Optimal placement and dimensional ratios of an injection molded T-branch with a perspective on structural integrity

Abstract

The T-branches in products intended for conveyance of water act as local stress raisers and create a vulnerable location for failure to initiate. Polymers can increase their share as a used material of fittings and manifolds even further due to EU regulations which aim to reduce lead content in drinking water. The mechanical properties and degradation of polymers need to be carefully considered when designing items made of polymers due to the nature of cyclic loading and varying temperature in water systems.

The main objective of this thesis was to analyse injection molded T-branch under internal pressure and seek for best ways to reduce Stress Concentration Factors (SCF) and Stress Intensity Factors (SCF) at the crotch corner of T-branch. In the experimental part, a dimensional analysis for commercial plastic manifolds was conducted together with analysis of initial defects due to manufacturing. A comprehensive set of Finite Element Analyses (FEA) was conducted to investigate the impact of different variables on SCF and SIF.

Among the studied variables, offsetting the branch from the centreline of the main cylinder was observed to have the biggest impact on the SCF at the crotch corner of T-branch. Offsetting the branch shifted the location of SCF, which can be seen beneficial when its moved further away from weld line. Uniformity in the wall thickness was conducted to be an effective way to reduce the SCF and beneficial in terms of manufacturing. Design charts were created to present effect of different variables on SCF and SIF and the most suitable analytical solutions from literature were suggested.

Vesijärjestelmissä käytettyjen tuotteiden T-haarat toimivat paikallisina jännityksiä lisäävinä tekijöinä. Nämä kohdat luovat ihanteellisen kohdan vaurion ydintymiselle. Polymeerit voivat nostaa osuuttaan entisestään liittimissä ja jakotukeissa käytetyissä materiaaleissa EU:n kiristyvien regulaatioiden takia, millä pyritään vähentämään lyijyä juomavedessä. Polymeerien mekaaniset ominaisuudet ja ikääntyminen täytyy ottaa tarkasti huomioon tuotesuunnittelussa johtuen vaihtelevasta käyttölämpötilasta ja syklisestä kuormitukseta.

Tämän diplomityön päätavoitteena oli analysoida ruiskupuristettua T-haaraa, joka on altistettu sisäiselle paineella, ja etsiä parhaita tapoja vähentää jännityskeskittymäkertoimia (SCF) ja jännitysintensiteettikertoimia (SIF) haaran sisäkulmassa. Kokeellisessa osiossa kaupallisia tuotteita tutkittiin määrittämällä niiden mittasuhteet ja selvitettiin mahdolliset valmistuksesta johtuvat alkusäröt. Kattava sarja FE-analyysejä suoritettiin, jotta erilaisten muuttujien vaikutukset jännityskeskittymä- ja jännitysintensiteettikertoimiin saatiin selville.

Tutkittujien muuttujien joukosta haaran siirtäminen sivuun pääsylinterin keskilinjalta havaittiin olevan tehokkain keino SCF:n pudottamiseen. Haaran siirtäminen sivuun siirsi myös SCF:n sijaintia, mikä voi olla hyödyllistä, jos jännityskeskittymä siirtyy pois yhtymäsauman läheisyydestä. Tasainen seinämävahvuus haaran ja pääsylinterin välillä on myös tehokas tapa tiputtaa jännityskeskittymää, ja samalla helpottaa valmistusta. Erilaisten parametrien vaikutus jännityskeskittymiin ja jännitysintensiteettiin esitetään suunnittelukaavioiden avulla. Kirjallisuudesta myös ehdotetaan soveltuvimmat kaavat näiden määrittämiseen analyyttisesti.