FAT-luokkien määritys hitsatuille levyliitoksille käyttämällä lineaarisen murtumismekaniikan särönkasvun simulointia
Muinonen, Antti (2012)
Tiivistelmä
Työssä tutkittiin hitsattujen levyliitosten väsymiskestävyyden mitoitusarvoja. Hitsien
väsymiskestävyyden mitoitusarvot määritettiin lineaarista murtumismekaniikkaa soveltavalla
2D FEM-laskentaohjelmalla. Murtumismekaanisen laskennan tuloksista määriteltiin,
eri liitosgeometrioiden ja kuormitustyyppien mukaisia, nimellisen jännityksen
väsymismitoitusmenetelmää vastaavia FAT-luokkia, joissa on huomioitu rakenteellinen
jännitys hitsiä vastaan kohtisuorassa suunnassa.
Tutkittujen liitosten geometriat olivat pääsääntöisesti poikkeavia mitoitusstandardien ja
ohjeiden sisältämistä taulukkotapauksista. Laskennassa otettiin huomioon hitsien
liittymiskulma perusaineeseen, rajaviivan pyöristykset ja vajaa hitsautumissyvyys.
Kuormitustyyppien vaihtelua tutkittiin rakenteellisen jännityksen taivutusosuuden muutoksilla
ja kuormaa kantavien X-liitosten risteävien kuormituksien suhteellisilla suuruuksilla.
Väsymiskestävyydet määritettiin kuormituskohtaisille kalvo- ja taivutusjännityksille
sekä näiden jännitysjakaumien keskiarvoille.
Työssä saatuja FAT-luokkia voidaan hyödyntää vastaavien geometrioiden ja
kuormitusten yhteydessä, sekä interpoloimalla myös tuloksien väliarvoissa. Työssä
käytetyillä menetelmillä voidaan parantaa nimellisen jännityksen mitoitusmenetelmän
tarkkuutta ja laajentaa sitä koskemaan myös taulukkotapausten ulkopuolisia liitoksia.
Työn tuloksissa on esitetty FAT-luokkia T-, X- ja päittäisliitoksille ja näiden eri
kuormitusyhdistelmille. In this study fatigue lifetime assessments were made to welded plate joints. The
lifetimes were determined by using finite element crack growth simulations based on
linear elastic fracture mechanics theory. Fatigue classes were converted from results of
FE-analysis to FAT classes. The joints had different geometrical and loading variables.
All the studied joints were analyzed by using two dimensional FE models.
Some studied joint types differed from commonly available FAT class cases or they had
special loading conditions. All the joints were analyzed for exact weld shapes and
different structural loading stress gradients. Studied weld shapes had variations in toe
side smoothing, angle of fillets, and lack of penetration in double sided butt welds.
Variations in joint loadings were: only membrane stress, only bending stress, and mixed
mode were both stresses were equally present.
Achieved results and FAT classes can be directly implemented in nominal stress fatigue
assessment calculations with matching geometrical and loading parameters. And by
using interpolation, the results can be used closely similar joints with reasonable
accuracy. In the results section FAT classes are presented for different X-joints, Tjoints,
and butt welds with different loading conditions.
väsymiskestävyyden mitoitusarvot määritettiin lineaarista murtumismekaniikkaa soveltavalla
2D FEM-laskentaohjelmalla. Murtumismekaanisen laskennan tuloksista määriteltiin,
eri liitosgeometrioiden ja kuormitustyyppien mukaisia, nimellisen jännityksen
väsymismitoitusmenetelmää vastaavia FAT-luokkia, joissa on huomioitu rakenteellinen
jännitys hitsiä vastaan kohtisuorassa suunnassa.
Tutkittujen liitosten geometriat olivat pääsääntöisesti poikkeavia mitoitusstandardien ja
ohjeiden sisältämistä taulukkotapauksista. Laskennassa otettiin huomioon hitsien
liittymiskulma perusaineeseen, rajaviivan pyöristykset ja vajaa hitsautumissyvyys.
Kuormitustyyppien vaihtelua tutkittiin rakenteellisen jännityksen taivutusosuuden muutoksilla
ja kuormaa kantavien X-liitosten risteävien kuormituksien suhteellisilla suuruuksilla.
Väsymiskestävyydet määritettiin kuormituskohtaisille kalvo- ja taivutusjännityksille
sekä näiden jännitysjakaumien keskiarvoille.
Työssä saatuja FAT-luokkia voidaan hyödyntää vastaavien geometrioiden ja
kuormitusten yhteydessä, sekä interpoloimalla myös tuloksien väliarvoissa. Työssä
käytetyillä menetelmillä voidaan parantaa nimellisen jännityksen mitoitusmenetelmän
tarkkuutta ja laajentaa sitä koskemaan myös taulukkotapausten ulkopuolisia liitoksia.
Työn tuloksissa on esitetty FAT-luokkia T-, X- ja päittäisliitoksille ja näiden eri
kuormitusyhdistelmille.
lifetimes were determined by using finite element crack growth simulations based on
linear elastic fracture mechanics theory. Fatigue classes were converted from results of
FE-analysis to FAT classes. The joints had different geometrical and loading variables.
All the studied joints were analyzed by using two dimensional FE models.
Some studied joint types differed from commonly available FAT class cases or they had
special loading conditions. All the joints were analyzed for exact weld shapes and
different structural loading stress gradients. Studied weld shapes had variations in toe
side smoothing, angle of fillets, and lack of penetration in double sided butt welds.
Variations in joint loadings were: only membrane stress, only bending stress, and mixed
mode were both stresses were equally present.
Achieved results and FAT classes can be directly implemented in nominal stress fatigue
assessment calculations with matching geometrical and loading parameters. And by
using interpolation, the results can be used closely similar joints with reasonable
accuracy. In the results section FAT classes are presented for different X-joints, Tjoints,
and butt welds with different loading conditions.