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.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Considerations about the welding repair effects on the structural integrity of an airframe critical to the flight-safety

Structures critical to the flight-safety are commonly submitted to several maintenance repairs at the welded joints in order to prolong the in-service life of aircrafts. The aim of this study is to analyze the effects of Tungsten Inert Gas (TIG) welding repair on the structural integrity of the AISI 4130 aeronautical steel by means of experimental fatigue crack growth tests in base-material, heat-affected zone (HAZ) and weld metal. The tests were performed on hot-rolled steel plate specimens, 0.89 mm thick, with load ratio R = 0.1, constant amplitude, at 10 Hz frequency and room temperature. Increase of the fracture resistance was observed in the weld metal but decreasing in the HAZ after repair. The results were associated to microhardness and microstructural changes with the welding sequence. (C) 2010 Published by Elsevier Ltd.

Determinação da taxa de propagação de trinca por fadiga dos aços SAE-1050 e SAE-4130 empregados na fabricação de eixos ferroviários

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Polymer Matrix-Based Piezoelectric Composite for Structural Health Monitoring

Structural health monitoring (SHM) refers to the procedure of assessing the structure conditions continuously so it is an alternative to conventional nondestructive evaluation (NDE) techniques [1]. With the growing developments in sensor technology acoustic emission (AE) technology has been attracting attention in SHM applications. AE are characterized by waves produced by the sudden internal stress redistribution caused by the changes in the internal structure, such as fatigue, crack growth, corrosion, etc. Piezoelectric materials such as Lead Zirconate Titanate (PZT) ceramic have been widely used as sensor due to its high electromechanical coupling factor and piezoelectric d coefficients. Because of the poor mechanical characteristic and the lack in the formability of the ceramic, polymer matrix-based piezoelectric composites have been studied in the last decade in order to obtain better properties in comparison with a single phase material. In this study a composite film made of polyurethane (PU) and PZT ceramic particles partially recovered with polyaniline (PAni) was characterized and used as sensor for AE detection. Preliminary results indicate that the presence of a semiconductor polymer (PAni) recovering the ceramic particles, make the poling process easier and less time consuming. Also, it is possible to observe that there is a great potential to use such type of composite as sensor for structure health monitoring.

Avaliação da integridade estrutural em um tubo de aço API 5L X70 através da propagação de trincas por fadiga

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Caracterização microestrutural de junta soldada com arco submerso e análise da propagação de trincas em um tubo de aço API X 70

In this work a study of an API 5L X70 steel, which is used in the manufacture of oil and gas pipelines, has been made. This class of steel show high strength and ductility values, and has been increasingly studied due the growing demand of oil and natural gas, which in consequence, increases the needing of new pipelines to transport them. The material studied has been directly taken from a tube provided by TenarisConfab, and a special attention has been given to the fatigue crack growth rate study, which proved that a crack will grow at different rates according to the tube position where it is growing

A generalized finite element method with global-local enrichment functions for confined plasticity problems

The main feature of partition of unity methods such as the generalized or extended finite element method is their ability of utilizing a priori knowledge about the solution of a problem in the form of enrichment functions. However, analytical derivation of enrichment functions with good approximation properties is mostly limited to two-dimensional linear problems. This paper presents a procedure to numerically generate proper enrichment functions for three-dimensional problems with confined plasticity where plastic evolution is gradual. This procedure involves the solution of boundary value problems around local regions exhibiting nonlinear behavior and the enrichment of the global solution space with the local solutions through the partition of unity method framework. This approach can produce accurate nonlinear solutions with a reduced computational cost compared to standard finite element methods since computationally intensive nonlinear iterations can be performed on coarse global meshes after the creation of enrichment functions properly describing localized nonlinear behavior. Several three-dimensional nonlinear problems based on the rate-independent J (2) plasticity theory with isotropic hardening are solved using the proposed procedure to demonstrate its robustness, accuracy and computational efficiency.

Resistência à fadiga de tubo API 5L X65 cladeado e soldado circunferencialmente com eletrodos de Inconel® 625

As recentes descobertas de petróleo e gás na camada do Pré-sal representam um enorme potencial exploratório no Brasil, entretanto, os desafios tecnológicos para a exploração desses recursos minerais são imensos e, consequentemente, têm motivado o desenvolvimento de estudos voltados a métodos e materiais eficientes para suas produções. Os tubos condutores de petróleo e gás são denominados de elevadores catenários ou do inglês \"risers\", e são elementos que necessariamente são soldados e possuem fundamental importância nessa cadeia produtiva, pois transportam petróleo e gás natural do fundo do mar à plataforma, estando sujeitos a carregamentos dinâmicos (fadiga) durante sua operação. Adicionalmente, um dos problemas centrais à produção de óleo e gás das reservas do Pré-Sal está diretamente associado a meios altamente corrosivos, tais como H2S e CO2. Uma forma mais barata de proteção dos tubos é a aplicação de uma camada de um material metálico resistente à corrosão na parte interna desses tubos (clad). Assim, a união entre esses tubos para formação dos \"risers\" deve ser realizada pelo emprego de soldas circunferenciais de ligas igualmente resistentes à corrosão. Nesse contexto, como os elementos soldados são considerados possuir defeitos do tipo trinca, para a garantia de sua integridade estrutural quando submetidos a carregamentos cíclicos, é necessário o conhecimento das taxas de propagação de trinca por fadiga da solda circunferencial. Assim, neste trabalho, foram realizados ensaios de propagação de trinca por fadiga na região da solda circunferencial de Inconel® 625 realizada em tubo de aço API 5L X65 cladeado, utilizando corpos de prova do tipo SEN(B) (Single Edge Notch Bending) com relações entre espessura e largura (B/W) iguais a 0,5, 1 e 2. O propósito central deste trabalho foi de obter a curva da taxa de propagação de trinca por fadiga (da/dN) versus a variação do fator de intensidade de tensão (ΔK) para o metal de solda por meio de ensaios normatizados, utilizando diferentes técnicas de acompanhamento e medição da trinca. A monitoração de crescimento da trinca foi feita por três técnicas: variação da flexibilidade elástica (VFE), queda de potencial elétrico (QPE) e análise de imagem (Ai). Os resultados mostraram que as diferentes relações B/W utilizadas no estudo não alteraram significantemente as taxas de propagação de trinca por fadiga, respeitado que a propagação aconteceu em condições de escoamento em pequena escala na frente da trinca. Os resultados de propagação de trinca por fadiga permitiram a obtenção das regiões I e II da curva da/dN versus ΔK para o metal de solda. O valor de ΔKlim obtido para o mesmo foi em torno de 11,8 MPa.m1/2 e os valores encontrados das constantes experimentais C e m da equação de Paris-Erdogan foram respectivamente iguais a 1,55 x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m] e 4,15. A propagação de trinca no metal de solda deu-se por deformação plástica, com a formação de estrias de fadiga.

Improvement of the mechanical properties of 2124 Al/SiCp MMC plate by optimisation of the solution treatment

Static mechanical properties of 2124 Al/SiCp MMC have been measured as a function of solution temperature and time. An optimum solution treatment has been established which produces significant improvements in static mechanical properties and fatigue crack growth resistance over conventional solution treatments. Increasing the solution treatment parameters up to the optimum values improves the mechanical properties because of intermetallic dissolution, improved solute and GPB zone strengthening and increased matrix dislocation density. Increasing the solution treatment parameters beyond the optimum values results in a rapid reduction in mechanical properties due to the formation of gas porosity and surface blisters. The optimum solution treatment improves tensile properties in the transverse orientation to a greater extent than in the longitudinal orientation and this results in reduced anisotropy. © 1996 Elsevier Science Limited.

Growth of short fatigue cracks in titanium alloys

The initiation and early propagation of short fatigue cracks has been studied in detail in two alpha / beta titanium alloys as a function of microstructure. Detailed metallography is presented relating short crack growth rates to the microstructural features present. The work shows the significant differences in short crack propagation rates which can be achieved by microstructural changes within a single alloy.

Multiple random crack propagation using a boundary element formulation

This paper proposes a boundary element method (BEM) model that is used for the analysis of multiple random crack growth by considering linear elastic fracture mechanics problems and structures subjected to fatigue. The formulation presented in this paper is based on the dual boundary element method, in which singular and hyper-singular integral equations are used. This technique avoids singularities of the resulting algebraic system of equations, despite the fact that the collocation points coincide for the two opposite crack faces. In fracture mechanics analyses, the displacement correlation technique is applied to evaluate stress intensity factors. The maximum circumferential stress theory is used to evaluate the propagation angle and the effective stress intensity factor. The fatigue model uses Paris` law to predict structural life. Examples of simple and multi-fractured structures loaded until rupture are considered. These analyses demonstrate the robustness of the proposed model. In addition, the results indicate that this formulation is accurate and can model localisation and coalescence phenomena. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.