Hitsaustekniikkaa suunnittelijoille koulutuspäivä Hitsattujen rakenteiden lujuustarkastelu Tatu Westerholm

Transkriptio

1 Hitsaustekniikkaa suunnittelijoille koulutuspäivä Hitsattujen rakenteiden lujuustarkastelu Tatu Westerholm

2 HITSAUKSEN KÄYTTÖALOJA Kehärakenteet: Ristikot, Säiliöt, Paineastiat, Koneenrungot, Sillat Ohutlevytuotteet: Kodinkoneet, Henkilöautojen korit jne. Koneenosien yhteenliittäminen: Akselit, Hammaspyörät Päällehitsaus esim. kulumiskestävyyden parantaminen Täyttöhitsaus esim. kulumien ym. korjaushitsaus

3 HITSAUSLIITOSTEN TYYPIT Voimaliitokset Kiinnitysliitokset Sideliitokset Varusteluhitsit

4 HITSAUSLIITOKSEN OMINAISUUKSIA Hitsaus on aina geometrinen epäjatkuvuuskohta Hitsausprosessista johtuen rakenteeseen tulee sisäisiä jännityksiä Hitsausliitosta ei koskaan saada täysin samanlaiseksi Hitsausliitoksessa monta muuttujaa jotka riippuvat materiaalista, hitsin koosta, muodosta ym.

5 HITSAUSLIITOSTEN STAATTINEN KESTÄVYYS Harvat rakenteet täysin staattisesti kuormitettuja => Staattinen kuormitus on tilanne, jossa tutkittavan kohdan kuormitus on pahimmillaan Teräsrakenteiden suunnittelu SFS-ENV Hitsausluokat SFS-EN 25817

6 SFS-ENV Yleisille rakenneteräksille ja hienoraeteräksille joiden Nimellinen myötöraja 460 MPa Murtovenymä A5 15% Murtolujuus/myötörajasuhde 1,2 Murtolujuutta vastaava tasavenymä ε u 20 kertaa myötövenymä Laatuluokka vastaa vaadittuja sitkeysvaatimuksia Liitoksen mitoituksen rajoitukset a 3 mm a 15 mm

7 SFS-ENV ESIM. Kylkipienahitsin pituuden pienennyskerroin SFS-ENV-1-1 mukaan

8 HITSAUSLIITOSTEN VÄSYMISKESTÄVYYS Vaihteleva jännitys Kuorman suuruuden muutos Kuorman suunnan muutos Resonanssi Lämpötilan muutokset

9 HITSAUSLIITOSTEN VÄSYMISKESTÄVYYS Vakioamplitudinen jännitysvaihtelu Muuttuva-amplitudinen jännitysvaihtelu

10 KUORMITUS-/JÄNNITYSHISTORIA

11 HITSAUSLIITOSTEN VÄSYMISKESTÄVYYS Särö Olemassa oleva alkusärö Kuormituksessa syntyvä särö

12 HITSAUSLIITOSTEN VÄSYMISKESTÄVYYS Väsymismurtuma 1 Alkusärö/Särön ydintyminen 2 Särön eteneminen 3 Murtuminen 2 3 1

13 VÄSYMISKESTÄVYYDEN LASKENTAMENETELMÄT Nimellinen jännitys HOT SPOT jännitys Effective Notch Stress menetelmä Murtumismekaniikka

14 S-N käyrät N( σ) m =C

15 NIMELLISEN JÄNNITYKSEN LASKENTAMENETELMÄ Selkeät standardit rakenteet Jännitykset saatavilla käsinlaskennalla Testattuja geometrioita

16

17 HOT SPOT JÄNNITYKSEN LASKENTAMENETELMÄ Geometrinen jännitys

18 K s KERTOIMEN MÄÄRITTÄMINEN FE-analyyseillä Venymäliuskoilla Taulukoista (Lappeenrannan teknillinen yliopisto) Yksi S-N käyrä (FAT 100) σ hs =K s σ nom

19

20 EFFECTIVE NOTCH STRESS LASKENTAMENETELMÄ FE-analyysillä mallinnetaan 1 mm:n pyöristykset kriittisiin kohtiin Yksi S-N käyrä (FAT 225)

21

22 MURTUMISMEKANIIKKA Perustuu säröllisistä koekappaleista mitattuihin särönkasvunopeuksiin Jännitysintensiteettikertoimen vaihteluväli K Paris n laki

23 JÄNNITYSVAIHTELUJEN LUOKITTELU, RAINFLOW Jokseenkin yksimielisesti hyväksytty menetelmä Vesisäiliöanalogia

24 JÄNNITYSVAIHTELUJEN LUOKITTELU, RAINFLOW

25 EKVIVALENTTINEN JÄNNITYSVAIHTELU, σ eq Jännityshistorian korvaaminen yhdellä ekvivalentilla jännitysheilahduksella

26 EKVIVALENTTINEN JÄNNITYSVAIHTELU, σeq

27 MITOITUSPERIAATTEET Väsymisrajan mukaan Määritetään ääretön kestoikä, joka saavutetaan käyttämällä sopivaa varmuuslukua Safe-Life periaate Määritetään äärellinen kestoikä, joka on suurempi kuin koneen tai laitteen todellinen käyttöaika Fail-Safe periaate Sallitaan vikojen ilmaantuminen, jotka havaitaan ja pystytään korjaamaan säännöllisissä huolloissa Damage-Tolerant periaate Sallitaan pahimpien mahdollisten vikojen ilmaantuminen, joita ei välttämättä havaita, kuitenkin pystytään laskemaan murtumismekaniikalla ettei tällainen särö kasva kriittisiksi enne seuraavaa määräaikaistarkastusta.

28 KESTOIKÄLASKENNAN ONGELMAT Kuormituksen realistisuus Oikean menetelmän löytäminen Materiaalin, koekappaleiden ym. epähomogeenisuus

29 KIITOS!