Applications of effective stress method for fatigue assessment of butt weld joints using the 4R method
Seppä, Aku (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Konetekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251028103685
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20251028103685
Tiivistelmä
This thesis was conducted for LUT university research group of steel structures as a part of CaNeLis project. This thesis studied how the computational fatigue assessment methods for optically scanned butt weld joints differ from experimental results. The aim of the thesis was to take actual weld geometries into account and to develop the 4R fatigue design model based on local stress further.
The study included five series of butt-welded joints, which contained three different structural steels and two different welding methods. The joints were scanned using an optical surface roughness device. Four different fatigue design models were used in this thesis, most of which consider geometric discontinuities in the calculations. FE analyses were created from the scanned geometries of the joints and their idealized geometries.
Based on the test results and computational analyses, there were significant differences in the fatigue calculations for structural steels. The difference was not observed with all fatigue assessment methods; it was only noticed when geometric discontinuities were considered.
The study found that FE analyses created from scanned butt weld joints did not produce a smaller scatter between test points when comparing the actual test series results with the computational ones. This suggests that, for the joints studied in this work, that the 4R method is most accurate when using notch stress factors obtained from idealized 2D models. Tämä diplomityö tehtiin LUT-yliopiston teräsrakenteiden tutkimusryhmälle osana CaNeLis-projektia. Tässä diplomityössä tutkittiin, kuinka optisesti skannattujen päittäisliitosten laskennalliset väsymismitoitusmallit eroavat kokeellisista tuloksista. Työn tavoitteena oli todellisten hitsigeometrioiden huomioonottaminen sekä paikalliseen jännitykseen perustuvan 4R väsymismitoitusmallin kehittäminen.
Tutkimuksessa oli viisi päittäisliitossarjaa, jotka sisälsivät kolmea eri rakenneterästä sekä kahta eri hitsausmenetelmää. Hitsatut päittäisliitokset kuvattiin käyttäen optista pinnankarheuden kuvauslaitetta. Työssä käytettiin neljää eri laskentamallia, joista suuri osa ottaa huomioon geometrian epäjatkuvuuden laskennassa. Päittäisliitosten skannatuista geometrioista sekä ideaaligeometrioista luotiin FE-mallit ja niistä FE-analyysit.
Koetulosten ja laskennallisten analyysien perusteella rakenneteräksissä oli huomattavia eroja väsymislaskennassa. Eri väsymismitoitusmalleilla tätä eroa ei kuitenkaan havaittu, ero huomattiin vasta kun geometrian epäjatkuvuus otettiin huomioon.
Työssä todettiin, että päittäisliitoksista luodut optisesti skannatut FE-analyysit eivät tuottaneet pienempää koepisteiden välistä hajontaa verrattaessa oikeita koesarja tuloksia laskennallisiin. Tämä viittaa siihen, että tässä työssä tutkituilla liitoksilla 4R-menetelmä on tarkimmillaan käytettäessä idealisoiduista malleista saatuja lovijännityskertoimia.
The study included five series of butt-welded joints, which contained three different structural steels and two different welding methods. The joints were scanned using an optical surface roughness device. Four different fatigue design models were used in this thesis, most of which consider geometric discontinuities in the calculations. FE analyses were created from the scanned geometries of the joints and their idealized geometries.
Based on the test results and computational analyses, there were significant differences in the fatigue calculations for structural steels. The difference was not observed with all fatigue assessment methods; it was only noticed when geometric discontinuities were considered.
The study found that FE analyses created from scanned butt weld joints did not produce a smaller scatter between test points when comparing the actual test series results with the computational ones. This suggests that, for the joints studied in this work, that the 4R method is most accurate when using notch stress factors obtained from idealized 2D models.
Tutkimuksessa oli viisi päittäisliitossarjaa, jotka sisälsivät kolmea eri rakenneterästä sekä kahta eri hitsausmenetelmää. Hitsatut päittäisliitokset kuvattiin käyttäen optista pinnankarheuden kuvauslaitetta. Työssä käytettiin neljää eri laskentamallia, joista suuri osa ottaa huomioon geometrian epäjatkuvuuden laskennassa. Päittäisliitosten skannatuista geometrioista sekä ideaaligeometrioista luotiin FE-mallit ja niistä FE-analyysit.
Koetulosten ja laskennallisten analyysien perusteella rakenneteräksissä oli huomattavia eroja väsymislaskennassa. Eri väsymismitoitusmalleilla tätä eroa ei kuitenkaan havaittu, ero huomattiin vasta kun geometrian epäjatkuvuus otettiin huomioon.
Työssä todettiin, että päittäisliitoksista luodut optisesti skannatut FE-analyysit eivät tuottaneet pienempää koepisteiden välistä hajontaa verrattaessa oikeita koesarja tuloksia laskennallisiin. Tämä viittaa siihen, että tässä työssä tutkituilla liitoksilla 4R-menetelmä on tarkimmillaan käytettäessä idealisoiduista malleista saatuja lovijännityskertoimia.