Effect of loading type on the fatigue strength of symmetric and asymmetric welded joints made of ultra high strength steel
Ahola, Antti (2016)
Diplomityö
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201603188783
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201603188783
Tiivistelmä
In this study, finite element analyses and experimental tests are carried out in order to investigate the effect of loading type and symmetry on the fatigue strength of three different non-load carrying welded joints. The current codes and recommendations do not give explicit instructions how to consider degree of bending in loading and the effect of symmetry in the fatigue assessment of welded joints.
The fatigue assessment is done by using effective notch stress method and linear elastic fracture mechanics. Transverse attachment and cover plate joints are analyzed by using 2D plane strain element models in FEMAP/NxNastran and Franc2D software and longitudinal gusset case is analyzed by using solid element models in Abaqus and Abaqus/XFEM software. By means of the evaluated effective notch stress range and stress intensity factor range, the nominal fatigue strength is assessed. Experimental tests consist of the fatigue tests of transverse attachment joints with total amount of 12 specimens. In the tests, the effect of both loading type and symmetry on the fatigue strength is studied.
Finite element analyses showed that the fatigue strength of asymmetric joint is higher in tensile loading and the fatigue strength of symmetric joint is higher in bending loading in terms of nominal and hot spot stress methods. Linear elastic fracture mechanics indicated that bending reduces stress intensity factors when the crack size is relatively large since the normal stress decreases at the crack tip due to the stress gradient. Under tensile loading, experimental tests corresponded with finite element analyzes. Still, the fatigue tested joints subjected to bending showed the bending increased the fatigue strength of non-load carrying welded joints and the fatigue test results did not fully agree with the fatigue assessment. According to the results, it can be concluded that in tensile loading, the symmetry of joint distinctly affects on the fatigue strength. The fatigue life assessment of bending loaded joints is challenging since it depends on whether the crack initiation or propagation is predominant. Tässä työssä tutkitaan FE-analyysien ja kokeellisten tutkimusten avulla kuormitustyypin ja liitoksen symmetrisyyden vaikutusta kuormaa kantamattomien hitsattujen liitosten väsymisominaisuuksiin. Nykyiset ohjeistukset ja standardit eivät anna selkeitä ohjeita siitä, kuinka taivutuksen osuus kuormituksessa ja liitoksen symmetrisyys otetaan huomioon hitsattujen liitosten väsymismitoituksessa.
Väsymisanalyyseissä käytetään tehollisen lovijännityksen menetelmää sekä lineaarielastista murtumismekaniikkaa. Poikittainen ripaliitos ja päällekkäisliitos, analysoidaan käyttämällä 2D tasovenymäelementtimalleja FEMAP/NxNastran- ja Franc2d-ohjelmilla, ja pitkittäiset ripaliitoksen tapaus analysoidaan käyttämällä solidimalleja Abaqus- ja Abaqus/XFEM-ohjelmilla. Määritettyjen tehollisen lovijännitysvaihtelun ja jännitysintesiteettikertoimen vaihtelun avulla lasketaan liitoksen nimellinen väsymislujuus. Kokeellinen osuus koostuu 12:sta kuormaa kantamattoman liitoksen väsytyskokeesta. Testeillä tutkitaan sekä kuormitustyypin että liitoksen symmetrisyyden vaikutusta väsymislujuuteen.
FE-analyysit osoittivat, että epäsymmetrisen liitoksen väsymislujuus on parempi vetokuormituksessa ja symmetrisen liitoksen väsymislujuus taivutuskuormituksessa, kun väsymislujuutta tarkastellaan nimellisen ja rakenteellisen jännityksen menetelmillä. Lineaarielastinen murtumismekaniikka viittasi siihen, että taivutus pienentää jännitysintesiteettikertoimen arvoja, kun särö on suhteellisen suuri, sillä normaalijännitys pienenee särön kärjessä jännitysgradientin takia. Vetokuormituksessa, väsytyskokeiden tulokset olivat yhteneväiset FE-analyysien kanssa. Kuitenkin taivutusväsytyskokeissa havaittiin, että taivutuskuormitus parantaa kuormaa kantamattoman liitoksen väsymiskestävyyttä, ja väsytyskoetulokset eivät täysin olleet FE-analyysien kanssa yhteneväiset. Tulosten perusteella voidaan tehdä johtopäätös, että symmetrisyydellä on selvä vaikutus väsymiskestävyyteen vetokuormituksessa. Väsymiskestävyyden arviointi taivutuskuormituksessa on haastavaa, sillä se määräytyy siitä, onko särön ydintyminen vai kasvaminen määräävää.
The fatigue assessment is done by using effective notch stress method and linear elastic fracture mechanics. Transverse attachment and cover plate joints are analyzed by using 2D plane strain element models in FEMAP/NxNastran and Franc2D software and longitudinal gusset case is analyzed by using solid element models in Abaqus and Abaqus/XFEM software. By means of the evaluated effective notch stress range and stress intensity factor range, the nominal fatigue strength is assessed. Experimental tests consist of the fatigue tests of transverse attachment joints with total amount of 12 specimens. In the tests, the effect of both loading type and symmetry on the fatigue strength is studied.
Finite element analyses showed that the fatigue strength of asymmetric joint is higher in tensile loading and the fatigue strength of symmetric joint is higher in bending loading in terms of nominal and hot spot stress methods. Linear elastic fracture mechanics indicated that bending reduces stress intensity factors when the crack size is relatively large since the normal stress decreases at the crack tip due to the stress gradient. Under tensile loading, experimental tests corresponded with finite element analyzes. Still, the fatigue tested joints subjected to bending showed the bending increased the fatigue strength of non-load carrying welded joints and the fatigue test results did not fully agree with the fatigue assessment. According to the results, it can be concluded that in tensile loading, the symmetry of joint distinctly affects on the fatigue strength. The fatigue life assessment of bending loaded joints is challenging since it depends on whether the crack initiation or propagation is predominant.
Väsymisanalyyseissä käytetään tehollisen lovijännityksen menetelmää sekä lineaarielastista murtumismekaniikkaa. Poikittainen ripaliitos ja päällekkäisliitos, analysoidaan käyttämällä 2D tasovenymäelementtimalleja FEMAP/NxNastran- ja Franc2d-ohjelmilla, ja pitkittäiset ripaliitoksen tapaus analysoidaan käyttämällä solidimalleja Abaqus- ja Abaqus/XFEM-ohjelmilla. Määritettyjen tehollisen lovijännitysvaihtelun ja jännitysintesiteettikertoimen vaihtelun avulla lasketaan liitoksen nimellinen väsymislujuus. Kokeellinen osuus koostuu 12:sta kuormaa kantamattoman liitoksen väsytyskokeesta. Testeillä tutkitaan sekä kuormitustyypin että liitoksen symmetrisyyden vaikutusta väsymislujuuteen.
FE-analyysit osoittivat, että epäsymmetrisen liitoksen väsymislujuus on parempi vetokuormituksessa ja symmetrisen liitoksen väsymislujuus taivutuskuormituksessa, kun väsymislujuutta tarkastellaan nimellisen ja rakenteellisen jännityksen menetelmillä. Lineaarielastinen murtumismekaniikka viittasi siihen, että taivutus pienentää jännitysintesiteettikertoimen arvoja, kun särö on suhteellisen suuri, sillä normaalijännitys pienenee särön kärjessä jännitysgradientin takia. Vetokuormituksessa, väsytyskokeiden tulokset olivat yhteneväiset FE-analyysien kanssa. Kuitenkin taivutusväsytyskokeissa havaittiin, että taivutuskuormitus parantaa kuormaa kantamattoman liitoksen väsymiskestävyyttä, ja väsytyskoetulokset eivät täysin olleet FE-analyysien kanssa yhteneväiset. Tulosten perusteella voidaan tehdä johtopäätös, että symmetrisyydellä on selvä vaikutus väsymiskestävyyteen vetokuormituksessa. Väsymiskestävyyden arviointi taivutuskuormituksessa on haastavaa, sillä se määräytyy siitä, onko särön ydintyminen vai kasvaminen määräävää.