Investigation of Fatigue Uncertainty and Correlation to Geometrical Weld Features
Authors
Hermansen, Ole Skjerninge ; Sørensen, Rasmus
Term
4. term
Education
Publication year
2023
Submitted on
2023-06-01
Pages
82
Abstract
Engineers typically estimate how long welded joints will withstand repeated loading using fatigue curves that bundle the effects of weld shape, residual stresses, and material variation. These assessments carry uncertainty. This study examines whether explicitly including the measured weld geometry—captured by laser scanning—in the analysis can reduce that uncertainty. We tested 33 butt welds in S690 and 32 in S960 (two high-strength steels) under low-cycle fatigue (a few large load cycles). Each specimen was laser scanned to build a finite element model (FEM) that reflects its actual weld shape. We compared several fatigue indicators for their ability to reduce uncertainty, combined with a nonlocal model that accounts for the stress distribution over a small, highly stressed volume. Uncertainty was quantified using a Weibull distribution based on weakest-link theory, which assumes that failure is governed by the weakest location. The nonlocal “highly stressed volume” model evaluated with maximum principal stress showed the lowest uncertainty, with scatter indices of 3.69 for S690 and 3.63 for S960, versus higher values of 5.11 and 8.42 using the nominal stress approach. These results demonstrate that weld geometry influences uncertainty in fatigue assessment of butt-welded joints. The study also found a relationship between local stress and weld toe radius: as the toe radius decreases, local stress rises exponentially. The influence of other geometric weld features on local stress could not be distinguished clearly due to a lack of correlation.
Ingeniører vurderer normalt, hvor længe svejsede samlinger kan tåle gentagne belastninger, ved hjælp af udmattelseskurver, som samlet afspejler effekter af bl.a. svejsegeometri, restspændinger og materialeforskelle. Sådanne vurderinger rummer dog usikkerhed. Dette arbejde undersøger, om usikkerheden kan reduceres ved eksplicit at inddrage den faktisk målte svejsegeometri, registreret med laserscanning, i analyserne. Vi afprøver 33 stumpsvejsninger i S690 og 32 i S960 (to højstyrkestål) under lavcyklus-udmattelse (få, store belastningscykler). Hvert prøvestykke laserscannes, og der opbygges en finitte elementer-model (FEM), der afspejler den reelle svejsegeometri. Vi sammenligner flere udmattelsesindikatorer for deres evne til at reducere usikkerheden, kombineret med en nonlokal model, der tager højde for spændingsfordelingen over et lille, stærkest belastet volumen. Usikkerheden kvantificeres med en Weibull-fordeling baseret på svageste-led-teori, som antager, at bruddet bestemmes af den svageste lokalitet. Den nonlokale model for det stærkest belastede volumen evalueret med maksimal hovedspænding gav den laveste usikkerhed, med spredningsindeks på 3,69 for S690 og 3,63 for S960, mod højere værdier på hhv. 5,11 og 8,42 for den nominelle spændingstilgang. Resultaterne viser, at svejsegeometrien har væsentlig betydning for usikkerheden i udmattelsesvurderinger af stumpsvejsede samlinger. Studiet viser også en sammenhæng mellem lokal spænding og svejsetåens radius: Når radius mindskes, stiger den lokale spænding eksponentielt. Effekten af andre geometriske svejseegenskaber på den lokale spænding kunne ikke adskilles tydeligt på grund af manglende klare korrelationer.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords