Investigation of Fatigue Uncertainty and Correlation to Geometrical Weld Features

Abstract

Dette kandidatspeciale er udført som den afsluttende del af kandidatuddannelsen, Design af Mekaniske Systemer ved Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet på Aalborg Universitet. Projektet omhandler den statistiske usikkerhed, der observeres når svejste emner udmattelsestestes. Formålet med projektet er at undersøge, om det er muligt at reducere denne usikkerhed ved at inkludere den faktiske svejsegeometri i numeriske modeller. Hertil undersøges en række forskellige udmattelsesindikatorer med henblik på at finde den største reduktion af usikkerhed. Udmattelsesindikatorerne er undersøgt i kombination med både local og nonlocal modeller, hvortil de nonlocal modeller kan medtage spændingsgradienterne nær svejsetåen. Der tages udgangspunkt i weakest-link metoden, der understøtter den statistiske tilgang. Metoden tager udgangspunkt i Weibullfordelingen. Derudover ønskes det også undersøgt, om en sammenhæng mellem de svejsegeometriske mål og den resulterende strukturelle respons kan etableres, med henblik på at etablere et sammenhæng mellem geometriske mål og udmattelsesstyrke. Simuleringer og eksperimentelt arbejde tager udgangspunkt i en række svejste prøveemner fremstillet i henholdsvis stål S690 og S960. Prøveemnerne er fremstillet som stumpsøm. Testemnerne er i forbindelse med forfatternes 3. semester blevet udmattelsestestet og de tilhørende eksperimentelle resultater kendes derved. Inden udmattelsestesten blev prøveemnernes svejsegeometri målt med laserscanningsteknologi, som danner en 3D punktsky af den scannede svejsning. Gennem en behandlingsproces omdannes de rå punktskyfiler til CAD-modeller, der kan benyttes i det kommercielle program ANSYS til at løse de numeriske modeller. Dette muliggøre anvendelsen af en række forskellige udmattelsesindikatorer til at reducere den statistiske spredning sammenlignet med den nominelle spænding, som i almindelighed anvendes. Baseret på den numeriske behandling af de eksperimentelle forsøg, konkluderes det at den maksimale hovedspænding med en highly stressed volume model giver den største reduktion i statistisk usikkerhed. Metoden opnåede et spredningsindeks på 3.69 for S690 og 3.63 for S960, mens den nominelle spændingstilgang resulterede i højere værdier på henholdsvis 5.11 og 8.42. Disse resultater fremhæver den betydelige indflydelse af svejsegeometrien på usikkerheden i forbindelse med udmattelsesvurdering af stumpsøm. Sammenhængen mellem udmattelsesstyrke og geometri undersøges ved at iagttage variationen af denne maksimale hovedspænding henover svejsegeometrien på de numeriske simuleringer. Derved kan de geometriske størrelser fra laserscanninen kobles til den strukturelle respons for hvert prøveemne. Der er fundet en eksponentiel sammenhæng mellem den lokale spænding og dens tilhørende rundingsradius, hvori en mindskende rundingsradius medfører stigning i den lokale spænding. Der kan ikke etableres en relation for de resterende undersøgte geometriske størrelser.

Current fatigue assessment of welded joints is based on fatigue curves in which several effects known to influence the fatigue strength, such as the weld geometry, residual stresses, and material variations are included. The present work aims to investigate the influence of including the weld geometry, as obtained by laser scanning, on uncertainty in fatigue assessment. The investigation involves 33 butt welds in S690 and 32 butt welds in S960, subjected to low cycle fatigue. Laser scanning is conducted on each specimen to construct a finite element model incorporating the actual weld geometry. Various fatigue indicators are explored to assess their effectiveness in reducing fatigue uncertainty, combined with a nonlocal model to account for the stress distribution. Using a Weibull distribution based on the weakest-link theory, the performance of the fatigue indicators in reducing uncertainty is evaluated. The highly stressed volume nonlocal model with maximum principal stress exhibited the lowest uncertainty, with scatter indices of 3.69 for S690 and 3.63 for S960, compared to higher values of 5.11 and 8.42 for the nominal stress approach, respectively. These findings demonstrate the influence of weld geometry on uncertainty in fatigue assessment of butt welded joints. The study also reveals a relationship between the local stress and weld toe radius, demonstrating an exponential stress-raising effect as the weld toe radius decreases. However, the influence of other geometric weld features on local stress could not be explicitly distinguished due to a lack of clear correlation.

A master thesis from Aalborg University

Investigation of Fatigue Uncertainty and Correlation to Geometrical Weld Features