Přístupy predikce únavové životnosti svařovaných konstrukcímechanika.fs.cvut.cz/content/files/DPZ/DPZ_welds_web.pdf · poškození v rámci standardních únavových postprocesorů(ANSYS

Přístupy predikce únavové životnosti svařovaných konstrukcí

Jurenka Josef, Ph.D.Odbor pružnosti a pevnosti

Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatronikyFakulta strojní, ČVUT v Praze

[email protected]

Svařované konstrukce a metody predikce životnosti

2

Rozsah použití

• Válcovaných nebo tažených polotovarů z refiticko-perlitické nebo bainitické oceli s maximální mezí kluzu do 960 MPa a austenitických korozivzdorných ocelí a slitin Al.

• Nelze použít v oblasti nízkocyklové únavy.

• Nelze použít v případě působení korozního prostředí a zvýšených teplot v oblasti creepu.

Predikce únavové životnosti• Návrhové S-N křivky vychází z rozsáhlých experimentálních dat.• Zahrnují statistickou povahu vlastností svařovaných konstrukcí.• Jsou definovány jako konzervativní s vysokou pravděpodobností přežití.

Zvláštnosti svařovaných konstrukcí

3

• Mirkotrhliny

• Dutiny

• NeprůvaryNehomogenity

• Vysoké hodnoty

• Neznáme průběhy

• Strmé gradienty

Zbytková napětí

• Tvar paty a kořene svaru

• Sklon obrysu

• Výpaly

Geometrie svaru

KMP modelování

• Prutové modely• Skořepinové

modely• Objemové

modely

Postupy predikce únavového poškození

4

• Posouzení podle standardů – obecné postupy:

– ČSN EN 1993-1-9 (Eurocode 3) – Navrhování ocelových konstrukcí -únava

– IIW (International Institue of Welding) - Recommendations for fatigue design of welded joints and components

• Posouzení na základě speciálních metodik:

– Metodika nCode DesignLife – SEAM WELDS („Volvo“ metodika), SPOT WELDS (Rupp, Störzel and Grubisic)

– Metodika FEMFAT

– Metodika FE-SAFE - VERITYTM Weld Fatigue Method

– Metodika LOHR

• Posouzení na základě vlastních únavových zkoušek.

a) Predikce únavové životnosti – svařované konstrukce:


a) Predikce únavové životnosti – svařované konstrukce:

Definice používaných vztažných napětí dle IIW, EUROCODE 3

Definice používaných vztažných napětí

5


6


77

Způsob MKP modelování konstrukcí

MKP modelování svařovaných konstrukcí

• Nosníkové modely: Vhodné pouze pro výpočty nominálních napětí, resp. silových účinků Nominální přístupy (příhradové konstrukce)

• Skořepinové modely: Vhodné pro výpočet hot-spot napětí + využití v rámci některých speciálních postprocesingových metodik (nCode)

– Bez modelování svarů (konstrukční uzel není namáhán ohybem)

– S modelování svarů:

• Modelování pouze konce svaru

• Modelování celého svaru

• Modelování svaru pomocí tuhých vazeb

• Modelování svaru zvýšením tuhosti příslušných skořepinových elementů

• Objemové modely: Vhodné pro výpočty lokálních napětí Přístupy přes vrubová napětí a lokální elastická napětí – FIN K

– Modely s hrubou výpočetní sítí je možné využít pro výpočet hot-spot napětí.

– Modely s jemnou výpočetní sítí a uvažováním efektivního zaoblení paty svaru je možné použít pro výpočet vrubových napětí – možnost hodnotit kumulaci únavového poškození v rámci standardních únavových postprocesorů (ANSYS Fatigue module, nCode, PragTic, apod.)

– Výpočet FIN K vyžaduje modelování trhlin – speciální metodiky a postupy.

8

Predikce únavové životnosti na základě nominálních napětí

9

Predikce únavové životnosti na základě nominální napětí

• Výpočet pomocí analytických vztahů nebo pomocí MKP– Jmenovitá nominální napětí:

– Modifikovaná nominální napětí:

10

N


• Volba S-N křivek konstrukčním uzlům podle International Institue ofWelding FAT třídy S-N křivek:

11



12


• Každá S-N křivka je charakterizována únavovou životnosti detailu na bázi 2106 cyklů a danou hladinou rozkmitu napětí XX a odpovídá pravděpodobnosti porušení 2,3% křivka FATXX.

13

– V případě normálového namáhání svaru je sklon S-N křivek m = 3 a mez únavy je definována na bázi 1107 cyklů.

– V případě smykového namáhání svaru je sklon S-N křivek m = 5 a mez únavy odpovídá bázi 1108

cyklů.– V případě namáhání konstrukčního

uzlu vysokým počtem cyklů není definována mez únavy. Vodorovná část S-N křivky je nahrazena šikmou se sklonem m = 22.

• Kumulace únavového poškození je určena pomocí Palmgen-Minerovasumačního pravidla.

FAT56


• Pravděpodobnosti porušení 2,3%:

14

FAT56/2,3%

∆𝜎𝑚 ∙ 𝑁 = 𝐶 𝑚 ∙ log ∆𝜎 + 𝑙𝑜𝑔 𝑁 = 𝑙𝑜𝑔 𝐶

𝑿𝑷 = 𝑿𝟓𝟎% + 𝑺 ∙ 𝒖𝑷

FAT56/50% „FAT82“

Směrodatná odchylka S

Zdroj

0,25 IIW

0,28

Pedersen, M.M, Mouritsen, O.Ø., Hansen, M.R., Andersen, J.G.: Experience with the Notch Stress Approach for Fatigue Assessment of Welded Joints, Proceedings of the Swedish Conference on Light Weight Optimized Welded Structures, March 24-25, 2010, Borlänge, Sweden

Aygül, M.: Fatigue Analysis of Welded Structures Using the Finite Element Method, Department of Civil and Environmental Engineering Division of Structural Engineering, Steel and Timber Structures CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Gothenburg, Sweden 2012


• Predikce probíhá podle S-N křivek přiřazených jednotlivým třídám konstrukčních detailů FAT.

• S-N křivky zahrnují následující faktory typické pro svařované konstrukce:

– Koncentraci napětí od makrogeometrie konstrukčního uzlu.

– Koncentraci napětí od tvaru svaru a imperfekcí svarového spoje spojené s uvažovanou technologií svařování.

– Směr působení nominálních napětí.

– Zbytková napětí od svařování.

– Metalurgické podmínky.

– Parametry svařovacího procesu a finálních úprav.

– Třída kvality provedení svařování B podle ISO 5817.

15

V rámci S-N křivek jednotlivých tříd FAT jsou zahrnuty určité geometrické nepřesnosti. V případě významnějších geometrických úchylek je nominální napětí zvětšeno o faktor km,eff.


• MKP modely neobsahují svarové detaily (objemové, skořepinové a nosníkové modely):

16

Stanovení nominálních napětí

Predikce únavové životnosti na základě (tvarových) hot-spot

napětí

17

Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí

• Stanovení pomocí MKP výpočtu nebo experimentálně (tenzometricky):

18

Napětí podél hrany konstrukce (nezávisí na tloušťce desky t)

Napětí po ploše konstrukce (závisí na tloušťce desky t)b) a)

N


• Postup výpočtu hot-spot napětí na základě MKP analýz (IIW):

19

MKP výpočet

Velikost elementů

Typ a) – napětí závisí na tloušťce Typ b) - napětí nezávisí na tloušťce

a) 0,4t x tb) < 4 x 4 mm

Napětí v rohových uzlech Napětí v rohových uzlech

a) 0,4t x tNapětí v rohových uzlech

a) t x tb) 10 x 10 mm

Napětí v mid-side uzlech Napětí v mid-side uzlech

tths σσσ 0,14,0 67,067,1

ttths σσσσ 4,19,04,0 72,024,252,2

tths σσσ 5,15,0 50,050,1

mmmmmmhs σσσσ 1284 33

mmmmhs σσσ 155 50,050,1


• Postup výpočtu na základě experimentu (tenzometrického měření):

• Přepočet na napětí:

20

Experiment

Typ a) Typ b)

Dva tenzometry Tři tenzometry

Tři tenzometry

tths εεε 0,14,0 67,067,1

ttths εεεε 4,19,04,0 72,024,252,2

mmmmmmhs εεεε 1284 33

hshs εEσ



21

Stejná sada křivek FAT S-N křivek jako v případě nominálních napětí



22

Stejná sada křivek FAT S-N křivek jako v případě nominálních napětí


• MKP modely (ne)obsahují svarové detaily (objemové, skořepinové modely):

23

Pat

h-2



24

• Předpokládá se, že únavová trhlina bude iniciována právě na konci svaru.

[Niemi]

[Fayard]

M. Aygül: Fatigue Analysis of Welded Structures Using the Finite Element Method, Chalmers university oftechnology, Gothenburg, Sweden 2012



25

[Niemi]• Přístup umožňuje zahrnout jak

geometrii svaru, tak i jeho tuhost.• Pata svaru může být “provařena“.• Elementy by měly být druhého

řádu.• Tloušťka “svarových“ elementů by

měla odpovídat tloušťce svaru.[Fayard]• Doporučeny jsou lineární

elementy. • Kořen svaru není “provařen“.• Hot-spot napětí lze odečítat

přímo v těžišti přilehlých elementů.

[Niemi, Eriksson]• Tuhost styčníku má větší význam

než geometrický tvar svaru.• Pro aplikaci je nutné upravit MKP

síť ve styčníku podle obr.• U přeplátování je kolmé spojení

realizováno tuhou vazbou.


Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických

napětí v kořeni/patě svaru

26

Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických napětí v kořeni/patě svaru

• Elastická (fiktivní) napětí v kořeni/patě svaru.

• Pro zahrnutí statistické povahy a rozptylu parametrů popisujících tvar svarů a chování materiálu byl navržen postup, na základě kterého je skutečný tvar svaru nahrazen efektivním. Pro konstrukční ocele a slitiny Al byl stanoven efektivní rádius zaoblení paty, resp. kořene svaru o velikosti R1 (platí pro konstrukce s

tloušťkou stěny větší než 5 mm). Vypočtená napětí jsou srovnávána s jedinou S-N křivkou FAT225 (IIW).

27


• Hypotéza průměrných napětí (the stress averaging approach) – Neuber.

28

Fricke W., "Guideline for Fatigue Assessment by Notch Stress

Analysis for Welded Structures", IIW Doc. XIII-2240r1-

08/XV-1289r1-08, 2008.

• Aplikace tohoto přístupu vyžaduje detailní modelování svarových spojů:

29


• Při predikci únavového poškození se předpokládá, že únavová trhlina je iniciována v patě nebo v kořeni svaru – v místě zaoblení.

• Navržené efektivní zaoblení paty, resp. kořene svaru R1 je použitelné pro konstrukce s tloušťkou stěny t 5 mm (t 5 mm R0,05; FAT630).

• Do výpočtu lze zahrnout další významné geometrické úchylky a imperfekce – pomocí MKP modelování.

• Efektivní napětí je třeba chápat

jako smluvní (modelové zaoblení

R1), nelze je tedy měřit

přímo na konstrukci.

30


N

• Pro velikost efektivního zaoblení R1 (konstrukční ocele a Al slitiny) a standardní kvalitu provedení svaru jsou doporučeny (IIW) S-N křivky třídy FAT225, resp. FAT71 pro ocele, resp. Al slitiny.

• V těchto S-N křivkách je zahrnut vliv zbytkového napětí.

31


• Další modifikaci únavových křivek (FAT225) lze provést s ohledem na následující faktory:

– Střední tlakové napětí (zbytkového napětí)

– Tloušťka stěny (S-N křivky jsou definovány pro tloušťku 25 mm)

– Finální úpravy svarových spojů (broušení; otryskávání)

– Zvýšené teploty (vliv teploty 100 až 600°C)

– Korozní prostředí

• Konkrétní podobu uvedených modifikací je možné najít v příslušných normativech (IIW).

32


• MKP modelování – submodeling (požadavek jemné MKP sítě):

33



34



35



• Jednoduchý postprocesor pro základní úlohy predikce únavové životnosti.

• Predikce je založena na aplikaci uniaxiálních přístupů vysokocyklové a nízkocyklové únavy.

• Výpočetní algoritmy jsou přímo implementovány do standardního postprocesinguANSYS Mechanical (Workbench) – jednoduché a efektivní použití.

36

ANSYS FATIGUE MODULE

Nástroje ANSYS FATIGUE MODULE jsou dostupné v postprocesoru ANSYS Mechanical

Aplikace programů ANSYS při predikci únavového poškození svařovaných konstrukcí – Fatigue module

• Kumulace únavového poškození se provádí podle S-N křivky FAT225 (IIW recommendation).

37

FAT225


• Experimentální validace relevance S-N křivky FAT225:

38


• Experimentální validace relevance S-N křivky FAT225:

39


Rekapitulace

40

Výhody Nevýhody

Přístup přes nominální napětí• Jednoduché výpočty• Poměrně značné historické zkušenosti• Často používané a aplikované na poměrně rozsáhlý

soubor konstrukčních detailů• Jsou dostupná potřebná experimentální data a analytické

vztahy• Vhodné pro predikci únavového poškození kumulovaného

v patě, resp. v kořeni svaru

• Predikce závislá na kategorizaci konstrukčních detailů• Nelze zahrnout libovolné geometrické parametry a

imperfekce• Méně přesné v případech komplexních konstrukčních uzlů• Vliv tloušťky nelze zahrnout

Přístup přes hot-spot napětí• Je potřeba méně S-N křivek• Přijatelně přesné• Jednoduché výpočty• Zahrnutí geometrických parametrů svarových spojů• Aplikace trubkové konstrukce

• Výsledky jsou závislé na hustotě a provedení MKP sítě • Různé způsoby vyhodnocení napětí• Vliv tloušťky nelze zahrnout• Použitelné pouze v případech, kdy dochází k iniciaci

únavových trhlin v patě svaru

Přístup přes vrubová napětí• Jediná S-N křivka• Možno zahrnout geometrické parametry svařovaného

spoje a imperfekce• Predikce únavového poškození kumulovaného v patě,

resp. kořeni svaru.

• Podkladem predikce jsou výsledky MKP analýz• Výsledky jsou závislé na hustotě MKP sítě a efektivním

zaoblení paty svaru• Poměrně náročné na modelování – rozsáhlé MKP modely

Predikce únavové životnosti na základě lokálních elastických napětí v kořeni/patě svaru

41


• V blízkosti svaru (kořen/pata) je uvažován defekt typu trhlina – ostrý vrub.

• Posouzení životnosti je založeno na výpočtu faktoru intenzity napětí K.

• Výpočet FIN K na základě analyticko-empirických vztahů (např. IIW) nebo pomocí MKP (ANSYS, MSC, ABAQUS apod.).

42

• Příklady tabelovaných analyticko-empirických vztahů pro výpočet FIN K (IIW recommendation):

43

benkbenbenmemkmemmem MYσMYσaπK ,,


• Predikce únavového poškození je založena na sčítání inkrementálních přírůstků délky trhliny, které jsou vypočteny pomocí tzv. Parisova vztahu:

• Doporučené hodnoty parametrů růstových zákonů:

44

fina

mth

m aKCNN

aKKpokusKC

N

a

inia00 dΔ0

d

dΔΔ,Δ

d

d

Doporučené parametry predikčních modelů (IIW recommendation)

Materiál Ocele Al slitiny

C0 1,5810-11[m, MPam] 1,2710-9 [m, MPam]

m 3 3

Kth 6,0-4,56R > 2 2,0-1,5R > 0,7


• Implementace výpočtu veličin lomové mechaniky v ANSYS Mechanical/APDL

– Základem je tzv. „Domain Integral method“ výpočet J-integrálu

– „Interaction Integral method“ výpočet FIN K

– „Virtual Crack Closure Technique“ výpočet hnací síly trhliny G

• Hodnota J-integrálu je nezávislá na integrační cestě:


Teorie MKP

Documents

Přístupy predikce únavové životnosti svařovaných konstrukcímechanika.fs.cvut.cz/content/files/DPZ/DPZ_welds_web.pdf · poškození v rámci standardních únavových postprocesorů(ANSYS