2D-tasotapauksen soveltaminen 3D-geometriaan tehollisen lovijännityksen menetelmällä
Punkkinen, Lassi (2019)
Kandidaatintyö
Punkkinen, Lassi
2019
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019050714643
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019050714643
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä tutkittiin laskentamenetelmää, jolla voitaisiin laskea 3D-geometrian tehollinen lovijännitys kuormaa kantamattomassa liitoksessa. Tässä menetelmässä 2D ENS-mallista määritettiin lovijännityskertoimet kuormituksille, joilla sitten kerrottiin 3D Hot Spot-mallista määritetyt vastaavat rakenteelliset kalvo- ja taivutusjännityskomponentit. Työn taustalla oli laskennan helpottaminen ja nopeuttaminen. Tutkimus suoritettiin käyttäen pelkästään äärellisten elementtien menetelmää. Liitosta tutkittiin varioiden a-mittaa, hitsin tunkeumaa sekä kuormitustyyppiä. Samoilla malleilla tutkittiin myös, voidaanko 3D ENS-mallia hyödyntää rakenteellisten jännitysten määrittämiseen.
Saatuja tuloksia verrattiin 3D ENS-malleista määritettyihin tehollisiin lovijännityksiin. Suhdeluku σENS(2D ENS&3D HS) / σENS(3D ENS) vaihteli välillä 0,91-1,12. 2D-tasotapausta hyödyntäen lasketetut teholliset lovijännitykset olivat pääosin pienempiä kuin suoraan määritetyt muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. Menetelmä antoi melko tarkasti suuntaa antavia tuloksia, mutta tulokset eivät olleet täysin luotettavia, sillä ne eivät olleet täysin johdonmukaisia. 3D ENS-mallista määritetyt rakenteelliset jännitykset puolestaan vastasivat tarkasti 3D HS-mallista määritettyjä. Kuitenkin ENS-mallista lasketut jännityskomponentit olivat hieman pienempiä, sillä hitsin rajaviivapyöristyksestä johtuen jännitykset luettiin kauempaa hitsin rajaviivalta. Jännityskomponenttien laskennassa havaittiin lisäksi uusi ilmiö, kuinka taivutuskuormitus aiheuttaa levyyn kalvojännityskeskittymää. Objective of this bachelor’s thesis was to study an analysis method for calculating the effective notch stress for a 3D geometry in non-load carrying joint. In this method, 2D ENS model is used to obtain notch stress factors for different loading types which were multiplied with the corresponding structural stress components obtained from the 3D Hot Spot model. The reason behind the study was to make the calculation of fatigue life easier and faster. The results were obtained only using finite element method. One type of joint was studied varying the weld throat thickness, weld penetration and loading type. Same models could also be utilized in studying if it is possible to obtain structural stress components from 3D ENS model.
Calculated effective notch stresses were compared with the results obtained directly from the 3D ENS-models. The ratio σENS(2D ENS&3D HS) / σENS(3D ENS) varied in the range of 0,91-1,12. Notch stresses obtained with the application of 2D case were mostly lower than with direct method but with few exceptions. The studied method gave approximate results, but they were not fully reliable since all results were not consistent. Structural stress components obtained from the 3D ENS model were nearly equal to the components obtained from the 3D Hot Spot model. However, components calculated from ENS-model were slightly lower because stresses were read further away from weld toe due to the modelled weld toe fillet. A new phenomenon was also discovered indicating that bending loading causes membrane stress concentrations in the base plate.
Saatuja tuloksia verrattiin 3D ENS-malleista määritettyihin tehollisiin lovijännityksiin. Suhdeluku σENS(2D ENS&3D HS) / σENS(3D ENS) vaihteli välillä 0,91-1,12. 2D-tasotapausta hyödyntäen lasketetut teholliset lovijännitykset olivat pääosin pienempiä kuin suoraan määritetyt muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. Menetelmä antoi melko tarkasti suuntaa antavia tuloksia, mutta tulokset eivät olleet täysin luotettavia, sillä ne eivät olleet täysin johdonmukaisia. 3D ENS-mallista määritetyt rakenteelliset jännitykset puolestaan vastasivat tarkasti 3D HS-mallista määritettyjä. Kuitenkin ENS-mallista lasketut jännityskomponentit olivat hieman pienempiä, sillä hitsin rajaviivapyöristyksestä johtuen jännitykset luettiin kauempaa hitsin rajaviivalta. Jännityskomponenttien laskennassa havaittiin lisäksi uusi ilmiö, kuinka taivutuskuormitus aiheuttaa levyyn kalvojännityskeskittymää.
Calculated effective notch stresses were compared with the results obtained directly from the 3D ENS-models. The ratio σENS(2D ENS&3D HS) / σENS(3D ENS) varied in the range of 0,91-1,12. Notch stresses obtained with the application of 2D case were mostly lower than with direct method but with few exceptions. The studied method gave approximate results, but they were not fully reliable since all results were not consistent. Structural stress components obtained from the 3D ENS model were nearly equal to the components obtained from the 3D Hot Spot model. However, components calculated from ENS-model were slightly lower because stresses were read further away from weld toe due to the modelled weld toe fillet. A new phenomenon was also discovered indicating that bending loading causes membrane stress concentrations in the base plate.