Ultralujasta teräksestä valmistetun henkilönostimen teleskooppipuomin kehittäminen

Tässä työssä kehitettiin palo- ja pelastuskäyttöön tarkoitettuun henkilönostimeen teleskooppipuomin profiilit. Profiilien valmistusmateriaalina oli kuumavalssattu, ultraluja säänkestävä rakenneteräs. Työssä kehitettiin standardien ja ohjeiden pohjalta laskentapohja, jolla voidaan tutkia teleskooppipuomin jaksojen tukireaktioita, taivutus- ja vääntömomentteja ja leikkaus ja normaalivoimia. Laskentapohjassa voidaan varioida eri kuormitusten suuntia, teleskooppipuomin sivusuuntaista ulottumaa ja nostokulmaa. Profiilien alustavassa mitoituksessa hyödynnettiin paikallisen lommahduksen huomioon ottavia standardeja ja suunnitteluohjeita. Eri poikkileikkausten ominaisuuksia verrattiin keskenään ja profiili valittiin yhdessä kohdeyrityksen kanssa. Alustavan mitoituksen yhteydessä muodostettiin apuohjelma valitulle poikkileikkaukselle, jolla voitiin tutkia profiilin eri muuttujien vaikutusta mm. paikalliseen lommahdukseen ja jäykkyyteen. Laskentapohjaan sisällytettiin myös optimointirutiini, jolla voitiin minimoida poikkileikkauksen pinta-ala ja tätä kautta profiilin massa. Lopullinen mitoitus suoritettiin elementtimenetelmällä. Mitoituksessa tutkittiin alustavasti mitoitettujen profiilien paikallista lommahdusta lineaarisen stabiilius- ja epälineaarisen analyysin pohjalta. Profiilien jännityksiä tutkittiin tarkemmin mm. varioimalla kuormituksia ja osittelemalla elementtien normaalijännityksiä. Diplomityössä kehitetyllä ja analysoidulla teleskooppipuomilla voitiin keventää jaksojen painoja 15-30 %. Sivusuuntainen ulottuma parani samalla lähes 20 % ja nimelliskuorma kasvoi 25 %.

Development of beam and plate finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation

The focus of this dissertation is to develop finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation. The absolute nodal coordinate formulation is a nonlinear finite element formulation, which is introduced for special requirements in the field of flexible multibody dynamics. In this formulation, a special definition for the rotation of elements is employed to ensure the formulation will not suffer from singularities due to large rotations. The absolute nodal coordinate formulation can be used for analyzing the dynamics of beam, plate and shell type structures. The improvements of the formulation are mainly concentrated towards the description of transverse shear deformation. Additionally, the formulation is verified by using conventional iso-parametric solid finite element and geometrically exact beam theory. Previous claims about especially high eigenfrequencies are studied by introducing beam elements based on the absolute nodal coordinate formulation in the framework of the large rotation vector approach. Additionally, the same high eigenfrequency problem is studied by using constraints for transverse deformation. It was determined that the improvements for shear deformation in the transverse direction lead to clear improvements in computational efficiency. This was especially true when comparative stress must be defined, for example when using elasto-plastic material. Furthermore, the developed plate element can be used to avoid certain numerical problems, such as shear and curvature lockings. In addition, it was shown that when compared to conventional solid elements, or elements based on nonlinear beam theory, elements based on the absolute nodal coordinate formulation do not lead to an especially stiff system for the equations of motion.

Concentrated Winding Multiphase Permanent Magnet Machine Design and Electromagnetic Properties – Case Axial Flux Machine

Concentrated winding permanent magnet machines and their electromagnetic properties are studied in this doctoral thesis. The thesis includes a number of main tasks related to the application of permanent magnets in concentrated winding open slot machines. Suitable analytical methods are required for the first design calculations of a new machine. Concentrated winding machines differ from conventional integral slot winding machines in such a way that adapted analytical calculation methods are needed. A simple analytical model for calculating the concentrated winding axial flux machines is provided. The next three main design tasks are discussed in more detail in the thesis. The magnetic length of the rotor surface magnet machines is studied, and it is shown that the traditional methods have to be modified also in this respect. An important topic in this study has been to evaluate and minimize the rotor permanent magnet Joule losses by using segmented magnets in the calculations and experiments. Determination of the magnetizing and leakage inductances for a concentrated winding machine and the torque production capability of concentrated winding machines with different pole pair numbers are studied, and the results are compared with the corresponding properties of integral slot winding machines. The thesis introduces a new practical permanent magnet motor type for industrial use. The special features of the machine are based on the option of using concentrated winding open slot constructions of permanent magnet synchronous machines in the normal speed ranges of industrial motors, for instance up to 3000 min-1, without excessive rotor losses. By applying the analytical equations and methods introduced in the thesis, a 37 kW 2400 min-1 12-slot 10-pole axial flux machine with rotor-surfacemounted magnets is designed. The performance of the designed motor is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Kokeellisen moodianalyysin jälkikäsittely ominaismuotojen visuaaliseksi tarkastelemiseksi

Kokeellinen moodianalyysi on kokeellinen menetelmä, jolla voidaan selvittää rakenteille ominaista värähtelyä. Työssä oli kolme tavoitetta, jotka pyrittiin saavuttamaan. Ensimmäinen tavoite oli ohjeistuksen luominen rakenteiden ominaismuotojen visuaaliseksi tarkastelemiseksi Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla käytettävissä olevilla laitteistoilla ja ohjelmilla. Ohjeistuksen perustana on ajatus siitä, että kokeellinen moodianalyysi saataisiin tehokkaampaan käyttöön koneensuunnittelun opetuksessa. Ohjeistus tehtiin pääasiassa kuvien ja kuvia tukevien selitysten avulla. Työn toisena tavoitteena oli verrata rakenteen ominaisvärähtelyä, kun se oli tuettu vapaasti ja kun se oli tuettu kiinteästi sen luonnolliseen ympäristöön. Taajuuksia verrattaessa huomattiin, että eri tavoin tuetut rakenteet käyttäytyvät eri tavalla, mikä on otettava huomioon, kun tutkitaan kriittisiä värähtelyjä. Ominaisvärähtelyjä voidaan selvittää myös matemaattisesti esimerkiksi äärellisten elementtien menetelmällä. Työn kolmantena tavoitteena oli verrata elementtimenetelmällä ja kokeellisesti saatuja ominaisvärähtelyn arvoja. Elementtimallia pyrittiin tarkentamaan eri parametrejä muuttamalla niin, että ominaistaajuuksien arvot vastaavat mahdollisimman hyvin toisiaan. Tavoite saavutettiin.

Insulation System in an Integrated Motor Compressor

A high-speed and high-voltage solid-rotor induction machine provides beneficial features for natural gas compressor technology. The mechanical robustness of the machine enables its use in an integrated motor-compressor. The technology uses a centrifugal compressor, which is mounted on the same shaft with the high-speed electrical machine driving it. No gearbox is needed as the speed is determined by the frequency converter. The cooling is provided by the process gas, which flows through the motor and is capable of transferring the heat away from the motor. The technology has been used in the compressors in the natural gas supply chain in the central Europe. New areas of application include natural gas compressors working at the wellheads of the subsea gas reservoir. A key challenge for the design of such a motor is the resistance of the stator insulation to the raw natural gas from the well. The gas contains water and heavy hydrocarbon compounds and it is far harsher than the sales gas in the natural gas supply network. The objective of this doctoral thesis is to discuss the resistance of the insulation to the raw natural gas and the phenomena degrading the insulation. The presence of partial discharges is analyzed in this doctoral dissertation. The breakdown voltage of the gas is measured as a function of pressure and gap distance. The partial discharge activity is measured on small samples representing the windings of the machine. The electrical field behavior is also modeled by finite element methods. Based on the measurements it has been concluded that the discharges are expected to disappear at gas pressures above 4 – 5 bar. The disappearance of discharges is caused by the breakdown strength of the gas, which increases as the pressure increases. Based on the finite element analysis, the physical length of a discharge seen in the PD measurements at atmospheric pressure was approximated to be 40 – 120 m. The chemical aging of the insulation when exposed to raw natural gas is discussed based on a vast set of experimental tests with the gas mixture representing the real gas mixture at the wellhead. The mixture was created by mixing dry hydrocarbon gas, heavy hydrocarbon compounds, monoethylene glycol, and water. The mixture was chosen to be more aggressive by increasing the amount of liquid substances. Furthermore, the temperature and pressure were increased, which resulted in accelerated test conditions. The time required to detect severe degradation was thus decreased. The test program included a comparison of materials, an analysis of the e ects of di erent compounds in the gas mixture, namely water and heavy hydrocarbons, on the aging, an analysis of the e ects of temperature and exposure duration, and also an analysis on the e ect of sudden pressure changes on the degradation of the insulating materials. It was found in the tests that an insulation consisting of mica, glass, and epoxy resin can tolerate the raw natural gas, but it experiences some degradation. The key material in the composite insulation is the resin, which largely defines the performance of the insulation system. The degradation of the insulation is mostly determined by the amount of gas mixture di used into it. The di usion was seen to follow Fick’s second law, but the coe cients were not accurately defined. The di usion was not sensitive to temperature, but it was dependent upon the thermodynamic state of the gas mixture, in other words, the amounts of liquid components in the gas. The weight increase observed was mostly related to heavy hydrocarbon compounds, which act as plasticizers in the epoxy resin. The di usion of these compounds is determined by the crosslink density of the resin. Water causes slight changes in the chemical structure, but these changes do not significantly contribute to the aging phenomena. Sudden changes in pressure can lead to severe damages in the insulation, because the motion of the di used gas is able to create internal cracks in the insulation. Therefore, the di usion only reduces the mechanical strength of the insulation, but the ultimate breakdown can potentially be caused by a sudden drop in the pressure of the process gas.

Vaativien kanavien vaatimusten mukainen mitoitus kattilalaitoksessa

Työssä tutkitaan kattilalaitosten vaativien, ulkoista kuormaa kantavien savukaasu- ja palamisilmakanavien rakennemitoitusta. Teoriaosuudessa esitetään vaativien kanavien mitoituksessa tarvittava levy- ja palkkilujuusoppi. Kantavien rakenteiden Eurokoodi-standardien soveltuvuutta kanavien mitoitukseen on tutkittu elementtimenetelmän avulla. Tutkittuja menetelmiä sovelletaan case-rakenteen mitoituksessa.

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden hallinta alumiiniveneiden rakenteissa

Alumiiniveneissä hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat usein erittäin haitallisia, koska niiden aiheuttamat mittamuutokset ja ulkonäölliset haitat alentavat tuotteen laatua sekä arvoa. Monissa tapauksissa myös hitsausliitoksen suorituskyky heikentyy ja lisäksi hitsausmuodonmuutokset voivat aiheuttaa toiminnallisia ongelmia alumiiniveneiden runkorakenteisiin. Tästä johtuen hitsausmuodonmuutosten hallinta ja minimointi ovat erityisen tärkeitä tekijöitä pyrittäessä parantamaan alumiiniveneiden laatua ja kustannustehokkuutta sekä kasvattamaan alumiinivenealan kilpailukykyä. Tässä diplomityössä tutkittiin robotisoidun kaasukaarihitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä niiden hallintaa alumiinista valmistettujen työ- ja huviveneiden runkorakenteissa. Työssä perehdyttiin nykyaikaiseen alumiinivenevalmistukseen sekä hitsattujen rakenteiden yleisiin lujuusopin teorioihin ja käyttäytymismalleihin. Alumiinin hitsausmuodonmuutosten tutkimuksissa suoritettiin käytännön hitsauskokeita, joiden kohteina olivat alumiiniveneissä käytetyt rakenneratkaisut ja liitostyypit. Työn tavoitteena oli määrittää alumiinin hitsauksessa syntyviin muodonmuutoksiin keskeisesti vaikuttavia tekijöitä ja parametreja. Tutkimustulosten perusteella pyrittiin esittämään ratkaisuja alumiiniveneiden rakenteisiin aiheutuvien hitsausmuodonmuutosten vähentämiseksi ja hallitsemiseksi. Alumiinirakenteissa hitsausmuodonmuutokset ovat hyvin tapauskohtaisia, koska usein niiden syntyminen määräytyy monen tekijän yhteisvaikutuksesta. Teräsrakenteille käytetyt yleiset analyyttiset laskentakaavat ja käyttäytymismallit eivät sovellu suoraan alumiinirakenteille, mikä johtuu alumiinin erilaisista materiaaliominaisuuksista ja käyttäytymisestä hitsauksen aikana. Tulevaisuudessa empiiristen koejärjestelyiden ja analyyttisten mallien lisäksi sovellettavan numeerisen elementtimenetelmän avulla voidaan parantaa alumiinin hitsauksessa aiheutuvien muodonmuutosten kokonaisvaltaista hallintaa.

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.

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.

Pienahitsin sijainnin vaikutus kuormaa kantamattoman T-liitoksen väsymiskestävyyteen

Hitsatuissa rakenteissa on paljon hitsien aiheuttamia epäjatkuvuuskohtia, jotka ovat alttiita vaurioitumaan väsyttävän kuormituksen alaisina. Standardit ja normit auttavat suunnittelua rakenneyksityiskohtien analysoinnissa, mutta ohjeiden arvot vaihtelevat paljon. Onkin tär-keää päättää, mitä standardia tai normia käytetään ja saada tutkimustuloksia tukemaan ohjeen käyttöä. Tämä työ on tehty Konecranes Finland Oy:lle. Työn tarkoituksena on etsiä käytössä olevi-en ohjeiden joukosta suunnittelun kannalta parhaiten todellista rakennetta kuvaava. Työssä esitellään käytössä olevia standardeja ja normeja sekä vertaillaan niiden välisiä eroja rakenneyksityiskohdan väsymiskestävyyden määrittämisessä. Työssä tarkastellaan myös hitsatun rakenteen väsymiseen vaikuttavia tekijöitä sekä väsymisanalyysissä käytet-täviä menetelmiä. Tutkittavaan liitokseen valittiin kolme erilaista hitsiä, yksi –ja kaksipuolinen pienahitsi sekä katkopienahitsi. Elementtimenetelmän avulla luotiin malleja koekappaleista ja laskettiin niille väsymiskestävyydet. Tämä lisäksi väsymistä tarkasteltiin väsytyskokeilla, jotka suoritti Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston Teräsrakenteiden laboratorio. Lopputuloksena työstä saatiin tietoa hitsien väsymiskestävyyksistä. Liitosten väsymiskes-tävyydet olivat hyviä ja varsinkin katkopienahitsin tulokset olivat odotettua paremmat. Kat-kopienahitsin väsymiskestävyys vaatii tämän työn tulosten perusteella lisää tutkimista.

High-speed solid-rotor induction machine – calculation program

The aim of this thesis is to utilize the technology developed at LUT and to provide an easy tool for high-speed solid-rotor induction machine preliminary design. Computer aided design tool MathCAD has been chosen as the environment for realizing the calculation program. Four versions of the design program have been made depending on the motor rotor type. The first rotor type is an axially slitted solid-rotor with steel end rings. The next one is an axially slitted solid-rotor with copper end rings. The third machine type is a solid rotor with deep, rectangular copper bars and end rings (squirrel cage). And the last one is a solid-rotor with round copper bars and end rings (squirrel cage). Each type of rotor has its own specialties but a general thread of design is common. This paper follows the structure of the calculating program and explains some features and formulas. The attention is concentrated on the difference between laminated and solid-rotor machine design principles. There is no deep analysis of the calculation ways are presented. References for all solution methods appearing during the design procedure are given for more detailed studying. This thesis pays respect to the latest innovations in solid-rotor machines theory. Rotor ends’ analytical calculation follows the latest knowledge in this field. Correction factor for adjusting the rotor impedance is implemented. The purpose of the created design program is to calculate the preliminary dimensions of the machine according to initial data. Obtained results are not recommended for exact machine development. Further more detailed design should be done in a finite element method application. Hence, this thesis is a practical tool for the prior evaluating of the high-speed machine with different solid-rotor types parameters.

Soodakattiloiden ilmakanavien hyödyntäminen jäykistävänä rakenteena

Työssä tutkittiin soodakattiloiden ilmakanavien hyödyntämistä jäykistävänä rakenteena. Työssä käsiteltiin yksittäisiä jäykistämättömiä ja jäykistettyjä levykenttiä ja niiden lommahduskestävyyttä Eurokoodi standardin mukaisesti ja elementtimenetelmän avulla. Lisäksi käsiteltiin lommahduksen teoriaa ja levykenttien käyttäytymistä yleisellä tasolla erilaisilla kuormituksilla ja reunaehdoilla. Työn tavoitteena oli selvittää kuinka lommahdus tutkitaan Eurokoodin mukaisesti ja elementtimenetelmää hyödyntäen, kun levykentän kuormituksena on poikittainen kuormitus tason suuntaisen kuormituksen lisäksi. Työssä tutkittiin kahden eri elementtimenetelmään pohjautuvan ratkaisuvaihtoehdon käyttöä lommahduslaskennassa. Työssä kehitettiin Eurokoodin sovellettu yhteisvaikutuskaavan käyttö lineaarisen ominaisarvotehtävän ratkaisun lisänä, jossa otetaan huomioon painekuorman vaikutus levykentän lommahduksessa. Kehitettyä menetelmää sovellettiin ilmakanavan esimerkkirakenteen mitoituksessa.

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.