Weld Challenge

Czy można skutecznie wyznaczyć trwałość zmęczeniową połączeń spawanych?

Trwałość zmęczeniowa połączeń spawanych jest zagadnieniem z jakim na co dzień zmaga się wielu inżynierów. Jest to jednocześnie jedno z najtrudniejszych wyzwań z jakimi muszą się w swojej pracy mierzyć. Z jednej strony połączenie spawane, będące oczywistym karbem, jest zazwyczaj najsłabszym elementem konstrukcji i często decyduje o jej trwałości i bezpieczeństwie. Z drugiej strony obliczenie trwałości zmęczeniowej połączenia spawanego jest zadaniem nietrywialnym, ze względu na sam proces spawania oraz zachodzące na jego skutek zmiany w materiale rodzimym oraz w samej spoinie. 

Większość stosowanych w praktyce metod projektowych, w tym m.in. zgodnych z normami BS5400/7608, DVS1612/1608 i EuroCode 3/9, wymaga olbrzymiego doświadczenia oraz dużego nakładu pracy, aby uzyskać wartościowe wyniki, które są bardzo konserwatywne a jednocześnie mimo wszystko mało dokładne. Obecnie, gdy z jednej strony wymagania dot. bezpieczeństwa i trwałości konstrukcji nieustannie rosną, a z drugiej strony cały czas szuka się nowy, lżejszych i tańszych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych, kwestia skutecznych metod obliczania trwałości zmęczeniowej połączeń spawanych staje się paląca jak nigdy dotąd.

Problem ten jest najbardziej widoczny w branżach szeroko rozumianego transportu (motoryzacja, pojazdy szynowe, okrętownictwo), energetyki (konstrukcje wsporcze siłowni wiatrowych, platformy i instalacje morskie) oraz maszynowego (maszyny, pojazdy robocze i użytkowe). Wiele ośrodków badań i rozwoju, instytutów badawczych oraz uczelni realizuje od wielu lat liczne projekty i badania w zakresie metod i narzędzi do obliczania trwałości zmęczeniowej połączeń spawanych.

W 2003 firma John Deere, dobrze znany producent maszyn i pojazdów roboczych, we współpracy z Uniwersytetem Waterloo w Kanadzie podjęły się organizacji niecodziennego projektu w ramach Fatigue Design and Evaluation Committee (pod auspicjami SAE) - Weld Challenge. Ogłoszono konkurs na wykonanie obliczeń zmęczeniowych konstrukcji spawanej jak na zdjęciu poniżej:

weld12TtubeIntro.png

(Fatigue Design + Evaluation Committee of the SAE, University of Waterloo)

Konstrukcja ta składała się z dwóch elementów rurowych o przekrojach prostokątnych (grubość ścianki 8mm) wykonanych ze stali ASTM A36 połączonych za pomocą spoin pachwinowych. Właściwości zmęczeniowe materiału udostępniono uczestnikom konkursu. Przyjęto następujące warunki zamocowania i obciążenia:

grpltorWeldsign.png

(Fatigue Design + Evaluation Committee of the SAE, University of Waterloo)

Cykliczne obciążenie o wartości 17.8 kN zadano jako zmienne symetrycznie (R=-1), o stałej amplitudzie. W kolejnych latach, podczas kolejnych edycji Weld Challenge rozpatrywano również obciążenie o zmiennej amplitudzie.

Organizatorzy wykonali 12 pełnowymiarowych próbek, które poddali eksperymentalnym badaniom zmęczeniowym, zgodnie z powyższym opisem. Ich wyniki pokazano na rysunku poniżej:

weld1-resultsR-1_P4kip.png

(Fatigue Design + Evaluation Committee of the SAE, University of Waterloo)

Jednocześnie zaproszono wszystkich chętnych do przesyłania wyników obliczeń trwałości zmęczeniowej postawionego problemu dowolną metodą. W konkursie udział wzięło 8 podmiotów (firm, uczelni, instytutów badawczych). Spośród wszystkich nadesłanych wyników bezdyskusyjnie najbardziej dokładne okazały się obliczenia wykonane metodą Verity® (tzw metoda Donga) przez instytut Battelle. Metoda tzw naprężeń strukturalnych Verity® nie tylko prawidłowo przewidziała lokalizację miejsc inicjacji uszkodzenia, ale przede wszystkim obliczona liczba cykli do uszkodzenia została określona z błędem w granicach od 2-12%. Rozwiązanie metodą Verity® okazało się też najmniej zależne od przyjętej do obliczeń MES siatki - rozrzut wyników wynosił dla różnych siatek poniżej 10%. W kolejnych edycjach tego konkursu metoda Verity® potwierdziła swoją skuteczność dla coraz trudniejszych przypadków.


Tematyce obliczeń zmęczeniowych połączeń spawanych poświęcone będzie seminarium „Trwałość połączeń spawanych: Nowe metody – Nowe narzędzia – Nowe możliwości" organizowane 13 czerwca w Krakowie przez firmę BUDSOFT (partnera DS SIMULIA) razem z Dassault Systèmes i Instytutem Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Warszawskiej. Cykl wykładów poprowadzi dr inż. Paweł Sobczak z Dassault Systèmes SIMULIA, wieloletni pracownik firmy Safe Technology. Na seminarium omówione zostaną stosowane obecnie metody obliczeń zmęczeniowych spawów, ich wady i zalety oraz zakres stosowalności w praktycznych, przemysłowych zastosowaniach. Przedstawione zostaną również metody obliczania trwałości zmęczeniowej spawów na tle obowiązujących norm i standardów w różnych gałęziach przemysłu. Główna część tego seminarium dotyczyć będzie metody Verity®. Szczegółowy program seminarium można znaleźć tutaj. Seminarium jest bezpłatne. Ze względu na ograniczoną liczbę miejsc wymagana jest jednak wcześniejsza rejestracja.


http://www.budsoft.com.pl/welddurabilityday2017