Structural stress assessment for butt-welded thin plates
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-01-22
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
ENG25 Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
67
Series
Abstract
In order to reduce the environmental and economic impact of shipbuilding, the development of energy-efficient lightweight ship structures has been a research focus in the last decades. Ships are mainly constructed of welded plates with a minimum thickness of 5-mm, due to limitations in current shipbuilding design codes and fatigue assessment recommendations. In order to enable the use of thinner plates, a general improvement in the structural assessment practices is needed. The present thesis focuses on the experimental and analytical structural hot-spot stress assessment of 4-mm butt-welded thin and slender plates with a curved welding-induced distortion made of S355 steel. Monotonic tensile test is used to validate an analytical model for the estimation of the stress magnification factor (km) due to axial and angular misalignment. The analytical model uses the Euler-Bernoulli beam theory extended to moderate rotations under either pinned or fixed boundary conditions and in its linear-elastic range. Differently from the model currently recommended by the International Institute of Welding (IIW), the one under validation also considers the local angular misalignment due to a half-sine shape of the distortion. The experimental study included the measurement of the geometry via structured light 3D scanning, in addition to strain gauge measurements under varying load level. The suitability of Digital Image Correlation (DIC) for the strain measurements in the context of structural hot-spot stress assessment was also addressed. Linear and quadratic extrapolations for the computation of the km factor were conducted as indicated by the IIW. It was found that the km values obtained using the improved model are close to the experimental data and more accurate than the ones based on the current IIW recommendation. The average error percentage for the improved formulation was 4 – 6 %, with a maximum of 14 %, when describing the curvature by its maximum amplitude and assuming fixed boundary conditions. These results were obtained after careful application of the extrapolation method due to unexpected behaviour of strains on the surface of the material, possibly caused by the undercut near the weld. Thus, further research is required to assess the suitability of the extrapolation procedures indicated in the current recommendations for plates thinner than 5 mm.Laivanrakennuksen ympäristö- ja talousvaikutusten vähentämiseksi energiatehokkaiden kevyiden laivarakenteiden kehittäminen on ollut viime vuosikymmeninä tutkimuksen kohteena. Laivat valmistetaan pääasiassa hitsatuista levyistä, joiden paksuus on vähintään 5 mm, johtuen nykyisistä luokituslaitosten säännöistä ja väsymislaskentasuosituksista. Ohuempien levyjen käytön mahdollistamiseksi tarvitaan parannuksia rakenteiden arviointiin. Tämä opinnäytetyö keskittyy kokeelliseen ja analyyttiseen rakenteelliseen jännityksen arviointiin 4 mm:n päittäishitsatuilla ohuilla ja hoikilla levyillä, joissa on kaareva hitsauksen aiheuttama vääristymä ja jotka on valmistettu S355-teräksestä. Monotonista vetokoetta käytetään validoimaan analyyttinen malli aksiaali- ja kulmavirheestä johtuvan jännityksen suurennuskertoimen (km) arvioimiseksi. Analyyttinen malli hyödyntää Euler-Bernoullin palkkiteoriaa, jossa oletetaan siirtymien olevan pieniä, kiertymien kohtalaisia ja materiaalin säilyvän lineaariselastisella alueella. Kansainvälisen hitsausinstituutin (IIW) tällä hetkellä suosittelemasta mallista poiketen validoitavassa mallissa otetaan huomioon myös hitsauksesta joh-tuva ohuen levyn kaareva puolisinikäyrämäinen muoto. Kokeellinen tutkimus sisälsi geometrian mittaamisen 3D-skannauksella, venymäliuska mittausten lisäksi vaihtelevalla kuormitustasolla. Työssä käsitellään myös digital image correlation (DIC) -tekniikan soveltuvuutta jännitysmittauksiin rakenteellisen jännityksen arvioinnin yhteydessä. Lineaariset ja kvadraattiset ekstrapoloinnit km-kertoimen laskemiseksi suoritettiin IIW:n osoittamalla tavalla. Lopussa havainnoitiin, että parannetulla mallilla saadut km-arvot ovat lähellä kokeellisia arvoja ja tarkempia kuin nykyisten IIW-suosituksien mukaisesti lasketut. Parannellun mallin keskimääräinen virheprosentti oli 4 – 6 %, maksimi 14 %, kun kaarevuutta kuvataan sen maksimiamplitudilla ja käytetään jäykästi tuettu -reunaehtoa. Nämä tulokset saatiin ekstrapolointimenetelmän huolellisen soveltamisen jälkeen, mikä johtui materiaalin pinnalla esiintyvien jännitysten odottamattomasta käyttäytymisestä, joka mahdollisesti johtui hitsin lähellä olevasta reunahaavasta. Tästä syystä tarvitaan jatkotutkimuksia, jotta voidaan arvioida tällä hetkellä suositeltujen ekstrapolointimenetelmien soveltuvuus alle 5 mm ohuiden levyjen tapauksessa.Description
Supervisor
Remes, HeikkiThesis advisor
Mancini, FedericaLehto, Pauli
Keywords
stress magnification factor, structural stress, tension test, DIC