearization is dependent on the weld size, weld load and plate thickness. Simple equations have been derived by comparing assessment results based on the local linear stress distribution and LEFM based calculations. The proposed method is called the modified structural stress method (MSHS) since the structural hot spot stress (SHS) value is corrected using information on weld size andweld load. The correction procedure is verified using fatigue test results found in the literature. Also, a test case was conducted comparing the proposed method with other local fatigue assessment methods.

Eri laskentamenetelmien vertailu hitsatun rakenteen väsymislaskennassa

Tässä työssä tutkittiin eri mitoitusmenetelmien soveltuvuutta hitsattujen rakenteiden vä-symislaskennassa. Käytetyt menetelmät olivat rakenteellinen jännityksen menetelmä, te-hollisen lovijännityksen menetelmä ja murtumismekaniikka. Lisäksi rakenteellisen jänni-tyksen määrittämiseksi käytettiin kolmea eri menetelmää. Menetelmät olivat pintaa pitkin ekstrapolointi, paksuuden yli linearisointi ja Dongin menetelmä. Väsymiskestävyys määritettiin kahdelle hitsiliitoksen yksityiskohdalle. Laskenta tehtiin käyttäen elementtimenetelmää rakenteen 3D-mallille. Tutkittavasta aggregaattirungosta oli olemassa FE-malli mutta alimallinnustekniikkaa hyödyntämällä pystyttiin yksityiskohtai-semmin tutkimaan vain pientä osaa koko rungon mallista. Rakenteellisen jännityksen menetelmä perustuu nimellisiin jännityksiin. Kyseinen mene-telmä ei vaadi geometrian muokkausta. Yleensä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytetään hitsin rajaviivan väsymislaskennassa, mutta joissain tapauksissa sitä on käytetty juuren puolen laskennassa. Tässä työssä rakenteellisen jännityksen menetelmää käytettiin myös juuren puolen tutkimisessa. Tehollista lovijännitystä tutkitaan mallintamalla 1 mm fiktiiviset pyöristykset sekä rajaviivalle että juuren puolelle. Murtumismekaniikan so-veltuvuutta tutkittiin käyttämällä Franc2D särön kasvun simulointiohjelmaa. Väsymislaskennan tulokset eivät merkittävästi poikkea eri laskentamenetelmien välillä. Ainoastaan rakenteellisen jännityksen Dongin menetelmällä saadaan poikkeavia tuloksia. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että menetelmän laskentaetäisyydestä ei ole tietoa. Raken-teellisen jännityksen menetelmällä, tehollisen lovijännityksen menetelmällä ja murtumis-mekaniikalla saadaan samansuuntaiset tulokset. Suurin ero menetelmien välillä on mal-linnuksen ja laskennan vaatima työmäärä.

Notchikololiitosten FE-analyysit

Työn kandidaatintyössä tutkittiin kolollisen levyrakenteen hot spot -jännityksiä ja väsymiskestävyyttä varioimalla kolon sädettä. Työssä haluttiin selvittää, kuinka hot spot -jännitykset, rakenteen kestoikä ja rakenteen kriittinen kohta muuttuvat, kun kolon sädettä muutetaan. Työn tavoitteena oli myös tutkia, kuinka laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden ja tietokoneella laskettujen elementtimallien tulokset eroavat toisistaan.

Vääntökuormitetun koteloprofiilipuomin väsymiskestävyys

Tässä työssä tutkittiin vääntökuormitettua hitsattua koteloprofiilipuomia. Vääntökuormitus aiheuttaa koteloprofiiliin vinouttavan voimasysteemin, joka aiheuttaa kotelopalkkiin sekä poikittaisia taivutusjännityksiä että pitkittäisiä jännityksiä. Vinoutumisen aiheuttamia lisära-situksia on tutkittu analyyttisesti BEF-analogian avulla sekä elementtimenetelmää apuna käyttäen. Lisäksi vääntökuormitus aiheuttaa puomiin estetyn väännön jännityksiä. Väsymiskestoikää tutkittiin laboratoriossa suoritettujen väsytyskokeiden avulla sekä las-kennallisesti. Kestoikälaskennassa käytettiin tehollisen lovijännityksen menetelmää hitsin juuren puolen väsymisen arvioinnissa sekä hot spot- jännityksen menetelmää hitsin rajavii-van väsymisen arvioinnissa. Teholliset lovijännitykset sekä hot spot jännitykset ovat määri-tetty elementtimenetelmän avulla. Laboratoriokokeiden ja elementtimenetelmä laskennan perusteella saatiin rakenteen kes-toiän kannalta kriittiset detaljit määritettyä. Kriittiset detaljit sijaitsevat puomin päädyn rakenteissa. Tutkimuksessa saatiin selville, että kriittisten detaljien rakenteellisilla ja valmis-tusteknisillä ratkaisuilla on merkittävä vaikutus lopullisen tuotteen väsymiskestoikään.

Stresses of a boat trailer

In this thesis work, a strength analysis is made for a boat trailer. The studied trailer structure is manufactured from Ruukki’s structural steel S420. The main focus in this work is in the trailer’s frame. The investigation process consists two main stages. These stages are strain gage measurements and finite elements analysis. Strain gage measurements were performed to the current boat trailer in February 2015. Static durability and fatigue life of the trailer are analyzed with finite element analysis and with two different materials. These materials are the current trailer material Ruukki’s structural steel S420 and new option material high strength precision tube Form 800. The main target by using high strength steel in a trailer is weight reduction. The applied fatigue analysis methods are effective notch stress and structural hot spot stress approaches. The target of these strength analyses is to determine if it is reasonable to change the trailer material to high strength steel. The static strengths of the S420 and Form 800 trailers is sufficient. The fatigue strength of the Form 800 trailer is considerably lower than the fatigue strength of the S420 trailer. For future research, the effect of hot dip galvanization to the high strength steel has to be investigated. The effect of hot dip galvanization to the trailer is investigated by laboratory tests that are not included in this thesis.

Effect of loading type on the fatigue strength of symmetric and asymmetric welded joints made of ultra high strength steel

In this study, finite element analyses and experimental tests are carried out in order to investigate the effect of loading type and symmetry on the fatigue strength of three different non-load carrying welded joints. The current codes and recommendations do not give explicit instructions how to consider degree of bending in loading and the effect of symmetry in the fatigue assessment of welded joints. The fatigue assessment is done by using effective notch stress method and linear elastic fracture mechanics. Transverse attachment and cover plate joints are analyzed by using 2D plane strain element models in FEMAP/NxNastran and Franc2D software and longitudinal gusset case is analyzed by using solid element models in Abaqus and Abaqus/XFEM software. By means of the evaluated effective notch stress range and stress intensity factor range, the nominal fatigue strength is assessed. Experimental tests consist of the fatigue tests of transverse attachment joints with total amount of 12 specimens. In the tests, the effect of both loading type and symmetry on the fatigue strength is studied. Finite element analyses showed that the fatigue strength of asymmetric joint is higher in tensile loading and the fatigue strength of symmetric joint is higher in bending loading in terms of nominal and hot spot stress methods. Linear elastic fracture mechanics indicated that bending reduces stress intensity factors when the crack size is relatively large since the normal stress decreases at the crack tip due to the stress gradient. Under tensile loading, experimental tests corresponded with finite element analyzes. Still, the fatigue tested joints subjected to bending showed the bending increased the fatigue strength of non-load carrying welded joints and the fatigue test results did not fully agree with the fatigue assessment. According to the results, it can be concluded that in tensile loading, the symmetry of joint distinctly affects on the fatigue strength. The fatigue life assessment of bending loaded joints is challenging since it depends on whether the crack initiation or propagation is predominant.

Convenience of scallops in plate structures

In this thesis was performed comprehensive study about the convenience of scallops in plate structures. A literature review was performed and lack of knowledge was fulfilled with fatigue tests performed in the laboratory of Steel Structures at the Lappeenranta University of Technology and with finite element method. The aim of this thesis was to produce design guidance for the use of scallops for different structural details and different loading conditions. An additional aim was to include more precise instructions for scallop design to produce good fatigue resistance and appropriate manufacturing quality. The literature review was performed searching bridge engineering and maritime standards and design guides and studies from scientific databases and reference lists from the literature of this field. Fatigue tests were used to research the effect of using scallops or not using scallops to fatigue strength of bracket specimen. Tests were performed on three specimens with different scallop radii and to five specimens without scallops with different weld penetration depths. Finite element method using solid elements, symmetry and submodels was used to determine stress concentration factors for I-beams with scallops. Stresses were defined with hot spot stress method. Choosing to use a scallop or not in the structure is affected by many factors, such as structural and loading conditions and manufacturability. As a rule of thumb, scallops should be avoided because those cause stress concentration points to the structure and take a lot of time to manufacture. When scallops are not used, good quality welding should be provided and full weld penetration is recommended to be used in load carrying corner weld areas. In some cases, it is advisable to use scallops. In that case, circular scallops are recommended to be used and radius should be chosen from fatigue strength or manufacturing point of view.

A modified nominal stress method for fatigue assessment of steel plates with thermally cut edges

Thermal cutting methods, are commonly used in the manufacture of metal parts. Thermal cutting processes separate materials by using heat. The process can be done with or without a stream of cutting oxygen. Common processes are Oxygen, plasma and laser cutting. It depends on the application and material which cutting method is used. Numerically-controlled thermal cutting is a cost-effective way of prefabricating components. One design aim is to minimize the number of work steps in order to increase competitiveness. This has resulted in the holes and openings in plate parts manufactured today being made using thermal cutting methods. This is a problem from the fatigue life perspective because there is local detail in the as-welded state that causes a rise in stress in a local area of the plate. In a case where the static utilization of a net section is full used, the calculated linear local stresses and stress ranges are often over 2 times the material yield strength. The shakedown criteria are exceeded. Fatigue life assessment of flame-cut details is commonly based on the nominal stress method. For welded details, design standards and instructions provide more accurate and flexible methods, e.g. a hot-spot method, but these methods are not universally applied to flame cut edges. Some of the fatigue tests of flame cut edges in the laboratory indicated that fatigue life estimations based on the standard nominal stress method can give quite a conservative fatigue life estimate in cases where a high notch factor was present. This is an undesirable phenomenon and it limits the potential for minimizing structure size and total costs. A new calculation method is introduced to improve the accuracy of the theoretical fatigue life prediction method of a flame cut edge with a high stress concentration factor. Simple equations were derived by using laboratory fatigue test results, which are published in this work. The proposed method is called the modified FAT method (FATmod). The method takes into account the residual stress state, surface quality, material strength class and true stress ratio in the critical place.

Ruuvipurkaimen väsymistarkastelu

Ruuvipurkaimen väsymismitoituksen hankalin vaihe on oikeiden kuormien määrittäminen. Tässä työssä laskettiin ruuvipurkaimen väsymisikä kenttämittauksissa saatujen kuormien perusteella. Laskentaan käytettiin nimellisjännitysten menetelmää, Hot-Spot-menetelmää, murtumismekaniikkaa ja paikallisen venymän menetelmää. Purkaimen ruuviputken hitsit käsitellään koneviilaamalla. Kirjallisuudesta etsittiin koetuloksia koneviilatuille kappaleille ja niiden pohjalta laskettiin ehdotus suunnitteluväsymisrajaksi käytettäväksi koneviilatuille T-liitoksille ruuvipurkaimien suunnittelussa. Väsymisrajaksi saatiin 95MPa, kun huomioitiin koekappaleiden koko tilastollisin menetelmin.

Digitaalisen valmistuksen vaikutus hitsatun rakenteen väsymiskestävyyteen

Tässä työssä tutkittiin kuinka eri tavoin rakenteen mallintaminen vaikuttaa laskettuun väsy-misikään. Työssä tutkittavana rakenteena toimi Sandvik Mining and Construction OY:n las-tauskoneen nostovarsi. Nostovarrelle väsytyskokeet suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Työn tavoitteena oli tutkia miten eri digitaalinen valmistuksen tasot vaikuttavat hitsatulle rakenteelle saatuun kestoikään. Työssä tutkittiin myös miten todellista geometriaa voidaan hyödyntää rakenteen kestoiän arvioinnissa. Väsytyskoejärjestely mallinnettiin FE-menetelmällä, ja järjestelystä tehtiin useita malleja käyttäen solidi- ja laattaelementtejä. Malleista laskettiin väsymisiät hot spot- ja tehollisen lovijännityksen menetelmällä, ja saatuja tuloksia vertailtiin toisiinsa ja väsytyskokeen tulok-siin. Väsytyskokeessa vaurioituneista kohdista tarkemman tutkimuksen kohteena oli nosto-varren palstalevyn kärki. Hot spot-menetelmällä saadut kestoiät vaihtelivat paikoin melko paljon eri mallien välillä. Tehollisen lovijännityksen menetelmällä saaduissa tuloksissa erot olivat pienempiä mallien välillä. FE-mallin ja venymäliuskojen jännitykset poikkesivat toisistaan paikoin melko pal-jon. Todellisen hitsatun rakenteen kestoikään vaikuttaa moni asia, ja täten FE-menetelmällä las-kettu kestoikä voi poiketa huomattavasti todellisesta kestoiästä. Varsinkin hot spot-menetel-mällä tulokset voivat poiketa hyvinkin paljon todellisuudesta, mikäli jännitystila tutkitta-vassa kohdassa on moniaksiaalinen. Todellisen geometrian mallintaminen vaatii tarkkuutta, ja alkuperäisdatan tulee olla mahdollisimman tarkkaa ja riittävän suurelta alueelta, jotta malli vastaa tarpeeksi todellista.

Puukurottajan puomin väsymistarkastelu

Tämän diplomityön tarkoituksena on tarkastella puukurottajan puomin väsymiskestävyyttä Hot-spot –menetelmää hyödyntäen. Työn väsymisanalyysi perustuu oletukseen, että työkiertojen jännityshistoria pysyy samanlaisena koko kestoiän. Työssä määritetään puomin kriittiset kohdat väsymiskestävyyden suhteen ja puomin väsymiseen vaikuttavia tekijöitä. Puomirakenteen FE-analyysin suorittamisessa käytettiin Femap NX Nastran –ohjelmistoa.

Puutavaranosturin teleskooppipuomin kehittäminen ultralujilla teräksillä toteutettavaksi

Diplomityössä on tutkittu ultralujien terästen käyttömahdollisuuksia puutavaranosturin puomirakenteissa. Työn tavoitteena on ollut suunnitella uusi puomikonstruktio, joka on kevyempi kuin aiemmat ratkaisut, mutta täyttää kuitenkin sovellettavien standardien asettamat vaatimukset väsymisen, staattisen kestävyyden ja stabiliteetin suhteen. Työ on tehty vertailemalla erilaisten uusien profiilien ja rakenneyksityiskohtien ominaisuuksia toisiinsa ja vanhaan rakenteeseen. Vertailukriteereinä on käytetty elastista taivutuskapasiteettia, kriittistä lommahduskuormaa, väsymislujuutta sekä hitsaus- ja materiaalikustannuksia. Työn lopputuloksena saatiin ehdotus uudeksi teleskooppipuomiksi, joka on noin 8 % kevyempi kuin nykyinen ratkaisu.

A Graphical Pattern Editor for Java Frameworks

Ohjelmistojen uudelleenkäyttö on hyvin tärkeä käsite ohjelmistotekniikan alueella.Ohjelmistojen uudelleenkäyttötekniikat parantavat ohjelmistokehitysprosessin laatua. Yleisiä ratkaisuja sekä ohjelmiston suunnittelun että arkkitehtuurin uudelleenkäyttöön ovat olio-ohjelmointi ja sovelluskehykset. Tähän asti ei ole ollut olemassa yleisiä tapoja sovelluskehysten erikoistamiseen. Monet nykyääntunnetuista sovelluskehyksistä ovat hyvin suuria ja mutkikkaita. Tällaisten sovelluskehyksien käyttö on monimutkaista myös kokeneille ohjelmoijille. Hyvin dokumentoidut uudelleenkäytettävät sovelluskehyksen rajapinnat parantavat kehyksen käytettävyyttä ja tehostavat myös erikoistamisprosessiakin sovelluskehyksen käyttäjille. Sovelluskehyseditori (framework editor, JavaFrames) on prototyyppityökalu, jota voidaan käyttää yksinkertaistamaan sovelluskehyksen käyttöä. Perusajatus JavaFrames lähestymistavassa ovat erikoistamismallit, joita käytetään kuvamaan sovelluskehyksen uudelleenkäytettäviä rajapintoja. Näihin malleihin perustuen JavaFrames tarjoaa automaattisen lähdekoodi generaattorin, dokumentoinninja arkkitehtuurisääntöjen tarkistuksen. Tämä opinnäyte koskee graafisen mallieditorin kehittämistä JavaFrames ympäristöön. Työssä on laadittu työkalu,jonka avulla voidaan esittää graafisesti erikoistamismalli. Editori sallii uusien mallien luomisen, vanhojen käyttämättä olevien poistamisen, kuten myös yhteyksien lisäämisen mallien välille. Tällainen graafinen tuki JavaFrames ympäristöönvoi huomattavasti yksinkertaistaa sen käyttöä ja tehdä sovellusten kehittämisprosessista joustavamman.