Määritämme teräs- ja alumiinirakenteiden väsymiskestävyyksiä useilla eri menetelmillä.

Koneiden vauriot

Koneiden vaurioista 70-80 prosenttia johtuu metallin väsymisestä. Metallissa vaikuttava jännitysvaihtelu voi aiheuttaa rakenteen vaurioitumisen, vaikka rakenneosan nimellinen jännitysvaihtelu on vain murto-osa metallin myötö- tai murtolujuudesta.

Tyypillisiä rakenteita

Tyypillisiä väsyviä rakenteita ovat rakenteet joiden kuormitus vaihtelee. Esimerkiksi pyörivän akselin kuormitus muuttuu miljoonia tai jopa satoja miljoonia kertoja käyttöikänsä aikana. Myös nosturit joutuvat kohtuullisen suuren kuormitusvaihtelun alaisiksi samalla kun nostojaksoja tulee niitäkin todennäköisesti suuri määrä. Tuulen aiheuttama värähtely voi aiheuttaa savupiippuihin ja mastoihin satoja miljoonia kuormitussyklejä.

Menetelmät

Laskemme vaihtokuormitettujen rakenteiden väsymiskestävyyksiä useilla eri menetelmillä. Lisäksi teemme kenttämittauksia väsyttävän kuorman suuruuden ja kuormitussyklien määrän selvittämiseksi.

Nimelliseen jännitysvaihteluun perustuva menetelmä

Nimelliseen jännitysvaihteluun perustuvaa menetelmää käyttävät useimmat normit. Menetelmä saattaa tuntua karkealta, mutta sillä saadaan kuitenkin nopeasti suhteellisen luotettava väsymiskestoikäennuste yleisimmille detaljeille.

Rakenteellisen jännityksen vaihteluun perustuva menetelmä

Tämä menetelmä tunnetaan myös Hot Spot -menetelmänä. Maalla olevien rakenteiden laskentaan hot spot -menetelmä on tullut off shore -rakenteiden laskennasta. Menetelmä on siinä mielessä nimelliseen jännitysvaihteluun perustuvaa menetelmää tarkempi, että sillä voidaan laskea kriittisen yksityiskohdan mittasuhteiden vaikutusta väsymiskestoikään. Lisäksi menetelmällä voidaan analysoida useiden liitosvirheiden vaikutusta väsymiskestoikään. Menetelmän soveltaminen maalla olevien rakenteiden laskennassa on melko uutta ja sen standardisointi on vielä hieman kesken, vaikka sitä käytetäänkin yleisesti väsymismitoituksessa. Ainakin Eurocode sisältää maininnan menetelmästä ja IIW tuottaa säännöllisesti standardin tapaisisia julkaisuja menetelmästä.

Tarvittaessa voimme tuottaa menetelmän käyttäjille uusia Ks-kerroinyhtälöitä, joita käytetään menetelmän mukaisessa väsymiskestoiän laskennassa.

Paikalliseen lovijännitykseen perustuva menetelmä

Paikalliseen lovijännitykseen perustuvaa menetelmää käytetään koneenosien mitoittamiseen äärettömälle kestoiälle.

Efektiivisen lovijännityksen menetelmä

Efektiiviseen lovijännitykseen perustuva menetelmä (Effective Notch Method) on erityisen soveltuva hitsiliitoksille, joissa särö on mahdollista ydintyä juuren puolelle. Tämä menetelmä on esitetty mm. IIW:n suosituksissa.

Murtumismekaniikka

Murtumismekaaniset menetelmät ovat ehkä kaikkein tarkimpia välineitä väsymiskestoiän määrityksessä. Niiden käyttö vaatii käytännön työskentelyssä

  • särön kasvun integrointia käsikirjojen yhtälöillä, tai
  • FE-mallinnusta yhdessä painokerroinfunktion kanssa, tai
  • murtumismekaanista simulointia (esim. BEM tai FEM)

Murtumismekaaninen simulointi jakaantuu karkeasti taso- ja 3D-tapauksiin. Tasotapausten simulointiin käytämme Franc2D -ohjelmistoa ja 3D-tapausten simuloinnissa Franc3D -ohjelmistoa.

Viitteet

  1. SFS-EN 1993-1-9 Eurocode 3: Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1-9: Väsyminen
  2. AD Merkblatt S2 Analysis for cyclic loading
  3. IIW doc. XIII-1965-03/XV-1127-03 Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components, Hobbacher, A. 2003
  4. Franc2D