Levykentässä olevan reiän ympärille hitsatun jäykisterenkaan optimointi väsymiskestävyyden suhteen

Abstract

Tässä kandidaatin työssä tutkittiin levykentässä olevan reiän ympärille hitsatun jäykisterenkaan koon vaikutusta rakennekokonaisuuden väsymiskestävyyteen. Väsyttävän kuormituksen alaisena olevaan rakenteeseen muodostuu jännityskonsentraatioita geometristen epäjatkuvuuskohtien takia. Levykentässä olevan reiän ympärille jännityskonsentraatioita muodostuu väsymiskriittisille yksityiskohdille, joita ovat hitsin kuormitusta vastaan kohtisuora rajaviiva, levykentän reiän reuna ja kuormituksen kanssa yhdensuuntainen eli pitkittäinen hitsi. Tässä työssä tarkoituksena oli selvittää jäykisterenkaan paksuuden ja leveyden vaikutus näiden väsymiskriittisten yksityiskohtien kestävyyteen ja määrittää optimaaliset mittasuhteet jäykisterenkaalle siten, että väsymiskriittiset yksityiskohdat olisivat yhtä kestävät.

Tutkittavalle rakenteelle luotiin erikokoisia jäykisterenkaita erilaisilla mittasuhteilla. Mittasuhdematriisin mukaan väsymiskriittisten yksityiskohtien jännityskonsentraatiot selvitettiin niihin sopivien väsymismitoitusmenetelmien mukaisesti, lineaaristaattisen FE-analyysin avulla. Hitsin kuormitusta vastaan kohtisuoran rajaviivan tarkastelussa käytettiin tehollisen lovijännityksen menetelmää ja levykentän reunan sekä pitkittäisen hitsin tarkastelussa käytettiin nimellisen jännityksen menetelmää. Erikokoisten jäykisterenkaiden väsymiskestävyyttä vertailtiin laskemalla väsymiskriittisille yksityiskohdille nimelliset väsymisluokat, joita pystyttiin vertailemaan keskenään.

Työn tulosten perusteella ei pystytty määrittämään optimaalisia mittasuhteita jäykisterenkaalle, mutta jäykisterenkaan koon vaikutuksista saatiin tuloksia. Tuloksista oli selvää, että pitkittäinen hitsi ei millään mittasuhteilla tule olemaan kriittisin kohta rakenteesta ja jäykisterenkaan koon vaikutus reiän reunan väsymiseen huomattiin olevan erittäin marginaalinen. Toisaalta taas reiän valmistustavalla ja laadulla huomattiin olevan suuri vaikutus reiän reunan väsymiseen.

The objective of this bachelor’s thesis was to investigate the effects of welded stiffener ring’s size on the fatigue performance of a plate panel with a hole. When a structure is under fatigue loading stress concentrations occur around the geometric discontinuities of the structure. In the investigated structure these geometric discontinuities are the weld toe that is perpendicular to the loading, edges of the hole of the plate panel, and the welds which are parallel to the loading. The aim of this investigation was to find out the effect of the size of the stiffener ring and to optimize the dimensions of the stiffener ring in such a way that all critical points of the structure would be equally durable in terms of fatigue.

Different sizes for stiffener rings were created and gathered into a dimension matrix. This matrix was analyzed utilizing suitable fatigue assessment methods to all critical points of the structure. For the weld toe effective notch stress method was used, and nominal stress method was used for the edges of the hole and the longitudinal weld. Stress concentration factors for these were obtained using linear static FE-method. According to these concentration factors, nominal fatigue classes were calculated for all investigated stiffener sizes, and with these nominal fatigue classes, it was possible to investigate the effects of stiffener sizes to the fatigue life.

The results showed that it was not possible to create optimal dimensions for the stiffener ring with this information. In addition to this the results also showed that the longitudinal weld will never be the critical point in the structure with any sizes of a stiffeners and the effect of stiffener size on the fatigue life of the hole was found to be very marginal. However, the fabrication method of the hole was found to be very important regarding the fatigue strength of the hole.