Trwałość zmęczeniowa złączy spawanych elementów konstrukcyjnych

Transkrypt

1 Trwałość zmęczeniowa złączy spawanych elementów konstrukcyjnych Prof. dr hab. inŝ. Tadeusz ŁAGODA Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Wydział Mechaniczny Politechnika Opolska

2 Maurzyce (1928)

3

4 P b) P NapręŜenia osiowe σ max napręŝenia nominalne σ max NapręŜenia obwodowe NapręŜenia poprzeczne NapręŜenia promieniowe P P

5

6

7 Promień w dnie karbu złącza spawanego dąŝy do zera. W związku z tym napręŝenia dąŝą do nieskończoności Griffith zajął się następującym problemem: obliczenia teoretyczne wykazały, Ŝe napręŝenie w wierzchołku ostro zakończonego pęknięcia zbliŝa się do nieskończoności. Zgodnie z tym, kaŝda konstrukcja zawierająca pękniecie(złącze spawane) powinna ulec uszkodzeniu, niezaleŝnie od wielkości pęknięcia czy wielkości obciąŝenia.

8 J. Martinsson, Fatigue Assessment of Complex Welded Steel Structures

9 ObciąŜenie Geometria Wytrzymałość zmęczeniowa Materiał Sposób wykonania spoiny

10 σ a τ a m σ = 3 m σ = 5 m τ = 5 σ af τ af N f cykle 5* Eurocode 3

11 NapręŜenia nominalne

12 - World Centre for Materials Joining Technology

13 - World Centre for Materials Joining Technology

14 Japan Society of Steel Construction (JSSC), 1993, Fatigue Design Recommendation for Steel Structures

15 Hiroyuki YOKOTA and Kengo ANAMI- Local stress approach for fatigue assessment of welded joint

16 - World Centre for Materials Joining Technology BS 7608

17 - BS 7608 "Code of practice for Fatigue design and assessment of steel structures".

18 m = 3 Comparison of JSSC Fatigue Design Recommendations for Steel Structures to IIW and AASHTO Recommendations MIKI s Steel Structures and Bridges Engineering Laboratory, Tokyo Institute of Technology

19 FAT m = 5 m = 3

20

21 FAT

22 FAT stal stop aluminium

23 N m FAT 6 FAT f = 2 10 = σ σan m 6

24 θ ρ t 500 σ an MPa S355N S355M S690Q S960Q 100 σ = 1078 ( ) an N f 0,155 FAT N f, cykle

25 θ ρ t σ an MPa S355N S355M S690Q S960Q σ = 5279 ( ) an N f t 0, FAT 71 N f, cykle

26 m = 5

27

28

29 Hot Spot Hobbacher A., Fatigue design of welded joints and components

30

31 Promień fikcyjny

32 Hobbacher A., Fatigue design of welded joints and components

33 Θ ρ

34 ρf = ρ + s ρ* gdzie: ρ promień rzeczywisty ρ* - promień charakterystyczny s współczynnik wieloosiowości

35 ρf = s ρ* ρ *, mm Staliwom i satlowe złącza spawane 0.3 Stale austenityczne stopy Al, Cu, Mg Stale R p0.2, MPa

36

37 Rozciąganie (HMH) ρf = 1,00 mm Stal (złącze spawane) ρfb = 1,16 mm ρft = 0,4 mm Stop aluminium (złącze spawane) ρfb = 0,29 mm ρft = 0,1 mm

38

39

40

41

42 ZŁĄCZE SPAWANE JAKO KARB ZŁOśONY K s wpływ struktury K w wpływ geometrii Spoiwo Strefa wpływu ciepła ρ 0 to σ Materiał rodzimy Przykład karbu złoŝonego 42

43 Karby geometryczne F Płaszczyzna odkształceń Płaszczyzna napręŝeń σ y, ε y σ z ε x a y z Część samolotu jako przykład przedstawiający kilka typów karbów geometrycznych. x F Stan napręŝenia i odkształcenia na powierzchni karbu obrączkowego przy rozciąganiu 43

44 Karby strukturalne (struktura i napręŝenia własne) a) b) Karb strukturalny przedstawiony jako: a) zmiana struktury stali na wskutek hartowania i odpuszczania w temperaturze 550 C, b) powierzchnia naborowanej stali narzędziowej 44

45 PRZEGLĄD METOD LOKALNYCH W UJĘCIU OCENY TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ ELEMENTÓW Z KARBEM 1. Teoretyczny współczynnik działania karbu K t 2. Zmęczeniowy współczynnik działania karbu K f 3. Xiao i Yamada złącze spawane K t = K W K S P.Biłous praca doktorska 45

46 ZMĘCZENIOWY WSPÓŁCZYNNIK DZIAŁANIA KARBU K f : Współczynnik K f interpretuje się poprzez porównanie napręŝeń w elementach gładkich z napręŝeniami w elementach z karbem. gdzie: σ sm σ not K f sm not - napręŝenie w elemencie gładkim; - napręŝenie w elemencie z karbem. = Najczęściej zmęczeniowy współczynnik działania karbu wyznacza się dla cykli i jest zaleŝny od liczby cykli Nf σ σ Kf (Nf ) = σsm (Nf ) σnot (Nf ) C.M. Sonsino, F. Ellyin 46

47 MATERIAŁ Do badań zmęczeniowych została wybrana stal konstrukcyjna S355N - EN :1998. a) b) Struktura stali S355N a) przy powiększeniu x200, b) przy powiększeniu x500 47

48 Badania literaturowe i własne Próbki o grubości blach 10 mm K t =2,06 - ROZCIĄGANIE- ŚCISKANIE Próbki o grubości blach 30 mm K t =2,82 - ZGINANIE WAHADŁOWE Geometria próbki ze spoiną czołową typu X 48

49 K t = 2,82; σ n = 0 ρ = 0,31 mm, t = 6,5mm Zginanie wahadłowe Geometria próbki z naciętym obustronnym karbem geometrycznym typu V 49

50 K t = 2,06; σ n = 0 R = 3mm, t = 12,25mm Rozciaganie-ściskanie Geometria płaskiej próbki z naciętym obustronnym karbem geometrycznym typu U 50

51 BADANIA EKSPERYMENTALNE: CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE logn f = A-m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami spawanymi z zeszlifowanym licem spoiny. 51

52 BADANIA EKSPERYMENTALNE: CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE K t = 2,06; log N f = A - m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami z obustronnym karbem geometrycznym typu U. 52

53 BADANIA TEORETYCZNE: CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE K t =2,06 logn f = A-m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami spawanymi ze spoiną czołową typu X poddanych cyklicznemu rozciąganiu-ściskaniu. 53

54 BADANIA EKSPERYMENTALNE: ZGINANIE WAHADŁOWE K t = 2,82; log N f = A - m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami z obustronnym karbem geometrycznym typu V obciąŝonych cyklicznym momentem gnącym. 54

55 BADANIA TEORETYCZNE: ZGINANIE WAHADŁOWE K t =2,82 logn f = A-m logσ a Porównanie charakterystyk zmęczeniowych próbek gładkich z próbkami spawanymi ze spoiną czołową typu X obciąŝonych cyklicznym momentem gnącym 55

56 CYKLICZNE ROZCIĄGANIE-ŚCISKANIE : K gdzie: K S - wpływ zmiany struktury; K W - wpływ zmiany geometrii; α - wykładnik wpływu zmiany struktury; β - wykładnik wpływu zmiany geometrii. F ( N ) [ K ( N )] α [ K ( N )] β f = S f W f Wykładniki α i β wyznaczono numerycznie K K K F S W ( N f ) ( N f ) ( N ) f = A N = C N D = E N W rezultacie otrzymano ostateczną zaproponowaną zaleŝność dla cyklicznego rozciągania -ściskania B F K [ ] 0,396 K (N ) [ K (N ] 0, 952 F R (Nf ) = S R f W R f ) 56

57 ZGINANIE WAHADŁOWE: Analogicznie jak w przypadku cyklicznego rozciąganiaściskania otrzymano funkcję K F Z dla zginania K ( ) = ( ) F Nf KS Nf KW Nf [ ] α [ ( )] β gdzie: K S - wpływ zmiany struktury; K W - wpływ zmiany geometrii; α - wykładnik wpływu zmiany struktury; β - wykładnik wpływu zmiany geometrii. W rezultacie otrzymano ostateczną zaproponowaną zaleŝność dla zginania K [ ] 0,494 K (N ) [ K (N ] 1, 620 F Z(Nf ) = S Z f W Z f ) 57

58 CYKLICZNE ROZCIĄGANIE -ŚCISKANIE: Porównanie funkcji zmęczeniowego współczynnika działania karbu K F przebiegu z K F zaproponowanej przez Xiao Yamadę dla cyklicznego rozciągania -ściskania 58

59 ZGINANIE WAHADŁOWE: Porównanie funkcji zmęczeniowego współczynnika działania karbu K F przebiegu z K F zaproponowanej przez Xiao Yamadę dla wahadłowego zginania 59