Digitaalisen valmistuksen vaikutus hitsatun rakenteen väsymiskestävyyteen
Raskinen, Antti (2015)
Diplomityö
2015
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201504172745
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201504172745
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkittiin kuinka eri tavoin rakenteen mallintaminen vaikuttaa laskettuun väsy-misikään. Työssä tutkittavana rakenteena toimi Sandvik Mining and Construction OY:n las-tauskoneen nostovarsi. Nostovarrelle väsytyskokeet suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa.
Työn tavoitteena oli tutkia miten eri digitaalinen valmistuksen tasot vaikuttavat hitsatulle rakenteelle saatuun kestoikään. Työssä tutkittiin myös miten todellista geometriaa voidaan hyödyntää rakenteen kestoiän arvioinnissa.
Väsytyskoejärjestely mallinnettiin FE-menetelmällä, ja järjestelystä tehtiin useita malleja käyttäen solidi- ja laattaelementtejä. Malleista laskettiin väsymisiät hot spot- ja tehollisen lovijännityksen menetelmällä, ja saatuja tuloksia vertailtiin toisiinsa ja väsytyskokeen tulok-siin. Väsytyskokeessa vaurioituneista kohdista tarkemman tutkimuksen kohteena oli nosto-varren palstalevyn kärki.
Hot spot-menetelmällä saadut kestoiät vaihtelivat paikoin melko paljon eri mallien välillä. Tehollisen lovijännityksen menetelmällä saaduissa tuloksissa erot olivat pienempiä mallien välillä. FE-mallin ja venymäliuskojen jännitykset poikkesivat toisistaan paikoin melko pal-jon.
Todellisen hitsatun rakenteen kestoikään vaikuttaa moni asia, ja täten FE-menetelmällä las-kettu kestoikä voi poiketa huomattavasti todellisesta kestoiästä. Varsinkin hot spot-menetel-mällä tulokset voivat poiketa hyvinkin paljon todellisuudesta, mikäli jännitystila tutkitta-vassa kohdassa on moniaksiaalinen. Todellisen geometrian mallintaminen vaatii tarkkuutta, ja alkuperäisdatan tulee olla mahdollisimman tarkkaa ja riittävän suurelta alueelta, jotta malli vastaa tarpeeksi todellista. In this thesis was studied how different modeling have effect on the calculated fatigue life-time. The studied structure was lifting arm of the loader manufactured by Sandvik Mining and Construction Ltd. The fatigue tests was performed in laboratory of steel structures in Lappeenranta University of Technology.
Objective of research was to study how does the different levels of digital manufacturing influences on fatigue lifetime of welded structure. In this thesis was also studied how actual scanned geometry can be used in fatigue analysis.
The FE-method was used to model fatigue test arrangement. FE-models were created by using plate- and solid elements. Fatigue lifetime was calculated with hot spot- and efficient notch stress approaches. The results of FE-models were compared to each other and to fa-tigue test results. The tip of the reinforcement plate was taken under more specific examina-tion.
The results of fatigue calculation varied between models on hot spot-method. The ENS-approach agreed with results in different models. Results between FE-models and strain gauges differed from each other.
The fatigue lifetime of real structure depends on many cause. Therefore calculated lifetime expectations may vary from real lifetime quite much. Especially on hot spot-method result may vary a lot if multiaxial stress state appears on examined area. Modeling of true weld geometry requires precision. The scanned data must be accurate
Työn tavoitteena oli tutkia miten eri digitaalinen valmistuksen tasot vaikuttavat hitsatulle rakenteelle saatuun kestoikään. Työssä tutkittiin myös miten todellista geometriaa voidaan hyödyntää rakenteen kestoiän arvioinnissa.
Väsytyskoejärjestely mallinnettiin FE-menetelmällä, ja järjestelystä tehtiin useita malleja käyttäen solidi- ja laattaelementtejä. Malleista laskettiin väsymisiät hot spot- ja tehollisen lovijännityksen menetelmällä, ja saatuja tuloksia vertailtiin toisiinsa ja väsytyskokeen tulok-siin. Väsytyskokeessa vaurioituneista kohdista tarkemman tutkimuksen kohteena oli nosto-varren palstalevyn kärki.
Hot spot-menetelmällä saadut kestoiät vaihtelivat paikoin melko paljon eri mallien välillä. Tehollisen lovijännityksen menetelmällä saaduissa tuloksissa erot olivat pienempiä mallien välillä. FE-mallin ja venymäliuskojen jännitykset poikkesivat toisistaan paikoin melko pal-jon.
Todellisen hitsatun rakenteen kestoikään vaikuttaa moni asia, ja täten FE-menetelmällä las-kettu kestoikä voi poiketa huomattavasti todellisesta kestoiästä. Varsinkin hot spot-menetel-mällä tulokset voivat poiketa hyvinkin paljon todellisuudesta, mikäli jännitystila tutkitta-vassa kohdassa on moniaksiaalinen. Todellisen geometrian mallintaminen vaatii tarkkuutta, ja alkuperäisdatan tulee olla mahdollisimman tarkkaa ja riittävän suurelta alueelta, jotta malli vastaa tarpeeksi todellista.
Objective of research was to study how does the different levels of digital manufacturing influences on fatigue lifetime of welded structure. In this thesis was also studied how actual scanned geometry can be used in fatigue analysis.
The FE-method was used to model fatigue test arrangement. FE-models were created by using plate- and solid elements. Fatigue lifetime was calculated with hot spot- and efficient notch stress approaches. The results of FE-models were compared to each other and to fa-tigue test results. The tip of the reinforcement plate was taken under more specific examina-tion.
The results of fatigue calculation varied between models on hot spot-method. The ENS-approach agreed with results in different models. Results between FE-models and strain gauges differed from each other.
The fatigue lifetime of real structure depends on many cause. Therefore calculated lifetime expectations may vary from real lifetime quite much. Especially on hot spot-method result may vary a lot if multiaxial stress state appears on examined area. Modeling of true weld geometry requires precision. The scanned data must be accurate