Artic X54-tyypin raitiovaunun korirakenteen väsymiskestävyyden arviointi murtumismekaniikan avulla

Abstract

Tässä työssä tutkitaan Helsingin kaupungin liikenneliikelaitoksen tilaamien ja Skoda-Transtechin valmistamien Artic X54 -tyypin raitiovaunun korirakenteen kestoikää murtumismekaniikan avulla. Työn tavoitteena on selvittää valitun rakenneyksityiskohdan hitsiliitoksen kestoikä käyttämällä Franc2D-ohjelmaa ja painofunktio menetelmää. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin korin rakenteesta alimalli, johon mallinnettiin särö. Särön virtuaalisen kasvattamisen kautta saatiin ekvivalentti jännitysintensiteettikerroin eri särön pituuksille. Työssä mallinnettiin rakenteeseen aluksi hyvin pieni, rakennevirhettä kuvaava alkusärö, jonka pituus oli 0,05 millimetriä. Ensimmäisessä vaiheessa tämä särö kasvatettiin pituuteen, jossa saavutettiin särön kasvun kannalta kriittinen jännitysintensiteettikerroin. Toisessa vaiheessa säröä kasvatettiin niin pitkälle, että voitiin arvioida epästabiilin särönkasvun alkaneen. Särön kasvattamisen jälkeen saatujen parametrien avulla laskettiin tutkitun rakenneyksityiskohdan kestoikä. Kestoiän vertailulaskelmat tehtiin painofunktio-menetelmällä. Saatujen tulosten mukaan tutkittu rakenneyksityiskohta ei näytä olevan altis nopealle särönkasvulle. Franc2d-ohjelmalla tehdyn simulaation mukaan särön ydintyminen ja kasvaminen kriittiseksi viaksi on epätodennäköistä Artic X54-vaunutyypin suunnitellun käyttöajan aikana.

In this work, the durability of the body structure of an Artic X54 tram ordered by the City of Helsinki and manufactured by Skoda-Transtech were investigated using fracture mechanics. The aim of the work is to determine the lifetime of the welded joint of the selected structural detail using the Franc2D program and the weight function method. In this work, a sub-model of the body structure were designed and implemented. Initial crack was modeled in this sub-model. Through the virtual crack propagation, an equivalent stress intensity factor for different crack lengths was obtained. Length of the initial crack was 0.05 millimeters. In the first step, this crack was propagated to the length where the critical stress intensity factor allows the crack propagation further. In the second stage, the crack was propagated to the length whereabouts unstable crack growth might be possible. The parameters obtained after crack propagation were used to calculate fatigue life of the studied structural detail. Comparison of fatigue life calculation were performed using the weight function method. According to the results obtained, the structural detail examined does not appear to be prone to fracture. According to a simulation with Franc2d, crack growing into a critical structural failure is unlikely during the design life of the Artic X54 tram type. The results of the Franc2D program and the weight function method differed, and in addition, only one of the three different weight function method gave a comparable result. The difficulty in using the weight function could be due to the geometry of the sub model. However, the result of the franc2D program and the weight function method were in the same direction.