Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí

Hodnocení únavové odolnosti
svařovaných konstrukcí
Jurenka Josef, Ph.D.
Odbor pružnosti a pevnosti
Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky
Fakulta strojní, ČVUT v Praze
[email protected]
TechSoft Engineering, spol. s r.o.
[email protected]
Obsah
1) Svařované konstrukce a metody predikce životnosti
2) Využití MKP při predikci únavového poškození
a) Predikce únavové životnosti na základě nominálních napětí
b) Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
c) Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických napětí v koření/patě svaru
d) Predikce únavové životnosti na základě lokálních elastických napětí v koření/patě svaru
3) Aplikace programů ANSYS při predikci únavového poškození svařovaných
konstrukcí - ANSYS nCode DesignLife – SEAM WELD, SPOT WELDS
2
1) Svařované konstrukce a
metody predikce životnosti
3
Zvláštnosti svařovaných konstrukcí
•
Nehomogenity materiálu:
– Mikrotrhliny, dutiny, neprůvary , přeložky, výpaly.
•
Zbytková napětí v povrchové vrstvě:
– V oblasti svaru dosahují až meze kluzu a prudce klesají v jeho okolí.
•
Geometrie svaru:
– Poloměry v patě a u kořene svaru, sklon obrysu svaru.
– Tyto vlivy se zohledňují statistickým vyhodnocením únavových zkoušek, zkoušky na
reálných vzorcích předpokládají, že uvedené vlivy jsou „zahrnuty a pokryty“ křivkami
životnosti.
•
Specifika modelování MKP:
– 2D, 3D modely bez svaru, se svarovými detaily.
4
Postupy predikce únavového poškození
•
Posouzení podle standardů:
–
–
–
–
–
•
Posouzení na základě speciálních metodik:
–
–
–
–
•
ČSN 05 0120 - Výpočet svarových spojů strojních konstrukcí.
ČSN 73 1401 - Navrhování ocelových konstrukcí.
ČSN EN 1993-1 – Navrhování ocelových konstrukcí.
Eurocode 3.
IIW (International Institue of Welding) - Recommendations for fatigue design of welded
joints and components (IIW document XIII-1965-03 / XV-1127-03, 2005 Update)
Metodika “Volvo“ implementovaná v ANSYS nCode DesignLife – SEAM WELDS
Metodika Rupp, Störzel and Grubisic - SPOTWELDS
Metodika Radaj, Seeger, Olivier - ANSYS nCode DesignLife nebo ANSYS Fatigue module
Metodika FEMFAT
Posouzení na základě vlastních únavových zkoušek.
5
Postupy predikce únavového poškození
•
Rozsah použití:
– Konstrukce svařené z válcovaných nebo tažených polotovarů z refiticko-perlitické nebo
bainitické oceli s maximální mezí kluzu fy = 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.
6
Definice používaných vztažných napětí
•
Přístupy k predikci životnosti jsou poplatné uvažované (vypočtené) napjatosti:
Lokální elastická napětí
(FIN K)
Vrubová napětí
(Notch stresses)
Hot-spot napětí
Extrapolovaná (tvarová) napětí
(Structural stresses)
Oblast nominálních napětí
(Nominal stress approach)
7
Postupy predikce únavového poškození
Popis namáhání materiálu
Popis únavové životnosti
Nominální napětí v daném
průřezu
S-N křivky vyjádřené pomocí
nominálních napětí
Tvarové napětí (hot-spot) v
oblasti paty svaru
S-N křivky vyjádřené pomocí
hot-spot napětí
Efektivní vrubové napětí v oblasti
paty (kořene) svaru
S-N křivky vyjádřené pomocí
vrubových napětí
Lokální napětí elastické napětí,
resp. faktor intenzity napětí
Odolnost proti šíření únavových
trhlin vyjádřená pomocí
materiálových charakteristik
růstových zákonů
Stanovení únavové životnosti
Kumulace únavového poškození
(Palmgren-Miner)
Predikce šíření únavových trhlin
Sčítání inkrementálních přírůstků
(Parisův zákon)
8
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.
9
2a) Predikce únavové životnosti
na základě nominálních napětí
10
Predikce únavové životnosti na základě nominální napětí
• Výpočet pomocí analytických vztahů nebo pomocí MKP
– Jmenovitá nominální napětí:
– Modifikovaná nominální napětí:

N
11
Predikce únavové životnosti na základě nominální napětí
• Volba S-N křivek konstrukčním uzlům podle International Institue of
Welding  FAT třídy S-N křivek:
12
Predikce únavové životnosti na základě nominální napětí
• Volba S-N křivek konstrukčním uzlům podle International Institue of
Welding  FAT třídy S-N křivek:
13
Predikce únavové životnosti na základě nominální napětí
• Každá S-N křivka je charakterizována únavovou životnosti detailu na bázi
2106 cyklů a danou hladinou rozkmitu napětí XX a odpovídá
pravděpodobnosti porušení 2,3%  křivka FATXX.
– V případě normálového namáhání
svaru je sklon S-N křivek m = 3 a
mez únavy je definována na bázi
1107 cyklů.
– V případě smykového namáhání
svaru je sklon S-N křivek m = 5 a
mez únavy odpovídá bázi 1108
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-Minerova
sumačního pravidla.
FAT56
14
Predikce únavové životnosti na základě nominální napětí
• 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.
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.
15
Predikce únavové životnosti na základě nominální napětí
• MKP modely neobsahují svarové detaily (objemové, skořepinové a
nosníkové modely):
Stanovení
nominálních
napětí
16
2b) 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):

N
b)
Napětí podél hrany konstrukce
(nezávisí na tloušťce desky t)
a)
Napětí po ploše konstrukce
(závisí na tloušťce desky t)
18
Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
• Postup výpočtu hot-spot napětí na základě MKP analýz (IIW):
MKP výpočet
Velikost
elementů
a)  0,4t x t
b) < 4 x 4 mm
a)  0,4t x t
a) t x t
b) 10 x 10 mm
Typ a) – napětí závisí na tloušťce
Typ b) - napětí nezávisí na tloušťce
Napětí v rohových uzlech
Napětí v rohových uzlech
σ hs  1,67  σ0, 4t  0,67  σ1,0t
σ hs  3  σ 4mm  3  σ8mm  σ12mm
Napětí v rohových uzlech
σ hs  2,52  σ0,4t  2,24  σ0,9t  0,72  σ1,4t
Napětí v mid-side uzlech
σ hs  1,50  σ0,5t  0,50  σ1,5t
Napětí v mid-side uzlech
σ hs  1,50  σ5mm  0,50  σ15mm
19
Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
• Postup výpočtu na základě experimentu (tenzometrického měření):
Experiment
Typ a)
Typ b)
Dva tenzometry
Tři tenzometry
εhs  1,67  ε0,4t  0,67  ε1,0t
εhs  3  ε4mm  3  ε8mm  ε12mm
Tři tenzometry
εhs  2,52  ε0,4t  2,24  ε0,9t  0,72  ε1,4t
•
Přepočet na napětí:
σ hs  E  εhs
20
Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
• Volba S-N křivek konstrukčním uzlům podle International Institue of
Welding  FAT třídy S-N křivek:
Stejná sada křivek FAT
S-N křivek jako v
případě nominálních
napětí
21
Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
• Volba S-N křivek konstrukčním uzlům podle International Institue of
Welding  FAT třídy S-N křivek:
Stejná sada křivek FAT
S-N křivek jako v
případě nominálních
napětí
22
Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
Path-2
• MKP modely (ne)obsahují svarové detaily (objemové, skořepinové
modely):
23
Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
• MKP modely (ne)obsahují svarové detaily (objemové, skořepinové
modely):
• 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 of
24
technology, Gothenburg, Sweden 2012
Predikce únavové životnosti na základě hot-spot napětí
• MKP modely (ne)obsahují svarové detaily (objemové, skořepinové
modely):
[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.
M. Aygül: Fatigue Analysis of Welded
Structures Using the Finite Element
Method, Chalmers university of
technology, Gothenburg, Sweden 2012
[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.
25
2c) 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
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• Hypotéza průměrných napětí (the stress averaging approach) – Neuber.
Fricke W., "Guideline for Fatigue Assessment by Notch Stress
Analysis for Welded Structures", IIW Doc. XIII-2240r108/XV-1289r1-08, 2008.
28
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• Aplikace tohoto přístupu vyžaduje detailní modelování svarových spojů:
29
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• 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.
N
30
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• 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
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• Další modifikaci únavových křivek (FAT225) lze provést s ohledem na
následující faktory:
– Střední 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
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• MKP modelování – submodeling (požadavek jemné MKP sítě):
33
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• MKP modelování – submodeling (požadavek jemné MKP sítě):
34
Predikce únavové životnosti na základě vrubových elastických
napětí v kořeni/patě svaru
• MKP modelování – submodeling (požadavek jemné MKP sítě):
M. Aygül: Fatigue Analysis of Welded
Structures Using the Finite Element
Method, Chalmers university of
technology, Gothenburg, Sweden 2012
35
Aplikace programů ANSYS při predikci únavového poškození svařovaných
konstrukcí – Fatigue module
• Kumulace únavového poškození se provádí podle S-N křivky FAT225
(IIW recommendation).
FAT225
36
Aplikace programů ANSYS při predikci únavového poškození svařovaných
konstrukcí – Fatigue module
• Experimentální validace relevance S-N křivky FAT225:
37
Aplikace programů ANSYS při predikci únavového poškození svařovaných
konstrukcí – Fatigue module
• Experimentální validace relevance S-N křivky FAT225:
38
Rekapitulace
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
39
2d) Predikce únavové životnosti
na základě lokálních elastických
napětí v kořeni/patě svaru
40
Predikce únavové životnosti na základě lokálních elastických napětí v
kořeni/patě svaru
• 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.).
41
Predikce únavové životnosti na základě lokálních elastických napětí v
kořeni/patě svaru
• Příklady tabelovaných analyticko-empirických vztahů pro výpočet FIN K
(IIW recommendation):

K  π  a σ mem  Ymem  M k ,mem  σben  Yben  M k ,ben

42
Predikce únavové životnosti na základě lokálních elastických napětí v
kořeni/patě svaru
• Predikce únavového poškození je založena na sčítání inkrementálních
přírůstků délky trhliny, které jsou vypočteny pomocí tzv. Parisova vztahu:
da
 C0  ΔK m ,
dN
a
fin
da
pokus ΔK  ΔKth 
 0  N   C0  ΔK mda
dN
aini
• Doporučené hodnoty parametrů růstových zákonů:
Doporučené parametry predikčních modelů (IIW recommendation)
Materiál
Ocele
Al slitiny
C0
1,5810-11[m, MPam]
1,2710-9 [m, MPam]
m
3
3
Kth
6,0-4,56R > 2
2,0-1,5R > 0,7
43