SHY- Seminaari TURKU

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "SHY- Seminaari TURKU"

Siiri Jääskeläinen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 1

2 SHY /TURKU HITSATUN RAKENTEEN RAKENNERATKAISUT JA NIIDEN VAIKUTUS TUOTTEEN KESTÄVYYTEEN Miksi hitsit väsyvät Lujat teräkset tulevat Esimerkkitehtävä LUT-Digitalisaatio HRO-foorumi Timo Björk LUT Laboratory of Steel Structures

3 Esimerkki: liitosten sijoittelu Kummin päin kannata hitsit sijoittaa isossa reunoiltaan niveltuetussa tuetussa suorakaiteen muotoisessa levykentässä, jossa L =b, kun kuormitus on A =staattinen, B= väsyttävä Kuormitussuunta 1) pitkittäinen kalvokuormitus ) laattakuoritus (tasainen paine) Materiaali on a) normaali rakenneteräs (S355), b) ultraluja teräs (S960) Muita tekijäitä: hitsausmäärä, manuaali/automatisoitu hitsaus, molemmin puolin/yhdeltä puolen hitsaus, lämmöntuonti, hitsin laatuvaatimukset (suunta, rajaviivat, juuren, läpihitsausvaatimus) 3

4 Miksi hitsit väsyvät - lovivaikutus, M k (r, θ) - särömäinen karakteristinen alkuvika, a 0 - jäännösjännitystila, R σ f y M k Δσ t Δσ R min max a o M k Δσ r θ a N f C( R) hs, ekv ( R) a f a da [ M k ( a) a Y( a) 0 a cr Δσ Δσ ΔN f a o N f 4

5 Miksi hitsit väsyvät - lisäksi rakenteellinen jännityskeskittymä K s imperfektiot ja/tai liitos Vain levyssä, EI laatassa a o M k Δσ r θ Δσ Δσ 5

6 Miksi hitsit väsyvät - jännitysjakaumat rivan kärjessä Kokonaisjännitysjakauma ΔF Rakenteellinen kalvojännitys Rakenteellinen taivutusjännitys + + = Epälineaarinen loviefekti 6 Antti Ahola

7 Miksi hitsit väsyvät - pivan pääty a i : jälkikäsittely/hionta TIG HiFIT σ res : jälkikäsittely, HfMIT a f : lämmöntuonti, pehmeneminen 7

8 Miksi hitsi väsyvät - hitsin lovijännitys 8

9 Miksi hitsit väsyvät - ASW / jälkikäsittely 9

10 Miksi hitsit väsyvät - laatuhitsien I: hitsaamalla ja II: jälkikäsittelyllä - yhdistäminen Lawrencen mallilla laatuhitseille - merkitys korostuu lujilla teräksillä σ N f N n a cr da C Y( a) M ( a) a a0 k hs, ekv m N FAT m 6 10 t f t 0 t 0 t 1 N n N p N f N n a cr da C Y( a) M ( a) a a0 k hs, ekv m S355 UHSS N S355 σ t S t 960 = 0.37 t 355 σ a 960 = 0.5 a N f N f 10

11 Miksi hitsit väsyvät - Yhteenveto Menetelmät suunnittelu suunnittelu ja valmistus - laatu - jälkikäsittely - materiaalinvalinta Väsymisparametri: Δσ nom K s M k a 0 σ res m, C Parametrin määrääviä tekijöitä: A,W, ΔA, ΔW, R, e,.., β,.. a 0, c 0,.. σ res /f y nimi lyhenne FAT nim Nimellinen FAT nim Rakenteellinen Hot spot FAT hs = 90, 100 Tehollinen lovijännitys ENS FAT ENS Murtumismekaniikka LEFM 3, 3E-1 11

12 Lujat teräkset tulevat - Materiaalin suorituskyky Energian absorptio tilavuusyksikköä kohti N m J W d MPa 3 m m m true Myös jäykkyys tärkeä (siirtymien hallinta) J W E WE E d 3 m true Suhteessa ominaispainoon (rakenteiden keveys) W E d E WE true J W E, kg Suhteessa kilohintaan, eli miten paljon maksaa absorptiojäykkyys! W E,, WE E true d J Luja teräs ylivoimainen Teräkseen valmistukseen sidottu energia vähäinen Kierrätys edullista Toki muitakin kriteereitä: murtositkeys, väsymisominaisuudet, kovuus, lämmönkestävyys, kulutuskestävyys, korroosiokestävyys, etc. 1

13 Lujat teräkset tulevat - Luja teräs tuo kilpailuetumahdollisuutta kriteeri S960QC/S355 lujuus/paino-suhde.7 lujuus/paino/ hintasuhde ? 13

14 Lujat teräkset tulevat 14

15 Lujat teräkset tulevat - miten vaikuttaa tuotannon eri vaiheissa 15

16 Lujat teräkset tulevat - materiaalin lujuusluokan määritys = - staattinen ja väsymislujuus -optimi M M PL3 M i M max M time ekv m M M max min ( M N ref m i n i ) M i t w t b h N ref f y m N f 10 6 M f max FAT M 0 red M ekv da dh W h t 8h 0 3 W h h 1 3 t w 3 3W 4 b b 3 3M 4 f D D h t w - lujuusluokka suuremmaksi loppukäytön tehosta - suunnittelu vaativammaksi (maksaa: -), osaamistaso kilpailuetu: +(+) 16

17 Lujat teräkset tulevat - Pehmeneminen tärkeä ymmärtää, hallinta t 8/5 -ajalla ja muotoilulla t t 0 t 1 - Pahinta staattisen lujuuden kannalta lämmöntuonti ilman geometriaa - Haurasmurtuma ja väsyminen voivat olla kuitenkin kriittisempiä 17

18 Lujat teräkset tulevat - Kriittisen tason mukainen kestävyys S960 SS α = 30.5 deg 18

df sin 1 btf y 0 d 3 cos cos 3 cos S960 SS 3 α 4cos 3 arccos rad 30 deg 6

19 Lujat teräkset tulevat - Kriittisen tason mukainen kestävyys F cos cos 3sin bt btf F y cos 3 cos F cos bt 19 F cos bt F sin cos bt 3 cos eqv f y df sin 1 btf y 0 d 3 cos cos 3 cos S960 SS 3 α 4cos 3 arccos rad 30 deg 6 btf y btf Minimum Load Carrying Capacity = y F 0. 94btf MLCC y cos 3 cos 3

Lujat teräkset tulevat - 4R, New Master Curve for fatigue of welded joints: - Consider all essential, measureable fatigue parameters, such as - material, (ultimate) strength R m - residual stresses σ

20 Lujat teräkset tulevat - 4R, New Master Curve for fatigue of welded joints: - Consider all essential, measureable fatigue parameters, such as - material, (ultimate) strength R m - residual stresses σ res (welding, post treatment, for e.g. peening, s = σ res /R m ) - applied stress ratio R - weld quality (ENS + weld toe radius) r - ENS method - linear notch stress k = K f nom (K t for e.g. FEA, neural net or regression formulas) - membrane and bending stresses ( m and b ) - slope m and C ref based on minimization of the sum of squared perpendicular distances from a line - Material model: - Ramberg-Osgood relationship with typical steel values (n = 0.15, K = 1.65R m ) - ideal kinematic hardening behaviour is assumed - Neuber s rule for plasticity - local strain method R local - SWT the effect of R local on the fatigue strength -.CA & VA loading 0 5 ENS, PS m N 1 R C N f k local ref m m 10 6

21 Lujat teräkset tulevat 4R mitoitusmenetelmä N f k sfat ekv red m 6 10 y a bx log N logc mlog R R R y a bx / 1 b minimum, when 0 and 0 i i a b n i1 [ i i ( i i ) 4 ( i i ) ] / i i where u log ( log ) / n and v log N ( log N ) / n logc mean f m v u v u u v u v n i i j i fi f j1 j1 (log N mlog ) / n i log C (log N mlog ) / n k Stdv char f i 1 i f i n j SWT, R-O, Neuber, Radaj, Mansing, etc.. 1

22 Lujat teräkset tulevat 4R mitoitusmenetelmä ENS, S(R m ), R, res, r toe, VA,..

23 Esimerkki: liitosten sijoittelu Kummin päin kannata hitsit sijoittaa isossa reunoiltaan niveltuetussa tuetussa suorakaiteen muotoisessa levykentässä, jossa L =b, kun kuormitus on A =staattinen, B= väsyttävä Kuormitussuunta 1) pitkittäinen kalvokuormitus ) laattakuoritus (tasainen paine) Materiaali on a) normaali rakenneteräs (S355), b) ultraluja teräs (S960) Muita tekijäitä: hitsausmäärä, manuaali/automatisoitu hitsaus, molemmin puolin/yhdeltä puolen hitsaus, lämmöntuonti, hitsin laatuvaatimukset (suunta, rajaviivat, juuren, läpihitsausvaatimus) 3

24 Esimerkki: Liitosten sijoittelu simer kki A Liitos Vaatimukset Liitos Vaatimukset A1 A1a A1b side ei vaatimuksia ei läpihitsausta pehmenemisvaikutus voima tasaluja läpihitsaus pehmeneminen A voima tasaluja voima ei tasaluja Aa Ab Ei vaatimuksia lämmöntuonti M y,,1/3 =0.91M y, II,1/ M x,,1/3 =0.46M y, II,1/ ei vaatimuksia lämmöntuonti 4

25 Esimerkki: Liitosten sijoittelu B Liitos Vaatimukset Liitos vaatimukset B1 B1a B1b side FAT FAT >15 ei Jälkikäsittelyä ei välttämättä läpihitsausta pituussuuntainen juohevuus juuressa tai pinnalla laadun merkitys korostuu voima FAT (45).. 90 FAT >90 jälkikäsittelyllä paremmaksi, 8b! juuren puoli ei saa jäädä kriittiseksi pehmeneminen 5

26 Esimerkki: Liitosten sijoittelu B Liitos Vaatimukset Liitos Vaatimukset B Voima FAT Rajaviivageometria Voima FAT rajaviivageometria A1a A1b FAT >90 Laadulla tai jälkikäsittelyllä laadulla paremmaksi potentiaalia enemmän 6 FAT >90 Jälkikäsittelyllä paremmaksi σ y,,1/3 =0.91σ y, II,1/ σ x,,1/3 =0.46σ y, II,1/ N /N II = 5 10 Pehmeneminen FAT >15, hitsinpituussuuntai nen laatu

27 LUT Digitalisaatio ReFaMo 7

28 LUT Digitalisaatio ReFaMo 8

29 SHY HRO Suunnittelufoorumi ABB Oyj Allu Finland Oy Andritz Oy Auramo Oy Bronto Skylift Oy Ab Cargotec Finland Oy Deltamarin Oy EDR & Medeso Oy Eisto Oy Elomatic Oy Etteplan Design Center Oy FS Dynamics Finland Oy Ab BMH Technology Oy John Deere Forestry Oy Konecranes Oyj Mantsinen Group Ltd Oy Metso Minerals Oy Neteram Oy One Moment Engineering Oy Outotec Oyj Patria Land Systems Oy Ponsse Oyj Raahen Insinöörisuunnittelu Oy Sandvik Mining and Construction Oy SDS Aura Oy SSAB Europe Oy Stalatube Oy Stressfield Oy Teollisuuden Voima Oyj The Switch TMT Malinen Oy Unisigma Oy Valtra Oy Ab Viafin Terästorni Oy Waratah OM Oy Wärtsilä Finland Oy 9

Samankaltaiset tiedostot

Ultralujien terästen hitsausliitosten väsymislujuus

Ultralujien terästen hitsausliitosten väsymislujuus Timo Björk Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT Kone Teräsrakenteiden laboratorio Johdanto Hitsauksen laatu??? - Rakenteen lopullinen käyttötarkoitus