A study on effectiveness limitations of high-frequency mechanical impact
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2016-05-27
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
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
122
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 81/2016
Abstract
High-frequency mechanical impact (HFMI) has recently emerged as an efficient and user-friendly method for improving the fatigue strength of welded steel structures. Further benefit from the treatment can be obtained by using high-strength steels, as the level of improvement depends on steel strength. As a result, HFMI offers potential for high-strength lightweight design of welded structures. This is of interest in industries like shipbuilding and bridge construction, where welding is a widely used joining method. However, for standardizing HFMI as a weld toe improvement method, the limitations of the technology need to be understood. HFMI-treatment introduces compressive residual stresses at the weld toe, improves the local geometry and strain hardens the treated surface region. However, the effectiveness of the treatment is considered to rely on the existence of compressive residual stresses. This means that high mean stresses and high peak loads during variable amplitude loading, which might relax these stresses, can limit the benefit from HFMI. Therefore, this work focuses on the effectiveness limitations of HFMI under different loading histories. The aim is to understand the influence of different loading histories on fatigue improvement and to evaluate proposed fatigue assessment guidelines for HFMI-treated joints. First, available fatigue data was analysed statistically to investigate the effects of high mean stresses and variable amplitude loading with respect to expected fatigue strength improvement. To study the behaviour of residual stresses further, the local material behaviour at the weld toe needs to be known. This was determined by strain-controlled fatigue tests of thin HFMI-treated steel sheet specimens. The resulting data was used in simulations of local stress-strain response at an HFMI-treated transverse attachment to investigate the effects of stress ratio and peak loads on fatigue damage. Finally, allowable peak stresses in HFMI-treated welded joints were discussed based on the numerical results and available experimental data. The statistical analysis showed that the proposed fatigue assessment guidelines fit the current high mean stress and variable amplitude loading data. However, in some cases the proposed allowable stress limits were too conservative. This occurred even when residual stress relaxation was expected based on previous measurements and the current numerical results. The simulations indicated fatigue improvement due to weld toe geometry improvement and strain hardening as the reason. A maximum stress range of 1.2 times yield strength for negative stress ratios and maximum stress ratio of 0.7 were suggested as new design limits. However, further experimental and numerical work is recommended to confirm these limits.Suurtaajuusvasaroinnilla (high-frequency mechanical impact – HFMI) parannetaan hitsattujen teräsliitosten väsymislujuutta. HFMI on tehokas ja käyttäjäystävällinen menetelmä, jonka vaikuttavuus on erityisen suuri lujilla teräksillä. Käsittelyä voidaan siten hyödyntää suunniteltaessa entistä lujempia ja kevyempiä hitsattuja rakenteita. Tämä on tarpeellista eri teollisuudenaloilla, kuten laivan- ja sillanrakennuksessa, joissa hitsaaminen on yleinen liittämismenetelmä. HFMI-käsittelyn käytettävyyden rajat on kuitenkin ymmärrettävä ennen kuin menetelmä voidaan standardoida. HFMI luo puristavia jäännösjännityksiä hitsisauman rajaviivalle, parantaa paikallista geometriaa ja muokkauslujittaa käsitellyn pintakerroksen. Käsittelyn tehokkuuden katsotaan kuitenkin riippuvan jäännösjännitysten olemassaolosta. Korkeat keski- ja maksimijännitykset, jotka voivat laukaista nämä jännitykset, rajoittavat siten käsittelystä saatavaa hyötyä. Tämä työ keskittyy HFMI-käsittelyn vaikuttavuuden rajoituksiin eri kuormahistorioilla. Tavoitteena on ymmärtää eri kuormahistorioiden vaikutukset liitoksen väsymislujuuteen ja arvioida HFMI-käsitellyille hitsausliitoksille esitettyjen väsymislujuusluokkien oikeellisuus. Korkeiden keskijännitysten ja vaihtuva-amplitudisten kuormien vaikutuksia arvioitiin ensin aiempien väsytyskoetulosten perusteella. Väsymislujuudet analysoitiin tilastollisesti eri tapauksille, ja tuloksia verrattiin esitettyihin lujuusluokkiin. Jäännösjännitysten käyttäytymisen tutkimiseksi määritettiin HFMI-käsittelyn vaikutus teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Väsytyskokeet tehtiin ohuilla HFMI-käsitellyillä koekappaleilla. Koetulosten avulla mallinnettiin paikallista jännitys-venymä –käyttäytymistä poikittaisliitoksessa. Tulosten perusteella arvioitiin ylikuormien ja eri keskijännitysten vaikutuksia väsymisvaurioon hitsisauman rajaviivalla. Lopuksi tarkasteltiin HFMI-käsitellyissä hitsausliitoksissa sallittavia maksimijännityksiä. Tilastollisen analyysin perusteella esitetyt väsymislujuusluokat eri keskijännityksille ja vaihtuva-amplitudisille kuormille sopivat aikaisempiin koetuloksiin. Jossain tapauksissa väsymislujuudet olivat selvästi odotettua korkeampia, vaikka sekä aiemmat mittaukset että nykyiset simulaatiot viittasivat jäännösjännitysten laukeamiseen. Numeerisen analyysin perusteella hitsin rajaviivan geometrian parantaminen ja muokkauslujittuminen johtavat odotettua korkeampaan väsymislujuuteen. Suurimmaksi jännityksen vaihteluväliksi negatiivisilla jännityssuhteilla voitaisiin sallia 1,2 kertaa teräksen myötöraja. Kuormasyklin minimijännityksen taas esitetään olevan korkeintaan 0,7 kertaa sen maksimijännitys. Näiden rajojen varmistamiseksi suositellaan kuitenkin lisäkokeita ja –analyyseja.Description
Supervising professor
Marquis, Gary, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Remes, Heikki, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandKeywords
high-frequency mechanical impact (HFMI), fatigue improvement, high-strength steel, residual stress, strain hardening, notch stress, suurtaajuusvasarointi, väsymislujuuden parantaminen, luja teräs, jäännösjännitys, muokkauslujittuminen, lovijännitys