Numerical fatigue strength assessment of welded steel structures
Kaynaklı çelik yapıların sayısal olarak yorulma dayanımlarının belirlenmesi
- Tez No: 421152
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 166
Özet
Tekrarlı yüklemelere maruz bırakılan makina parçalarında ve/veya mekanik yapılarda oluşan hasarların başlıca nedeni yorulmadır. Hasar analizi sonuçlarına dayanılarak, imal edilen çelik yapılarda yorulma hasarının çoğu kez gerilme yığılmasının çok yüksek olduğu, çentik etkisine sahip kaynak geometrilerinden başladığı görülmüştür. Gerilme yığılmasının olduğu bölgelerin haricinde, bağlantının yorulma dayanımına etki eden çok sayıda faktör bulunmasından dolayı, kaynaklı bağlantı bölgeleri, ana taşıyıcı elemanlara göre çok daha düşük yorulma dayanımına sahiptir. Bahsi geçen faktörler arasında en önemli etkiye sahip olanlar, ısı tesiri altındaki bölgenin mikro yapısal etkileri ve kaynak işleminden dolayı meydana gelen artık gerilmelerdir. Artık gerilmeler ve ısı tesiri altındaki bölgenin mikro yapısal etkilerinin haricinde, kaynak işlemi sırasında kaynak dolgu malzemesinin bölgede meydana getireceği homojen olmayan yapı, kaynak işlemi sırasında genellikle işçilik kusurları sebebiyle meydana gelen kaynak bölgesindeki gözenekli yapı, işlem sırasında oluşan dikiş bindirmeleri gibi problemler bölgenin mekanik ve kimyasal kompozisyonunu değiştirmekte ve yapısal olarak yorulma dayanımının önemli ölçüde azalmasına neden olmaktadır. Bahsi geçen bu etmenler sebebiyle kaynaklı bölgenin özellikle kaynak dibi veya kaynak kökünden (yükleme şartına ve kaynak konfigürasyonuna bağlıdır) hasara uğraması kaçınılmazdır. Hasarı engellemek adına, akademisyenler ve mühendisler, ilgili bölgelerin yorulma mukavemetini arttırabilmek adına çeşitli yöntemler geliştirmişleridir. Kaynaklı bölgeye artık gerilmeyi giderebilmek adına ısıl işlem uygulanması, kaynak dibindeki gerilme karakteristiğinin değiştirilmesi (basma gerilmesi uygulanması) ve yapısal tasarımı , kaynaklı bölgeye gelebilecek gerilmeleri azaltmaya yönelik yeniden geliştirme bunlardan bazılarıdır. Çoğunlukla raylı taşımacılık, otomotiv endüstrisi, denizcilik endüstrisi alanında çalışan mühendisler için, yapısal tasarımda kaynaklı bağlantı kullanılması kaçınılmaz bir imalat yöntemidir. Bu nedenle, özellikle kaynaklı bağlantıların yorulma mukavemetinin bulunması ve kaynaklı bölgenin yorulma karakteristiğinin belirlenmesi, bu alanda çalışan mühendisler için çok önem arz etmektedir. Bu bahsedilen alanlardan başlamak şartıyla numerik veya analitik yöntemlerle kaynaklı bölgelerin yorulma mukavemetinin belirlenmesi adına birden fazla uluslararası standart ve kod geliştirilmiştir, geliştirilmektedir. Bu tez kapsamında bunlardan en önemlileri olan FKM, DVS1612 ve EuroCode 3 incelenmiştir. Her üç kod da kendine ait prensiplere, kaynak kalite parametrelerine ve yorulma mukavemetini tahakkuk etme teorilerine sahiptir. Bu kodların özet olarak nasıl işlediklerinden bahsetmeden önce bu tez kapsamında gerilme temelli yorulma mukavemeti değerlendirme metodu işlenmiştir. Dolayısıyla her üç kod da yapıdaki gerilmelerden yola çıkarak yorulma mukavemeti tayini yapmaktadır. İlk olarak FKM, Alman mühendis ve akademisyenler tarafından geliştirilen ve hala üzerinde çalışılan, analitik olarak yapıdaki ana taşıyıcıların ve kaynaklı bölgelerin yorulma mukavemeti tayini amacıyla, Avrupa başta olmak üzere dünyanın birçok yerinde kullanılan uluslararası bir teknik kılavuzdur. FKM kendi içinde, deneysel verilerden alınan parametreleri yine kendine ait teorileri kullanarak yapılarda yorulma mukavemeti tayini yapabilme kabiliyetine sahip prensipler içermektedir. Bu prensipleri oluşturan parametreler arasında: yorulma dayanımına en çok etki eden ortalama gerilmenin etkisi, geometrik çentik faktörleri, gerilmenin hesap edileceği bölgenin konumu gibi önemli kıstaslar yer almaktadır. FKM kılavuzu (kodu) mekanik yükler altında çalışan tüm yapısal tasarımlara uygulanabilmektedir. DVS 1612, yine Alman mühendis ve akademisyenler tarafından temelde raylı taşımacılık endsütrisinde kullanılmak üzere, kaynaklı yapılarda yorulma mukavemeti tayin etmek amacıyla geliştirilmiş / geliştirilmekte olan bir kılavuzdur. Kılavuz FKM 'de olduğu gibi kendine ait teoriler ve kaynak kalite parametereleri içermektedir. Bu parametreler vasıtasıyla yapıdaki kaynaklı alanların, verilen yükleme şartları altında yorulma dayanımını belirlemektedir. EN 1993-1-9 (EuroCode 3), İngiliz mühendisler ve akademisyenler tarafından geliştirilen ve kaynaklı bölgelerinin mukavemetini belirlemek amacıyla genellikle taşıyıcı yapılarda kullanılan uluslararası bir kılavuzdur. FKM ve DVS1612'de olduğu gibi, EuroCode 3 de kendine has kaynak kalite parametreleri ve yorulma dayanımını tayin edebilmek amacıyla teoriler barındırmaktadır. Diğer iki teoriden en önemli farkı, ortalama gerilme etkisinin bu kılavuz kapsamında, yapıdaki kaynaklı bölgelerinin yorulma mukavemetini tayin etmek üzere kullanılmaması / hesaba katılmamasıdır. Bahsedilen her üç teori de dünyanın birçok yerinde mekanik yapısal tasarım aşamasında kullanılmaktadır. Tez kapsamında, bahsi geçen üç kod, bir demiryolu aracının yorulma mukavemetini tayin etmek amacıyla kullanılmıştır. İstanbul Teknik Üniversitesi Mukavemet ve Biyomekanik Laboratuvarı akademisyenleri tarafından sayısal ve deneysel gerilme analizleri başarıyla yapılmış olan bu yük taşıma vagonunun yorulma dayanımının belirlenmesi amacıyla LIMIT yazılımı kullanılmıştır. LIMIT yazılımı, kendi içinde yukarıda bahsi geçen her üç kılavuzu da kullanabilmektedir. Tüm sayısal gerilme analizi çalışmaları İstanbul Teknik Üniversitesi Mukavemet ve Biyomekanik Laboratuvarı'nda bulunan süper bilgisayarlar aracılığıyla yapılmıştır. Sayısal vagon modelinin oluşturulması ve yükleme şartlarının vagona sonlu elemanlar ortamında uygulanması işlemi Hypermesh 13.0 yazılımı ile yapılmıştır. Oluşturulan sayısal vagon modeli, ABAQUS 6.13 programında çözdürülmüş ve sonuçlar, yorulma mukavemetinin tayin edilmesi amacıyla LIMIT yazılıma aktarılmıştır. Birbirine bağlı şekilde yapılan tüm nümerik çalışmalar neticesinde, daha önce bahsi geçen her üç kılavuz doğultusunda demiryolu yük vagonunun yorulma mukavemeti tayini yapılmıştır. Yapılan çalışmalar ve sonuçlar doğultusunda, değişken mekanik yükler altında çalışan makina parçaları ve mekanik yapıların kaynaklı bölgelerinin yorulma tayini yapılması çok fazla önem arzetmektedir. Yapıların hem statik, hem de dinamik yükler altında çalışması sebebiyle, statik ve yorulma dayanımlarının, yapının hem ana taşıyıcılarında hem de birleşim noktalarında, kaynak, yapılması gerekmektedir. Kaynaklı bölgelerde yapılan yorulma mukavemeti tayini, yapının hem ana tasarımını değiştirebileceği gibi, yapının kritik bölgelerinde tahribatsız periyodik muayene yapılması gerekliliğini ve kaynak işlemi sonrası kaynaklı bölgede iyileştirme çalışması yapılması gerekliliğini de ortaya çıkarabilmektedir. Çalışmanın sonucu olarak, kaynaklı bölgelerin yorulma karakteristiğinin incelenmesi ile yapısal tasarım arasında güçlü bir bağ bulunmaktadır. Kaynaklı bölgelerin yorulma dayaınımın arttırılması, tasarımın değiştirilmesi ile mümkün olacağı gibi, kaynak işlemi sonrası kaynaklı bölgede iyileştirme çalışmalarının yapılması ve yapının ek parçalar ile güçlendirilmesi ile de mümkündür. Yapının ek parçalar ile güçlendirilmesi yapıya ek bir kaynak getirmesi sebebiyle, temel olarak yapının yorulma mukavemetinin belirlenmesi ve güvenli tasarımın ortaya çıkarılabilmesi, yapının gerilme durumunun çok iyi okunabilmesi ile mümkündür.
Özet (Çeviri)
Fatigue of metals has been an area of mechanical sciences that yet has not been completely well understood. There has been much research and many studies about mechanical behavior of fatigue evaluation of metals. Besides this, fatigue of welded components is even more complex. Apart from the thermal cycles during welding, which enormously affect the base material and introduce residual stresses and distortion to the weld zone, the fusion process of filler leads to very heterogeneous micro structures, varying the materials' mechanical properties and chemical composition throughout the neighbouring area of the joint. Moreover, weld defects like porosity, slag inclusions, undercuts and overlap, among others, can significantly reduce the fatigue strength. All these reasons create a proper environment for especially weld toe cracking, which is the most critical area of welding (strongly depends on the loading conditions). Based on identified source of problems, several improvement techniques have been developed and they have proven to increase the fatigue strength of welded area by inducing compressive stresses in weld toe, modifying the mechanical design into smoother geometries, modifying the welding techniques and processes, and similar. Fatigue mechanisms around the welded area of structures has been a major area of investigation for engineers especially for those working in the area of rail vehicle, automotive, naval and construction equipment industries. Mainly being initiated from these industries, many studies and codes have been developed for evaluating the fatigue conditions welded areas by both academic and industrial authorities. In this study, numerical fatigue strength assessment in welded areas were considered on a preferential basis according to internationally accepted codes, including FKM (Forschungkuratorium Maschinenbau), DVS 1612, and EuroCode 3 (EC3, EN-1993-1-9). Each of these international codes have their own assessment theory and technique for the fatigue strength assessment of welded structures. To be able to understand the fatigue behaviour in the welded areas, structural fatigue theories should have been well understood. In this study, stress-based fatigue analysis theory have been processed and implemented via numerical methods. Fatigue strength assessment of welded structures and evaluation of stresses in notched areas can be processed numerically either with manual calculations or commercial software packages. In this study, for fatigue stress assessment in welded areas a software package LIMIT 2015 was used in accordance with ABAQUS/Standard. It has been seen that; numerical methods can be used for strength assessment by comparing theoretical solutions to numerical outputs for different codes. Based on the specifically chosen examples, it can be concluded that, analysing the fatigue behaviour in welded areas has a strong relationship with the structural design process. To be able to increase the fatigue life of welded areas of the structure, it may be needed to alter the structural design in accordance with the fatigue behaviour in welded areas. Even statically safe and approved designs have to be fully analysed according to fatigue behaviour in their welded areas or joints.
Benzer Tezler
- Çelik kiriş-kolon birleşimlerinin düşük tekrarlı yorulma davranışına yükleme hızının etkisi
Effect of loading rate on low cycle fatigue behaviour of steel beam-to-column connections
ÖVÜNÇ TEZER
Doktora
Türkçe
2013
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ERDOGAN UZGİDER
- Gemi yapılarında gerilme yığılması öngörülerinin kaba ağ yapısı ve makine öğrenmesi ile gerçekleştirilmesi
The forecasting of stress concentration in ship buildings by using rough mesh structure and machine learning method
BURÇİN ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERDAR AYTEKİN KÖROĞLU
- Metalik biyomalzemelerin değerlendirilmesinde risk temelli bir karar modeli önerisi
A risk-based decision model proposal in the evaluation of metallic biomaterials
HİLAL SİNGER
Doktora
Türkçe
2023
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSakarya ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TİJEN ÖVER ÖZÇELİK
- Hidrolik giyotin makas için dinamik zorlanma durumunun sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
Analysis of dynamic forcing for hydraulic guillotine shear with finite element method
MUSTAFA KAĞAN ATILGAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK
- Ağır ticari aracın dizel motoruna ait egzoz manifoldunun ısıl olarak incelenmesi
Thermal investigation of exhaust manifold for a heavy commercial vehicle diesel engine
BURAK YALÇINDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU