Elementtitiheyden ja -muodon vaikutus rakenteellisen jännityksen laskentatarkkuuteen paksuuden yli linearisoinnissa

Abstract

Rakenteellisen jännityksen laskentaan käytetään muun muassa paksuuden yli linearisointi -menetelmää. Ohjeistuksessa ei anneta lukuarvoa riittävälle elementtiverkon tiheydelle, mikä jää suunnittelijan valittavaksi. Ohjeen tarkentamiseksi, tällä työllä selvitetään elementtien lukumäärän ja sivusuhteen vaikutus rakenteellisen jännityksen laskentatarkkuuteen paksuuden yli linearisoinnissa ja esitetään lukuarvo riittävälle elementtien lukumäärälle.

Työssä esitellään kaksi tapaa laskea rakenteellinen jännitys FE-mallista luetuista jännityksistä: pintaa pitkin ekstrapolointi ja paksuuden yli linearisointi -menetelmät. Lisäksi työssä mallinnetaan kulmavirheinen, päistään vetokuormitettu, hitsattu T-liitos, minkä geometrialle tehdään 15 verkotusvariaatiota. Malleista luetaan kokonaisjännitykset hitsin rajaviivalta paksuuden yli, mistä analyyttisesti laskettuja rakenteellisen jännityksen arvoja vertaillaan keskenään. Laskentatarkkuuden ei oleteta paranevan, kun rakenteellisen jännityksen arvot jäivät yhden prosentin päähän tiheimmästä neliömäisestä elementtiverkkovariaatiosta.

Paksuuden yli linearisointi antoi korkealla elementtien sivusuhteella suurempia rakenteellisia jännityksiä ja matalilla elementeillä pienempiä rakenteellisia jännityksiä kuin neliömäisillä elementeillä verkotetut geometriat. Tarkastellulle T-liitokselle riittävä elementtiverkko koostuu hitsin rajaviivalla paksuuden yli neljästä elementistä, joiden sivusuhde on 1:1.

One method of calculating structural stress is by using through thickness linearization -method. Designer guides do not present numerical value for ‘good enough’ element density which is left for designer to choose. To specify the guide, this paper focuses on finding how much the element density and the element side relationship affects the accuracy of the structural stress calculation and presents a numerical value for the ‘good enough’ element density.

This paper presents two methods for calculating structural stress from FE-models: surface extrapolation and through thickness linearization. For numerical data, a welded T-join with a misalignment is modeled and the geometry is meshed with 15 mesh variations from which the stress values are red through thickness at the weld toe. Analytic calculations methods given in the designer’s guide are utilized and the obtained values are compared with each other. The calculation accuracy is considered to not improve when the structural stress values are within one percent of the densest square shape mesh variation’s values.

Through thickness linearization -method with tall-element mesh gave higher stress values than square-element mesh. Also, wide-element mesh gave lower stress values than square-element mesh. The paper argues that four elements with side ratio of 1:1 fulfils the requirement of the ‘good enough’ element density for the studied T-joint.