Geri Dön

A comparison of fatigue strength assessment of seam-welded joints using methods of different standards used in rail vehicle construction

Demiryolu taşıtlarında kullanılan kaynaklı bağlantıların farklı standartlardaki yöntemler ile yorulma mukavemeti değerlendirmesinin karşılaştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 928462
  2. Yazar: ADA ÖZCEÇELİK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 191

Özet

Yorulma, bir malzemenin tekrarlı gerilmelere maruz kalması sonucu zamanla hasar görmesi ve sonunda kırılmaya uğraması sürecini ifade eder. Mühendislik bilimlerinde yorulma, hala tam olarak çözülememiş karmaşık bir araştırma alanıdır. Çelik yapıların yorulma dayanımı açısından yapılan hasar analizlerine göre, yorulma hasarlarının büyük çoğunluğu kaynak bölgelerinde, özellikle de gerilme yığılmasının yoğunlaştığı bölgelerde meydana gelmektedir. Kaynaklı bağlantılar, üretim süreçleri ve kullanım koşulları nedeniyle geleneksel bağlantılara kıyasla daha farklı yorulma mekanizmalarına sahiptir. Bunun başlıca nedeni, kaynak işleminin oluşturduğu artık gerilmeler, termal etkiler, mikroyapısal değişimler ve heterojen mekanik özelliklerdir. Kaynak işlemi sırasında, malzeme yüksek sıcaklıklara maruz kaldıktan sonra hızla soğur, bu da birleşim bölgesinde artık gerilmeler, geometrik deformasyonlar ve mikroyapı değişiklikleri oluşturur. Bunun yanı sıra, kaynak sırasında meydana gelebilecek gözenekler, çatlaklar veya ergime kusurları gibi imalat hataları da yorulma ömrünü önemli ölçüde azaltabilir. Özellikle kaynak dikişleri, gerilme yığılmalarına en duyarlı bölgeler olup yorulma çatlaklarının en sık oluştuğu yerlerdir. Bu tez, kaynaklı yapıların dinamik yükleme koşulları altında nasıl performans gösterdiğini anlamaya yönelik kritik ihtiyacı ele alarak, raylı araç yapımında kaynaklı bağlantıların yorulma mukavemeti değerlendirmesine odaklanmıştır. Bojiler ve diğer bileşenler gibi demiryolu yapıları, operasyonel koşulların yanı sıra yapısal ve altyapı tabanlı uyarımlardan kaynaklanan dinamik yüklere maruz kalmaktadır. Bu yükler, tipik olarak gerilme yoğunlaşma noktalarında çatlak başlangıcı, mikro çatlakların yayılması ve nihayetinde kaynaklı bağlantılarda kırılma şeklinde ortaya çıkan yorulma hasarlarına yol açabilir. Kaynaklı bağlantıların bu tür dinamik ortamlarda özellikle savunmasız olduğu göz önüne alındığında, gerekli yorulma performansı standartlarına uygunluklarının sağlanması, demiryolu araçlarının yapısal bütünlüğünü ve güvenliğini korumak için çok önemlidir. Kaynaklı yapıların yorulma dayanımı, raylı sistemler, otomotiv, havacılık, gemi inşaatı ve yapı mühendisliği gibi birçok sektörde kritik bir öneme sahiptir. Yorulma davranışını değerlendirmek amacıyla uluslararası düzeyde birçok standart geliştirilmiştir. Kaynaklı yapılardaki yorulmanın karmaşıklığı, bu çalışma boyunca özellikle karmaşık gerilme durumlarına, karmaşık geometrilere ve kaynak işlemi sırasında meydana gelen kusur potansiyeline odaklanılarak vurgulanmıştır. Yıllar boyunca, yorulma davranışını etkileyen çoklu faktörleri açıklamak için çeşitli teoriler önerilmiştir. Bu çalışmada, özellikle demiryolu taşıtlarında kullanılan kaynaklı bileşenlerin yorulma dayanımını değerlendirmek için kullanılan DVS 1612, EN 1993-1-9 (Eurocode 3) ve EN 17149-3 standartları ele alınmıştır. DVS 1612, Almanya'da geliştirilen ve kaynaklı yapıların yorulma dayanımını değerlendirmeye yönelik detaylı kriterler sunan bir standarttır. Kaynak performans sınıfları ve emniyet kategorileri belirli gerilme seviyeleriyle ilişkilendirilmiş olup, nominal gerilme yaklaşımı ile yorulma değerlendirmesi yapılmaktadır. Standart, yorulma dayanımı için sabit genlikli yükleme senaryolarına odaklanır ve genellikle çelik konstrüksiyonlar için kullanılır. Yorulma dayanım değerleri,“MKJ diyagramları”adı verilen grafiklerle temsil edilir. Bu diyagramlar, kaynaklı yapıların yorulma analizinde kritik bir araçtır. DVS 1612, sabit genlikli yorulma değerlendirmeleri için izin verilen maksimum gerilme değerlerini içerir ve kümülatif yük etkisini hesaba katmaz. EN 1993-1-9 (Eurocode 3), Avrupa'da yaygın olarak kullanılan bir diğer standart olup çelik yapıların yorulma tasarımına yönelik kurallar içerir. Bu standart, yapısal elemanlar ve kaynaklı bağlantılar için yorulma dayanımını hesaplamak üzere nominal gerilme ve detay kategorileri yöntemlerini kullanır. Eurocode 3, güvenli ömür ve hasara toleranslı ömür olmak üzere iki ana yorulma tasarım yaklaşımını benimsemektedir. Güvenli ömür yaklaşımı, yapının yorulma çatlakları oluşmadan dayanımını koruyabilmesini sağlarken, hasara toleranslı yaklaşım ise belirli aralıklarla yapılan muayeneler ve bakım çalışmaları ile güvenliği garanti altına almayı hedefler. Ayrıca, güvenli ömür yaklaşımı, yapının servis ömrü boyunca periyodik yorulma çatlak incelemeleri gerektirmeden güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamayı amaçlarken, hasara toleranslı ömür yaklaşımı düzenli kontrollerle çatlak büyümesini izler ve yönetir. Yorulma dayanımı, belirli gerilme aralıklarına dayanarak hesaplanır ve kaynaklı bağlantıların dayanım değerleri, standartlarda belirtilen referans değerlerle karşılaştırılarak doğrulanır. EN 17149, yorulma mukavemeti değerlendirmesini, değişken genlikli gerilme spektrumları, döngü sayıları veya gerilme zaman geçmişlerini dikkate alan kümülatif hasar yaklaşımına dayandıran tek standarttır. Bu standart, kümülatif hasar kavramına dayalı pratik yorulma mukavemeti değerlendirmesi için temel prosedürleri ve kriterleri sunmaktadır. Kümülatif Hasar Kuralı'na (Miner Kuralı) göre, kümülatif hasar ancak uygulanan gerilme dayanıklılık limitini aşarsa meydana gelir; dayanıklılık limitinin altındaki gerilmelerde hasar oluşmaz. Yorulma mukavemeti degerlendirmesi, değişken genlikler ve döngü sayılarıyla olan gerilme spektrumlarını dikkate alır ve bileşenin yorulma mukavemeti değerleri, ilgili faktörlere dayanır. Bu faktörler, plaka kalınlığı ve kalıntı gerilmeleri gibi unsurları içerir. Bu standart, aynı zamanda kaynak sonrası iyileştirme faktörlerini, kalite seviyesi faktörlerini ve kaynak sınıfı iyileştirme faktörlerini de dikkate alarak kaynaklı yapılar için yorulma mukavemetini değerlendirir. Ayrıca, kümülatif hasar toplamı için sınırlamalar ve gerilme spektrum şekil faktörü de standartta yer almakta, bu faktörler kümülatif hasar değerlendirmesinde değişken genlikli yüklemenin etkisini yansıtır. Bu tez çalışmasında, demiryolu taşıtlarında kullanılan kaynaklı bileşenlerin yorulma dayanımını değerlendirmek amacıyla tek eksenli, gerilme tabanlı yorulma analizi yöntemleri incelenmiş ve sonlu elemanlar yöntemi (FEM) kullanılarak sayısal uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında, temel prensipleri göstermek amacıyla basit bir tek taraflı kaynaklı kiriş modeli ve kaynaklı dairesel bölgeye sahip bir basınçlı kap modeli üzerinde analizler yapılmıştır. Ayrıca, raylı sistemlerde kullanılan bir vagon bojisi üzerinde yorulma analizleri gerçekleştirilmiş ve kaynaklı bağlantıların farklı standartlara göre yorulma dayanımı karşılaştırılmıştır. Meshleme işlemleri HyperMesh yazılımı ile gerçekleştirilmiş olup, analizler Abaqus yazılımı kullanılarak çözdürülmüştür. LIMIT yazılımı da ek olarak kullanılarak kaynaklı bileşenlerin yorulma dayanımı değerlendirilmiştir. Analizler sonucunda, farklı standartların yorulma dayanımı tahminlerinde belirgin farklılıklar olduğu gözlemlenmiştir. Bu da, her yöntemin farklı varsayımlar ve güvenlik katsayıları içerdiğini, dolayısıyla mühendislerin değerlendirme sürecinde dikkatli olmaları gerektiğini göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, kaynaklı bileşenlerin yorulma dayanımının yalnızca malzeme özelliklerine değil, aynı zamanda kaynak kalitesine, tasarım parametrelerine ve yükleme koşullarına da bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Kaynaklı bağlantılarda yorulma ile ilişkili riskleri azaltmak için iki temel yaklaşım uygulanabilir. İlk yaklaşım, gerilme koşullarını doğrudan değiştirmese de kaynakların kalitesini artıran çekiçle dövme gibi teknikler aracılığıyla kaynak kalitesini artırmaya odaklanır. İkinci yaklaşım ise ultrasonik test, radyografik test ve manyetik parçacık muayenesi gibi Tahribatsız Muayene (NDT) tekniklerinin kullanılmasını içerir. Bu yöntemler, gizli kusurların tespit edilmesini, kaynak kalitesinin değerlendirilmesini ve kritik kaynaklı alanların hasara neden olmadan sürekli izlenmesini sağlar. Daha yüksek düzeyde kaynak bütünlüğü sağlayarak ve kritik alanlarda kullanım derecesini azaltarak, bu yöntemler arızaları önlemeye ve yapının genel güvenilirliğini artırmaya yardımcı olur. Sonuç olarak, kaynaklı yapıların yorulma dayanımı açısından doğru mühendislik değerlendirmeleri yapmak büyük önem taşımaktadır. Çalışma, sayısal analizlerin doğrulama sürecinde güvenilir bir araç olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Endüstride, daha uzun ömürlü ve güvenli kaynaklı yapılar tasarlamak için farklı standartların avantaj ve dezavantajları dikkate alınarak mühendislik çözümleri geliştirilebilir. Bu tez, kaynaklı bileşenlerin yorulma analizine yönelik kapsamlı bir karşılaştırma sunarak, sektördeki mühendisler için önemli bir referans kaynağı niteliğindedir.

Özet (Çeviri)

The fatigue behavior of metals remains a complex and critical area in mechanical sciences that is not yet fully understood. Fatigue failure is a progressive structural deterioration that occurs when a material is subjected to cyclic loading over time, eventually leading to crack initiation and propagation. While extensive research has been conducted on the mechanical behavior of metals under fatigue loading, the fatigue of welded components presents even greater challenges due to the unique characteristics introduced by the welding process. Welding is an essential manufacturing process widely used in engineering applications; however, it introduces thermal cycles that significantly alter the material properties of the welded joints. The mechanical properties of welded structures are strongly influenced by these microstructural changes, affecting their fatigue strength and durability. Additionally, welding discontinuities such as porosities, lack of fusion, and slag inclusions can serve as initiation points for fatigue cracks. Due to these complexities, understanding and accurately assessing the fatigue behavior of welded joints is crucial for ensuring the structural integrity and reliability of welded components. The fatigue mechanisms in welded structures are particularly relevant to industries such as railway vehicle production, automotive manufacturing, shipbuilding, and construction machinery fabrication, where welded joints are subjected to fluctuating loads throughout their service life. To ensure the long-term durability and safety of these structures, numerous studies have been conducted to establish guidelines and standards for evaluating fatigue conditions in welded areas. Several internationally recognized standards provide distinct methodologies for assessing the fatigue strength of welded structures. Among these, DVS 1612, EN 1993-1-9 (Eurocode 3), and EN 17149-3 are widely used in engineering applications. DVS 1612, developed in Germany, focuses on the fatigue strength assessment of welded structures by using a nominal stress approach. This standard provides detailed design requirements, classification of welded details, and a systematic method for correlating fatigue strength with welding performance classes and safety categories. Fatigue strength values in DVS 1612 are represented by“MKJ diagrams,”which play a critical role in fatigue evaluation. However, this standard primarily considers constant amplitude fatigue loading and does not incorporate cumulative damage effects. EN 1993-1-9 (Eurocode 3) is a widely adopted European standard that establishes guidelines for fatigue design in steel structures. It employs a stress-based methodology that includes both the nominal stress and hot-spot stress approaches to evaluate welded joints. Eurocode 3 considers different structural fatigue concepts, such as safe life and damage tolerance approaches. The safe life approach ensures that the structure remains fatigue-resistant throughout its operational life without requiring periodic inspections, whereas the damage tolerance approach incorporates regular inspections to monitor fatigue crack growth and assess structural integrity. The fatigue strength of welded joints is determined based on reference stress ranges, and the results are compared with predefined classification values to validate the design. EN 17149-3, on the other hand, is a standard specifically developed for railway vehicle structures, incorporating cumulative damage analysis. Unlike DVS 1612 and Eurocode 3, EN 17149-3 accounts for variable amplitude loading conditions and stress spectrum effects. The standard predicts fatigue life by summing the damage contributions from different stress cycles. Additionally, it includes correction factors for plate thickness, residual stresses, and weld quality, making it a comprehensive approach for evaluating the fatigue strength of welded railway components. This thesis investigates the fatigue strength assessment of seam-welded joints, which are crucial components in rail vehicle construction. To demonstrate fundamental assessment principles, two simplified case studies are presented: a single-sided welded beam and a pressure vessel model with a welded circular area. Finite element modeling was conducted using HyperMesh for meshing, and Abaqus CAE was employed as the solver. In addition, a case study was carried out that involved a wagon bogie, a key structural component of railway vehicles, to analyze the performance of welded joints under simulated loading conditions. LIMIT software was also integrated with Abaqus to refine the fatigue analysis of notched regions. Key findings of this research reveal significant variations in fatigue strength predictions across different standards. These discrepancies highlight the importance of selecting an appropriate assessment methodology based on the specific application and loading conditions. The results also underscore the critical relationship between structural design and fatigue behavior in welded areas. Numerical simulations have proven to be effective tools for fatigue strength evaluation, as they allow for direct comparison between theoretical predictions and computational results obtained from different standards. The findings suggest that improving the fatigue life of welded joints may require modifications to structural design, such as optimizing weld geometry, implementing post-weld treatment techniques, or enhancing material selection. The integration of numerical methods in fatigue assessment provides engineers with valuable insights into the fatigue behavior of welded components, allowing for more efficient and reliable design processes. In conclusion, this thesis contributes to the ongoing efforts in understanding and evaluating the fatigue strength of welded structures by comparing different assessment methodologies. The study provides a comprehensive analysis of existing standards and demonstrates the effectiveness of numerical techniques in fatigue evaluation. The results offer valuable recommendations for engineers and researchers working on the fatigue assessment of welded structures, particularly in railway applications, where safety and durability are paramount.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    386508

    Periferik arter hastalarında ve sağlıklı kişilerde fiziksel performansın, üst ve alt ekstremite kas kuvvetinin ve dengenin karşılaştırılması

    A comparison of physical performance, upper and lower extremity muscle strength and balance in patients with peripheral arterial disease and healthy people

    VELİ NEHİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Fizyoterapi ve RehabilitasyonDokuz Eylül Üniversitesi

    Fizik Tedavi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMA SAVCI

  2. Tez No

    666360

    Haliç metro köprüsü gergin eğik askı tabliye ankraj bölgesinin yorulma analizi

    Fatigue analysis of cable stayed Golden Horn metro bridge's anchor zone between cable and steel deck

    ÖMER FARUK ÖZGÜR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN

    DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN

  3. Tez No

    541002

    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

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU

  4. Tez No

    880709

    Prostat kanserli hastalarda gözetim altında, video temelli ve ev programı şeklinde uygulanan dirençli egzersiz programının etkinliğinin karşılaştırılması

    Comparison of the effectiveness of physiotherapy program applied under compact supervision, video small and home program in prostate cancer patients

    MERVE AKYOL YALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizyoterapi ve RehabilitasyonAcıbadem Mehmet Ali Aydınlar Üniversitesi

    Fizyoterapi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZLEM FEYZİOĞLU

  5. Tez No

    800799

    Prostat kanserinde hormonoterapi alan ve almayan hastaların fiziksel aktivite, egzersiz kapasitesi, yaşam kalitesi ve yorgunluk düzeylerinin karşılaştırılması

    Comparison of physical activity, exercise capacity, quality of life and fatigue levels of patients receiving and not receiving hormone therapy in prostate cancer

    ŞÜKRAN MİNE DANIŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizyoterapi ve RehabilitasyonHacettepe Üniversitesi

    Fizyoterapi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NACİYE VARDAR YAĞLI

Geri Dön