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 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.

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.

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.

Kestomagneettikoneen roottorin väsymisanalyysi

Työn tavoitteena oli luoda työkalu kestomagneettikoneiden roottoreiden väsymisen analysointia varten. Työkalu toteutettiin siten, että siihen voidaan liittää oikeasta koneesta mitattu kuormitusdata, sekä tarvittavat materiaalitiedot. Kuormitusdata muunnetaan työkalussa jännityshistoriaksi käyttämällä elementtimenetelmän avulla laskettavaa skaalauskerrointa. Kestoiän laskemiseen analyysityökalu käyttää jännitykseen perustuvaa menetelmää sekä rainflowmenetelmää ja Palmgren-Minerin kumulatiivista vauriosääntöä. Lisäksi työkalu tekee tutkittavalle tapaukselle Smithin väsymislujuuspiirroksen. Edellä mainittujen menetelmien lisäksi työn teoriaosassa esiteltiin väsymisanalyysimenetelmistä myös paikalliseen venymään perustuva menetelmä sekä murtumismekaniikka. Nämä menetelmät jäivät monimutkaisuutensa vuoksi toteuttamatta työkalussa. Väsymisanalyysityökalulla laskettiin kestoiät kahdelle esimerkkitapaukselle. Kummassakin tapauksessa saatiin tulokseksi ääretön kestoikä, mutta aksiaalivuokoneen roottorin dynaaminen varmuus oli pieni. Vaikka tulokset vaikuttavat järkeviltä, ne olisi vielä hyvä verifioida esimerkiksi kaupallisen ohjelmiston avulla täyden varmuuden saamiseksi.

FAT-luokkien määritys hitsatuille levyliitoksille käyttämällä lineaarisen murtumismekaniikan särönkasvun simulointia

Työssä tutkittiin hitsattujen levyliitosten väsymiskestävyyden mitoitusarvoja. Hitsien väsymiskestävyyden mitoitusarvot määritettiin lineaarista murtumismekaniikkaa soveltavalla 2D FEM-laskentaohjelmalla. Murtumismekaanisen laskennan tuloksista määriteltiin, eri liitosgeometrioiden ja kuormitustyyppien mukaisia, nimellisen jännityksen väsymismitoitusmenetelmää vastaavia FAT-luokkia, joissa on huomioitu rakenteellinen jännitys hitsiä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tutkittujen liitosten geometriat olivat pääsääntöisesti poikkeavia mitoitusstandardien ja ohjeiden sisältämistä taulukkotapauksista. Laskennassa otettiin huomioon hitsien liittymiskulma perusaineeseen, rajaviivan pyöristykset ja vajaa hitsautumissyvyys. Kuormitustyyppien vaihtelua tutkittiin rakenteellisen jännityksen taivutusosuuden muutoksilla ja kuormaa kantavien X-liitosten risteävien kuormituksien suhteellisilla suuruuksilla. Väsymiskestävyydet määritettiin kuormituskohtaisille kalvo- ja taivutusjännityksille sekä näiden jännitysjakaumien keskiarvoille. Työssä saatuja FAT-luokkia voidaan hyödyntää vastaavien geometrioiden ja kuormitusten yhteydessä, sekä interpoloimalla myös tuloksien väliarvoissa. Työssä käytetyillä menetelmillä voidaan parantaa nimellisen jännityksen mitoitusmenetelmän tarkkuutta ja laajentaa sitä koskemaan myös taulukkotapausten ulkopuolisia liitoksia. Työn tuloksissa on esitetty FAT-luokkia T-, X- ja päittäisliitoksille ja näiden eri kuormitusyhdistelmille.

Modeling of residual stresses and distortion due to welding in fillet welds

Welding has a growing role in modern world manufacturing. Welding joints are extensively used from pipes to aerospace industries. Prediction of welding residual stresses and distortions is necessary for accurate evaluation of fillet welds in relation to design and safety conditions. Residual stresses may be beneficial or detrimental, depending whether they are tensile or compressive and the loading. They directly affect the fatigue life of the weld by impacting crack growth rate. Beside theoretical background of residual stresses this study calculates residual stresses and deformations due to localized heating by welding process and subsequent rapid cooling in fillet welds. Validated methods are required for this purpose due to complexity of process, localized heating, temperature dependence of material properties and heat source. In this research both empirical and simulation methods were used for the analysis of welded joints. Finite element simulation has become a popular tool of prediction of welding residual stresses and distortion. Three different cases with and without preload have been modeled during this study. Thermal heat load set is used by calculating heat flux from the given heat input energy. First the linear and then nonlinear material behavior model is modeled for calculation of residual stresses. Experimental work is done to calculate the stresses empirically. The results from both the methods are compared to check their reliability. Residual stresses can have a significant effect on fatigue performance of the welded joints made of high strength steel. Both initial residual stress state and subsequent residual stress relaxation need to be considered for accurate description of fatigue behavior. Tensile residual stresses are detrimental and will reduce the fatigue life and compressive residual stresses will increase it. The residual stresses follow the yield strength of base or filler material and the components made of high strength steel are typically thin, where the role of distortion is emphasizing.

Keskipakoispuhaltimen siipipyörän lujuusteknisen mitoituksen kehittäminen

Tässä työssä on tutkittu prosessipuhaltimena käytettävän keskipakoispuhaltimen lujuusteknistä mitoitusta. Työn tavoitteena on ollut luoda analyyttisiä laskentakaavoja Koja Oy:n käyttöön tulevaisuuden tuotekehityksen tueksi. Tavoitteena on ollut tutkia myös siipien ja etu- ja takalevyn kiinnityshitsejä ja antaa työkaluja siipipyörän väsymismitoitukseen. Kirjallisuuskatkauksessa löytyi muutamia raportoituja tapauksia, jossa keskipakoispuhallin on vaurioitunut käytön aikana. Yhtenäisenä tekijänä kaikille tapauksille on ollut hitsausliitoksen väsyminen. Väsyttävän kuormituksen raportoiduissa tapauksissa on aiheuttanut siipipyörän värähtely. Väsyminen on alkanut siiven kiinnitysliitoksista hitsin rajaviivalta, siipipyörän ulkokehältä. Siipipyörän analysointiin on käytetty analyyttisiä laskentakaavoja ja elementtimenetelmää. Analyyttisten laskentakaavojen tuottaminen on muuten monimutkaiselle rakenteelle hyvin työlästä ja aikaa vievää. Staattisessa tarkastelussa elementtimenetelmällä siipipyörän mallintamiseen on käytetty keskipintamallia. Lisäksi laskentatiedostojen kokoa on pystytty rajaamaan syklisesti symmetrisen rakenteen ansiosta. Siipipyörän väsymistarkastelu on suoritettu tehollisen lovijännityksen menetelmällä, jossa tarkasteltavan hitsin rajaviivoille ja juureen on elementtimenetelmässä mallinnettu r=1 mm suuruinen lovi, josta jännityksen on luettu. Elementtimenetelmässä laskentaohjelmistona on käytetty Abaqus 6.14.1 -laskentaohjelmistoa. Analyyttisten laskentakaavojen kehityksessä on päästy hyvin lähelle elementtimenetelmästä saatuja vastaavia tuloksia. Analyyttisten kaavojen antamat tulokset eroavat kuitenkin sen verran virhettä, että varsinainen tarkka laskenta on syytä suorittaa ennen lopullisen konstruktion määrittämistä. Tehollisella lovijännitysmenetelmällä on saatu määritettyä rakenteen kriittisin kohta, jonka kestoikä on 36 400 sykliä. Tutkimuksen pohjalta Koja Oy on saanut hyvät edellytykset jatkaa tutkimusta lopun tuoteperheen parantamiseen.