Modified Xiao-Yamada structural hot-spot stress method for fatigue assessment of thin welded joints

Abstract

This thesis investigates applications of modified Xiao-Yamada structural stress method for fatigue assessment of thin welded joints. The Xiao-Yamada structural stress method applies absolute depth of 1 mm for the structural stress extraction. It is problematic in thin plates with high stress gradient, and the 1 mm depth is too close to the neutral axis, especially in cases with out-of-plane bending load. The proposed modified Xiao-Yamada structural stress method considers plate thickness dependency with a linear expression of x/t.

Experimental fatigue test data of welded specimens was collected from literature, and it was used to optimize distance-dependent linear rule for the stress extraction depth. Finite element models were used to extract stress gradients for each specimen under axial- and out-of-plane bending loads to combine modified nominal stress and finite element models. Different structural stress methods were also compared against each other to see how much they deviated from each other.

The optimized thickness-dependent linear depth was 7% of the plate thickness. The fatigue strengths were calculated using Smith-Watson-Topper mean stress correction and with the original mean stress ratios. Non-corrected results were good with the optimized depth and surface extrapolation method compared to the standard fatigue class of FAT100. Other methods such as Xiao-Yamada yielded slightly lower fatigue strengths. Mean stress-corrected fatigue strengths were considerably lower than non-corrected ones. The scatter of fatigue test data was relatively high, and further research and data is needed to conclude if some other than linear expression is a viable solution for the modified Xiao-Yamada method.

Tämä diplomityö tutkii modifioidun Xiao-Yamada rakenteellisen jännityksen menetelmän soveltuvuutta ohutlevyistä valmistettujen hitsiliitosten väsymistarkasteluun. Xiao-Yamada menetelmä käyttää 1 mm absoluuttista syvyyttä rakenteellisten jännitysten määrittämiseen. Se on ongelmallinen ohuissa levyissä, joissa jännitysgradientti on suuri ja 1 mm syvyys on liian lähellä neutraaliakselia. Tämä korostuu erityisesti tason ulkopuolisessa taivutuksessa. Modifioitu Xiao-Yamada menetelmä huomio riippuvuuden levyn paksuuteen lineaarisesti yhtälöllä x/t.

Kokeellista väsymisdataa kerättiin kirjallisuudesta ja niitä käytettiin optimoimaan modifioitu levyn paksuudesta riippuvainen lineaarinen etäisyys. Elementti menetelmällä tehtyjä malleja käytettiin jännitysjakauman selvittämiseen aksiaali- ja taivutuskuormitus tapauksissa. Jännitysjakaumat yhdistettiin modifioitujen nimellisjännitysten kanssa. Lisäksi erilaisia rakenteellisen jännityksen menetelmiä vertailtiin keskenään, jotta voitiin selvittää kuinka paljon ne poikkeavat toisistaan.

Optimoitu levyn paksuudesta riippuva lineaarinen syvyys oli 7% levyn paksuudesta. Väsymislujuudet laskettiin alkuperäisillä keskijännityksillä ja käyttämällä Smith-Watson-Topper menetelmään keskijännitysten korjaamiseen. Korjaamattomat tulokset olivat hyviä käyttämällä optimoitua syvyyttä ja pinnan ekstrapolointimentelmää verrattuna väsymisluokkaan FAT100. Muut menetelmät kuten Xiao-Yamada tuottivat hieman alhaisempia arvoja. Keskijännitys korjatut tulokset olivat huomattavasti alhaisempia kuin korjaamattomat arvot. Tulosten hajonta oli suhteellisen suurta ja lisätutkimuksia tarvitaan määrittämään, sopisiko jokin muu kuin lineaarinen yhtälö paremmin modifioiduksi Xiao-Yamada menetelmäksi.