Stress intensity factor of wood from crack-tip displacement fields obtained from digital image processing

Abstract

Calculation of the critical crack size for cold form rectangular hollow section tube (CRHS) under bending load at -40º C temperature

To predict the capacity of the structure or the point which is followed by instability, calculation of the critical crack size is important. Structures usually contain several cracks but not necessarily all of these cracks lead to failure or reach the critical size. So, defining the harmful cracks or the crack size which is the most leading one to failure provides criteria for structure’s capacity at elevated temperature. The scope of this thesis was to calculate fracture parameters like stress intensity factor, the J integral and plastic and ultimate capacity of the structure to estimate critical crack size for this specific structure. Several three dimensional (3D) simulations using finite element method by Ansys program and boundary element method by Frank 3D program were carried out to calculate fracture parameters and results with the aid of laboratory tests (loaddisplacement curve, the J resistance curve and yield or ultimate stress) leaded to extract critical size of the crack. Two types of the fracture which is usually affected by temperature, Elastic and Elasti-Plastic fractures were simulated by performing several linear elastic and nonlinear elastic analyses. Geometry details of the weldment; flank angle and toe radius were also studied independently to estimate the location of crack initiation and simulate stress field in early stages of crack extension in structure. In this work also overview of the structure’s capacity in room temperature (20 ºC) was studied. Comparison of the results in different temperature (20 ºC and -40 ºC) provides a threshold of the structure’s behavior within the defined range.

Effective notch method assessment of misalignment for fatigue loaded welds

 The objective of this thesis work was to assess axial misalignment in fatigue loaded welds using the effective notch method. As a result, the fatigue behaviour of non-load carrying cruciform fillet welded joint under cyclic tensile loading has been studied. Various degrees of axial misalignment have been found in one series of non-load carrying cruciform fillet welded joints used in a laboratory investigation. As a result, it was important to carry out a comprehensive investigation since axial misalignment forms part of thequality of fatigue loaded structure and can reduce the fatigue strength. To extend the study, the correlation between fatigue strength and stress ratio, as well as stress concentration factor, were also studied. Moreover, a closer investigation of place of crack initiation and its dependence on weld sequence and imperfections of test specimen (angular distortion) was studied. For the fatigue class calculations, FEM (finite element method) and the effectivenotch approach are used. The addressed variable is the axial misalignment whichis introduce by modeling the entire joint. Fracture mechanics based calculations are also used and quantitatively compared with effective notch and experimental results.

Valukappaleen ainetta rikkomattoman tarkastusprosessin kehittäminen

Ainetta rikkomattomien tarkastusten merkitys erityisesti valettujen kappaleiden valmistuksen yhteydessä on ratkaiseva koneenosan luotettavuuden varmistamisessa. Suurilujuuksiset kuormausnosturin kääntöpylväät ovat kriittisiä osia, joiden vaurioituminen aiheuttaa kustannuksia ja työturvallisuusriskin. Kuormainvalmistajat haluavat, että toimitetut kääntöpylväät täyttävät asetetut laatuvaatimukset, joihin kuuluu säröttömyyden varmistaminen tarkastamalla. Väsymisvaurioiden välttämiseksi kappaleiden pinnan virheettömyys on tarkastettava jollakin pintatarkastusmenetelmällä. Magneettijauhetarkastus on eräs käyttökelpoinen ja taloudellinen menetelmä kyseessä olevien teräsvalukappaleiden tarkastamisessa. Tähän työhön on koottu magneettijauhetarkastukseen (menetelmänä) liittyvää tietoa. Työssä on laadittu kääntöpylväisiin koneistuksia tekevän yrityksen käyttöön tarkastuksen yleisohje. Yrityksessä otetaan käyttöön uusi magneettijauhetarkastuslaitteisto. Tarkastusmenetelmä on fluoresoivamärkä menetelmä, jossa käytetään UV-valaistusta. Tarkastusohjeen tueksi on kuvattu vertailukuvasarja tarkastajien käyttöön. Suurin sallittava särönpituus on väsymisen kannalta tärkein yksittäinen tekijä ja siksi sen arvioinnin on oltava luotettavaa. Työturvallisuuteen on kiinnitetty erityistä huomiota, sillä asiakkaatovat usein kiinnostuneita paitsi itse tuotteesta, myös yrityksen toiminnallisesta laadusta. Yhtenä laadun mittarina voidaan pitää vahinkojen ja tapaturmien vähäisyyttä. Selkeät toimintaohjeet viestivät laatutietoisesta turvallisesta toiminnasta. Yrityksen laatukäsikirjaan on tehtävä lisäys pylväiden tarkastamisesta jatyöturvallisuudesta. Työssä on laadittu lisäyksestä ehdotus. Lisäksi työssä on pohdittu yrityksen ja työntekijöiden toimintaan liittyviä vastuukysymyksiä.

Fatigue Analysis of Welded Cruciform Joints with Cold Laps

Työssä on tutkittu vetojännityskuormituksen alaisena olevien hitsattujen kuormaa kantamattomien X-liitosten hitsin paikallisen geometrian variaation vaikutusta väsymislujuuteen. Muuttujina olivat reunan pyöristyssäde, kylmäjuoksun suuruus ja kylkikulma. Geometristen muuttujien parametrinen riippuvuussuhde on analysoitu usealla elementtimallilla. Väsymistarkastelu on suoritettu käyttämällä lineaaris-elastista murtumismekaniikkaa (LEFM) tasovenymätilassa ja materiaalina terästä. Särönkasvun suunnan ennustamisessaon käytetty maksimipääjännityskriteeriä sekä jännitysintensiteettikertoimet on määritetty J-integraalilla. Särön ydintymisvaihetta ei ole otettu huomioon. Rakenteen on oletettu olevan hitsatussa tilassa ja jännitysheilahdus on kokonaan tehollinen. Särön kasvunopeuden ennustamiseen on käytetty Paris'n lakia. Väsymislujuustulokset on esitetty karakteristisina väsymisluokkina (FAT) ja sovitettu parametriseksi yhtälöksi. Lopuksi väsymisanalyysin ennustamia tuloksia on verrattu saatavilla oleviin väsytystestituloksiin.

An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.

A novel approachfor assessing the fatigue strength of ultrasonic impact treated welded structures.

It is commonly observed that complex fabricated structures subject tofatigue loading fail at the welded joints. Some problems can be corrected by proper detail design but fatigue performance can also be improved using post-weld improvement methods. In general, improvement methods can be divided into two main groups: weld geometry modification methods and residual stress modification methods. The former remove weld toe defects and/or reduce the stress concentrationwhile the latter introduce compressive stress fields in the area where fatigue cracks are likely to initiate. Ultrasonic impact treatment (UIT) is a novel post-weld treatment method that influences both the residual stress distribution andimproves the local geometry of the weld. The structural fatigue strength of non-load carrying attachments in the as-welded condition has been experimentally compared to the structural fatigue strength of ultrasonic impact treated welds. Longitudinal attachment specimens made of two thicknesses of steel S355 J0 have been tested for determining the efficiency of ultrasonic impacttreatment. Treated welds were found to have about 50% greater structural fatigue strength, when the slope of the S-N-curve is three. High mean stress fatigue testing based on the Ohta-method decreased the degree of weld improvement only 19%. This indicated that the method could be also applied for large fabricated structures operating under high reactive residual stresses equilibrated within the volume of the structure. The thickness of specimens has no significant effect tothe structural fatigue strength. The fatigue class difference between 5 mm and 8 mm specimen was only 8%. It was hypothesized that the UIT method added a significant crack initiation period to the total fatigue life of the welded joints. Crack initiation life was estimated by a local strain approach. Material parameters were defined using a modified Uniform Material Law developed in Germany. Finite element analysis and X-ray diffraction were used to define, respectively, the stress concentration and mean stress. The theoretical fatigue life was found to have good accuracy comparing to experimental fatigue tests.The predictive behaviour of the local strain approach combined with the uniformmaterial law was excellent for the joint types and conditions studied in this work.

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.

Effect of Mechanical and Geometric Mismatching on Fatigue and Damage of Welded Joints

The future of high technology welded constructions will be characterised by higher strength materials and improved weld quality with respect to fatigue resistance. The expected implementation of high quality high strength steel welds will require that more attention be given to the issues of crack initiation and mechanical mismatching. Experiments and finite element analyses were performed within the framework of continuum damage mechanics to investigate the effect of mismatching of welded joints on void nucleation and coalescence during monotonic loading. It was found that the damage of undermatched joints mainly occurred in the sandwich layer and the damageresistance of the joints decreases with the decrease of the sandwich layer width. The damage of over-matched joints mainly occurred in the base metal adjacent to the sandwich layer and the damage resistance of the joints increases with thedecrease of the sandwich layer width. The mechanisms of the initiation of the micro voids/cracks were found to be cracking of the inclusions or the embrittled second phase, and the debonding of the inclusions from the matrix. Experimental fatigue crack growth rate testing showed that the fatigue life of under-matched central crack panel specimens is longer than that of over-matched and even-matched specimens. Further investigation by the elastic-plastic finite element analysis indicated that fatigue crack closure, which originated from the inhomogeneousyielding adjacent to the crack tip, played an important role in the fatigue crack propagation. The applicability of the J integral concept to the mismatched specimens with crack extension under cyclic loading was assessed. The concept of fatigue class used by the International Institute of Welding was introduced in the parametric numerical analysis of several welded joints. The effect of weld geometry and load condition on fatigue strength of ferrite-pearlite steel joints was systematically evaluated based on linear elastic fracture mechanics. Joint types included lap joints, angle joints and butt joints. Various combinations of the tensile and bending loads were considered during the evaluation with the emphasis focused on the existence of both root and toe cracks. For a lap joint with asmall lack-of-penetration, a reasonably large weld leg and smaller flank angle were recommended for engineering practice in order to achieve higher fatigue strength. It was found that the fatigue strength of the angle joint depended strongly on the location and orientation of the preexisting crack-like welding defects, even if the joint was welded with full penetration. It is commonly believed that the double sided butt welds can have significantly higher fatigue strength than that of a single sided welds, but fatigue crack initiation and propagation can originate from the weld root if the welding procedure results in a partial penetration. It is clearly shown that the fatigue strength of the butt joint could be improved remarkably by ensuring full penetration. Nevertheless, increasing the fatigue strength of a butt joint by increasing the size of the weld is an uneconomical alternative.

Analytical Study on the Influence of Geometrical Parameters on the Fatigue Strength of Welds with Undercuts

The purpose of this study is to analyze the influence of geometric parameters on the fatigue strength of the welded joint. The thesis includes the analytical study pertaining to variation of undercut and the weld toe radius. The theoretical part includes the concepts of fracture mechanics, different stages of the crack propagation and finally the results. The numerical results are obtained from FRANC2D/L. The results show that the fatigue strength of the welded structure depends on the parameters of the welds such as the weld toe radius, weld angle, height of the undercut and plate thickness. The results show that the fatigue life can be improved by having the undercut as minimum as possible. However there has been significant variation on the fatigue life of the structure when the weld toe radius is increased.

Kylmämuovatun putkipalkin väsyminen metsätyökoneen puomirakenteessa

Työssä on tutkittu kylmämuovatun suorakaideputkipalkin väsymistä metsätyökoneen puomirakenteen osana. Kylmämuovatun putkipalkin sisäpintaan syntyy käytössä puristavan ulkoisen kuormituksen vaikutuksesta putkipalkin pituussuunnassa sekä seinämän läpi kasvavia säröjä. Työn tarkoituksena on ollut selvittää rakenteen väsymiskestoikä sekä säröytymisen aiheuttavat tekijät. Työssä on verrattu kestoikälaskentaan ja särönkasvuun sovellettujen murtumismekaniikan ja elementtimenetelmän tuloksia laboratoriokokeista saatuihin tuloksiin. Toisiaan tukevien tulosten perusteella kylmämuovausprosessissa syntyneiden jäännösjännitysten osuus särön ydintymisessä, kasvussa ja sen käyttäytymisessä on ulkoisen kuorman paikallisen vaikutuksen lisänä erittäin merkittävä. Putkipalkin väsyminen onkin jäännösjännityksistä riippuva särönkasvuilmiö.

Juotosmurtumat lyijyttömässä aaltojuotoksessa

Elektroniikkatuotannossa käytettävien lyijyä sisältävien materiaalien korvaaminen lyijyttömillä vaihtoehdoilla ei ole niin yksinkertaista, miltä se kuulostaa. Vaikka suuri osa materiaaleista muuttuukin, niin muutoksilla ei saa olla negatiivisia vaikutuksia tuotteiden luotettavuuteen. Diplomityössä tutkittiin lyijyttömillä juotteilla esiintyviä juotosmurtumia. Tavoitteena oli saada selville juotosmurtumia aiheuttavia ominaisuuksia materiaaleissa sekä selvittää aaltojuotoksen prosessiparametrien vaikutus murtumien syntymiseen. Tässä työssä tarkasteltiin alieutektisella tina-hopea-kupari (Sn/3.0Ag/0.5Cu)-juotteella varustetulla aaltojuotoslaitteistolla juotettuja testisarjoja. Juotoslaatua verrattiin eutektisella tina-kupari-nikkeli (SN100C)-juotteella juotettuihin piirilevyihin. Tutkimusta varten suunniteltiin testipiirilevy, jossa käytettiin ainoastaan lyijyttömiä komponentteja. Tutkimuksessa käytettiin kahta eri laminaattimateriaalia sekä kahta eri johdinpinnoitetta. Testilevyjä rasitettiin satunnaistärinätestillä sekä sääkaapissa lämpötilasyklillä. Juotosliitosten laatua ja luotettavuutta tutkittiin valo-, röntgen- ja elektronimikroskoopin avulla.

Väsymisen huomiointi laitteen ohjauksessa

Työssä selvitettiin väsymisen huomioivan ja minimoivan laitteen ohjausmenetelmiä. Väsymisilmiön huomioiva älykäs laite monitoroi itsenäisesti mm. väsymissäröjen kasvua ja muuttaa toimintaansa sen mukaisesti. Reagoinnin hyötyinä saavutetaan väsyttävästi kuormitetulle laitteelle mm. pidempi käyttöikä ja riskin hallinta, jossa laite tietää, miten sitä voidaan käyttää ennen vauriota ja sen jälkeen. Kunnossapitoon liittyen ennustetaan jäljellä olevaa käyttöikää, jolloin voidaan suunnitella huolto. Tutkimuksessa käsiteltiin mm. laitteiden ohjauksen tarvitsemia mittausmenetelmiä, mittaustiedon käsittelyä, vaurion luokittelua ja vauriota minimoivan ohjauksen rakennetta. Lisäksi käsiteltiin lyhyesti vaurion luokittelussa sekä ohjausreaktioiden ratkaisemisessa tarvittavia oppivia menetelmiä. Väsymistä minimoivan laitteen ohjauksen perusedellytys on laitteen kokemien rasitusten ja/tai suorituksen mittaaminen. Mittaustulosten perusteella määritetään vaurioitumista kuvaavat suureet. Ohjauksen vaurioon reagoivassa osassa määritetään tieto vaurioitumisen kriittisyydestä ja tämän perusteella tarvittava ohjauksen optimaalinen muutos sekä optimaalinen ohjaussignaali tai muu korjaava toimenpide. Ohjaus optimoidaan vaurioitumisnopeus minimoiden ja suorituskyky maksimoiden. Näiden välille etsitään sopiva tasapaino, jossa suorituskyvyn häviö on pieni mahdollisimman suurella vaurioitumisen pienenemisellä. Tämän jälkeen mittauksien avulla saadaan tieto korjatun ohjauksen vaikutuksesta vauriosuureisiin.

Päällystettyä hienopaperia valmistavan tuotantolinjan tuotannon tehokkuuden kehittäminen

Diplomityön tavoitteena on selvittää paperivioista aiheutuvien katkojen syyt paperikoneella ja pyrkiä löytämään ratkaisu ongelmiin erilaisia vianilmaisujärjestelmiä apuna käyttäen. Työssä analysoidaan laatuhylyn synty tuotantolinjan eri kohteissa. Lisäksi tilastoidaan häiriöseisokkisyyt ja sitä kautta pyritään painottamaan kunnossa-pidon tärkeyttä tuotantolinjan tehokkuudessa. Kirjallisuusosassa tutustutaan hyötysuhteen määritelmään ja käsitellään tuotantolinjan hyötysuhteeseen vaikuttavia tekijöitä. Kirjallisuusosassa selvitetään päällystetyn hienopaperin tuoteanalyysin avulla ominaisuudet, joilla on vaikutusta ajettavuuteen ja katkoherkkyyteen on-line päällystävällä hienopaperikoneella. Kokeellisessa osassa selvitetään tuotantoaikaa vähentävien tekijöiden syyt ja mahdolli-set aiheuttajat erilaisten vikaprofiilien avulla. Kokeellisessa osassa analysoidaan myös tuotantolinjan hylyn syntyyn vaikuttavat tekijät ja pyritään minimoimaan hylyn määrä. Pohjapaperin täplät aiheuttivat reikäkatkoja ja hylyn syntymistä kalanterin aukaisujen takia. Reunaviat ja kireysheitot aiheuttivat myös runsaasti katkoja. Lukuisat häiriöseisokit aiheuttivat aikahävikkiä. Häiriöseisokkeja aiheuttivat viat mekaanisissa laitteissa, narujen vaihdot ja rullausruuhkat. Telasuojelun aiheuttamat kalanterin aukaisut olivat työn alussa suurin paperin hylkäyssyy. Telasuojelun optimoinnin ja pohjapaperin täplien määrän vähenemisen myötä telasuojeluaukaisut vähenivät. Lajinvaihdot ja katkot olivat suurimmat hylyn aiheuttajat työn loppuaikana.