Evoluutioyhtälöpohjainen hitsatun rakenteen väsymisanalyysi

Abstract

Materiaalin väsyminen on yksi vaihtuvasti kuormitettujen rakenteiden yleisimmistä vauriomuodoista, joka saattaa pahimmillaan johtaa rakenteen tai koneenosan täydelliseen murtumiseen. Tässä työssä tarkastellaan evoluutioyhtälöihin perustuvaa väsymismallia, joka tarjoaa yhdenmukaisen menetelmän materiaalin mielivaltaisten jännityshistorioiden käsittelyyn väsymisen kannalta yhtenevällä tavalla. Evoluutioyhtälöihin perustuvan väsymismallin soveltuvuutta hitsattujen rakenteiden väsymisanalyysiin tarkastellaan hyödyntäen hitsien jännitystilan määritykseen yleisesti käytössä olevia rakenteellisen jännityksen sekä tehollisen lovijännityksen menetelmiä.

Työ koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa esitetään sovelletun väsymismallin teoria sekä menettelytapa hitseihin kohdistuvien jännitysten huomioimiseen. Väsymismallin soveltamiseksi esitetään kaksivaiheinen prosessi, jonka ensimmäisessä vaiheessa hyödynnetään rakenteellisen jännityksen menetelmän mukaista laskentamallia rakenteen globaalin väsymisvaurioitumisen tarkasteluun. Toisessa vaiheessa kriittisten hitsien väsyminen tutkitaan soveltamalla tehollisen lovijännityksen menetelmän mukaista hitsigeometriaa lokaalin väsymisen analysointiin. Hitsien lokaalin väsymisen tarkasteluun esitetään elementtimenetelmän yhteydessä hyödynnettävän alimallinnusta laskentamallin koon pienentämiseksi. Toisessa osiossa esitettyä kaksivaiheista väsymisanalyysiprosessia pyritään soveltamaan Avant 700-sarjan pienkuormaajan teleskooppipuomiin tehtyjen muutosten tarkasteluun. Menetelmän soveltamiseksi väsymismallin materiaaliparametrit määritetään perustuen perusmateriaalin ja hitsien väsymisluokkiin (FAT).

Työn soveltavassa vaiheessa todettiin evoluutioyhtälöihin perustuvan väsymismallin soveltamiseksi vaadittavan suhteellisen paljon laskentatehoa analyysin suorittamiseksi hyväksyttävässä laskenta-ajassa. Tarkastellun teleskooppipuomin väsymistarkastelu jäi hitsien lokaalin, tehollisen lovijännityksen menetelmällä suoritettavan, analyysin osalta kesken, koska käytettävissä olleet laskentaresurssit eivät riittäneet hitsien lokaalien laskentamallien ratkaisuun käytettävissä olleen aikataulun puitteissa. Hitsien lokaalin väsymisanalyysin osalta työ jäi tavoitteistaan ja väsymismallin soveltuvuuden tarkastelua on syytä jatkaa ennen käyttöönottoa moniaksiaalisesti kuormitettujen hitsien väsymismitoitukseen. Rakenteen globaalin väsymisen tarkasteluun hyödynnetyn laskentamallin avulla tarkastellun rakenteen väsymiskestossa kuitenkin havaittiin puomiin tehtyjen muutosten perusteella selvä parannus, jonka perusteella voidaan päätellä puomiin tehtyjen muutosten olleen ilmeisen onnistuneita väsymiskeston parantumisen kannalta. Saaduista tuloksista ei kuitenkaan voi tehdä yleistyksiä evoluutioyhtälöihin perustuvan väsymismallin soveltuvuudesta yleisesti hitsattujen rakenteiden väsymismitoitukseen.

Material fatigue is one of the most common failure modes of structures subjected to varying loads, which can lead in the most serious cases to total breakdown of structure or machine component. This thesis deals with evolution equation based fatigue model, which introduces a coherent method for handling arbitrary load histories in a similar manner. Feasibility of the evolution equation based fatigue model for the fatigue analysis of welded structures is studied by making use of generally known structural stress and effective notch stress methods.

This thesis consists two parts. First part introduces theory of an applied fatigue model and procedure for taking into account stresses which effect on weld seams. A two-stage process is presented for applying the considered fatigue model. The first stage makes the use of analysis model created with respect to limitations set by structural stress method, for taking into account the global fatigue damage evolution of a structure under consideration. At the second stage, a local fatigue damage evolution of critical welds is studied by applying the idealized weld geometry presented in context of effective notch method. When using finite element method for structural analysis, a submodeling technique is proposed to be utilized in order to reduce size of particular analysis model. In second part of this thesis, presented two-stage fatigue analysis procedure is applied to telescopic boom of an Avant 700-series compact loader for analyzing effects of changes made to structure. In order to use the fatigue model, material parameters of the model are determined based on fatigue classes (FAT) for base material and for the welds.

In applied part of this thesis, it was noted that applying the evolution equation based fatigue model requires relatively high computational power in order to solve structural model in reasonable time. Fatigue analysis of the telescopic boom studied in this work was therefore not completed with regard to local analysis of the welds using effective notch method, because available computational power was not enough to solve local stress distribution of the welds within the framework of schedule. For this reason objective of this thesis was not fulfilled with respect to local fatigue analysis of welds and applicability of the studied fatigue model for analyzing welds subjected to multiaxial stress history should be continued before introducing method for sizing welds against fatigue failures. However, results of global fatigue analysis of the structure shows a clear improvement in fatigue life of the telescopic boom after changes made, which leads to conclusion that changes were apparently successful with respect to improvement in fatigue life. The results cannot be though generalized for deducing applicability of evolution based fatigue model for sizing welded structures against fatigue failures.