Voimaliitoksen väsymislujuuden parantaminen muotoilun avulla
Turunen, Jesse (2023)
Kandidaatintyö
2023
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023032833406
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023032833406
Tiivistelmä
Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli tutkia liitettävän levyn muotoilun vaikutusta kylkihitsatun voimaliitoksen väsymiskestävyyteen. Tavoitteena oli löytää FE-analyysin pohjalta liitettävälle levylle muotoilu, jolle voitaisiin muodostaa korotettu FAT-luokka.
Referenssitapauksena pidettiin EC3-standardista löytyvää suorakulmaista muotoilua, jonka FAT-luokaksi on määritetty FAT 50. Vaihtoehtoisia muotoja liitettävälle levylle oli neljä kappaletta: sisäänpäin tehty viiste, ulospäin tehty viiste, pyöristyksen tekeminen levyyn sekä sisäänpäin tehtävän viisteen ja levyn pyöristyksen yhdistelmä. Vaihtoehtoisia muotoja analysoitiin 2D-keskipintamalleilla, jonka jälkeen parhaimmaksi osoittautunutta muotoa analysoitiin vielä 3D-tilavuuselementtimalleilla.
Paras muotoiluvaihtoehto eli alhaisimmat jännityskonsentraatiopiikit saatiin muodolla, jossa yhdistyi 30° sisäänpäin tehtävä viiste ja levyn leveyden kasvattaminen pyöristyssäteellä R = 220 mm. Pienentyneiden jännityskonsentraatiopiikkien perusteella liitokselle voitiin muodostaa laskennallinen FAT-luokka, jonka arvoksi saatiin FAT 63. Korotetun FAT-luokan ansioista liitoksen laskennallinen kestoikä kasvoi noin 100 %. The purpose of this bachelor’s thesis was to examine the effect of structural design on the fatigue performance of longitudinally loaded lap joint with side fillet welds. The goal is to use FE-analysis to find a shape for connected plate which would allow for raised FAT-class.
The reference shape for connected plate was rectangular and EC3-standard states that its FAT-class is FAT 50. Four different shapes were analysed: inward bevel, outward bevel, rounding the plate and combination of inward bevel and rounding the plate. Research started with analysing 2D-midsurface models to find the best shape. After that, 3D-solid element models were created to obtain more accurate results.
The best design was obtained with shape that combined 30° inward bevel and rounding the plate with radius R = 220 mm. Due to lowered maximum values of stress concentration spikes we were able to raise FAT-class from FAT 50 into FAT 63. Calculated fatigue durability for this joint was increased by 100 % due raised FAT-class.
Referenssitapauksena pidettiin EC3-standardista löytyvää suorakulmaista muotoilua, jonka FAT-luokaksi on määritetty FAT 50. Vaihtoehtoisia muotoja liitettävälle levylle oli neljä kappaletta: sisäänpäin tehty viiste, ulospäin tehty viiste, pyöristyksen tekeminen levyyn sekä sisäänpäin tehtävän viisteen ja levyn pyöristyksen yhdistelmä. Vaihtoehtoisia muotoja analysoitiin 2D-keskipintamalleilla, jonka jälkeen parhaimmaksi osoittautunutta muotoa analysoitiin vielä 3D-tilavuuselementtimalleilla.
Paras muotoiluvaihtoehto eli alhaisimmat jännityskonsentraatiopiikit saatiin muodolla, jossa yhdistyi 30° sisäänpäin tehtävä viiste ja levyn leveyden kasvattaminen pyöristyssäteellä R = 220 mm. Pienentyneiden jännityskonsentraatiopiikkien perusteella liitokselle voitiin muodostaa laskennallinen FAT-luokka, jonka arvoksi saatiin FAT 63. Korotetun FAT-luokan ansioista liitoksen laskennallinen kestoikä kasvoi noin 100 %.
The reference shape for connected plate was rectangular and EC3-standard states that its FAT-class is FAT 50. Four different shapes were analysed: inward bevel, outward bevel, rounding the plate and combination of inward bevel and rounding the plate. Research started with analysing 2D-midsurface models to find the best shape. After that, 3D-solid element models were created to obtain more accurate results.
The best design was obtained with shape that combined 30° inward bevel and rounding the plate with radius R = 220 mm. Due to lowered maximum values of stress concentration spikes we were able to raise FAT-class from FAT 50 into FAT 63. Calculated fatigue durability for this joint was increased by 100 % due raised FAT-class.