The effects of repair welding on vehicle frame rails

Abstract

This Bachelor’s thesis evaluates the degradation of strength properties in a vehicle frame rail because of repair welding. The thesis aims to determine if the welded structure is strong enough to be safe in case that the vehicle experiences another accident. Research is limited to stress spikes that the welds geometry causes as evaluating the degradation of material properties around the weld would require broader research and real-world tests.

To conduct the research a 3d-model of a cars frame rail is created. FE-analysis is used to analyse the stress distribution in the structure. A static loading scenario that simulates a crash is calculated and the resulting stresses are analysed. The fatigue properties are evaluated using the hot spot -method for which its own loading scenario is created.

Based on the FE-analysis the repair welded structure is strong enough to be safe as the frame rail would fail first from the location of the subframe mount rather than the weld. Welding degrades the fatigue properties of the rail. However, vehicles used in normal driving only experience minor fatigue causing loads as the parts in the front-end sway in the imperfections of the road. Therefore, it does not cause issues.

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan korjaushitsaamisen aiheuttamaa lujuusominaisuuksien heikkenemistä kolariauton eturunkopalkissa. Tutkimuksen avulla pyritään selvittämään, onko hitsattu rakenne riittävän luja ollakseen turvallinen kolaritilanteessa. Tutkimuksessa keskitytään hitsisauman geometrian aiheuttamiin jännityspiikkeihin, sillä materiaaliominaisuuksien muutoksen tarkastelu vaatisi huomattavasti laajempaa tutkimusta.

Tutkimusta varten luodaan 3D-malli auton eturunkopalkista. Hitsatussa mallissa hitsisaumat asetetaan eri tasoon keskenään auton valmistajan korjausoppaan mukaisesti. Rakenteen tutkimiseksi käytetään FE-analyysiä. Hitsatulle rakenteelle lasketaan staattinen kuormitustapaus, jolla simuloidaan törmäystilannetta, ja tutkitaan hitsin aiheuttamia jännityskonsentraatioita. Hitsatun rakenteen väsymiskestoikää arvioitiin hot spot - menetelmää hyödyntäen.

Rakenteen staattinen lujuus osoittautui riittäväksi kolaritilannetta varten, sillä FE-analyysin perusteella rakenne pettää apurungon kiinnityskohdasta ennen hitsisaumaa. Väsymiskestävyys huononee hitsaamisen johdosta, mutta normaalissa tieliikenteessä käytettävissä autoissa runkopalkkeihin kohdistuvat väsyttävät voimat koostuvat lähinnä keulan osien edestakaisesta liikkeestä tien epätasaisuuksissa, eikä rakenteeseen täten juuri väsyttäviä kuormia kohdistu.