Väsyminen on yksi yleisimmistä metallirakenteiden vaurioitumisen syistä. Rakenteiden odottamattomia käytönaikaisia väsymisvaurioita voidaan ehkäistä suunnitteluvaiheessa väsymisanalyysin avulla. LUT-yliopistossa tarkastettavassa väitöskirjassa on kehitetty uusi menetelmä väsyttävästi kuormitettujen hitsattujen rakenteiden kriittisten kohtien seulontaan.
Monet koneet ja rakenteet joutuvat käytössä ajallisesti muuttuvien kuormitusten alaisiksi. Vaihtelevat kuormitukset voivat aiheuttaa väsymisvaurioita huomattavasti pienemmillä kuormilla, kuin mitä rakenteet kestäisivät kertaluontoisesti kuormittuessaan. Hitsatuissa metallirakenteissa väsymisilmiön merkitys ja väsymisanalyysin tärkeä rooli suunnitteluprosessissa korostuvat. Yksi väsymisanalyysin päätehtävistä on määrittää luotettavasti rakenteille turvallinen kestoikä. Yksittäisen kohdan analysointiin on käytettävissä laaja ja monipuolinen valikoima erilaisia menetelmiä, mutta monimutkaisten hitsattujen rakenteiden jokaisen kohdan analysointi on nykymenetelmillä haastavaa.
Äskettäin LUT-yliopistossa tohtoriksi väitellyt Alexei Yanchukovich on väitöskirjassaan Screening the critical locations of a fatigue-loaded welded structure using the energy-based approach kehittänyt uuden menetelmän väsyttävästi kuormitettujen hitsattujen rakenteiden kriittisten kohtien järjestelmälliseen seulontaan.
”Potentiaalisten vaurioitumispisteiden suuri määrä on merkittävä haaste luotettavalle väsymisanalyysille. Materiaalikehitys ja ultralujien terästen käyttö on mahdollistanut staattisten kuormitusten kasvattamisen. Tämä yhdessä hitsausprosessien sekä hitsien jälkikäsittelymenetelmien kehityksen kanssa on lisännyt tarvetta huomioida analyysissa aiempaa enemmän väsymiseen vaikuttavia tekijöitä”, sanoo Yanchukovich.
Yanchukovichin kehittämä seulontamenetelmä yhdistää venymäenergiaan perustuvan multiaksiaalisen Ellyin-vauriokriteerin alan perinteisimpiin laskentamenetelmiin. Kehitetyn ennustemallin toimivuutta testattiin käytännön kokeilla hyvällä menestyksellä. Tulosten perusteella, seulontamenetelmässä toteutettu Ellyin-vauriokriteerin soveltaminen hitsattuihin rakenteisiin on lupaava ratkaisu.
”Kehitetyssä seulontamenetelmässä voidaan säätää eri tekijöiden vaikutuksen huomioimista, mikä parantaa menetelmän yhteensopivuutta hitsattujen rakenteiden väsymisstandardien kanssa. Tämä mahdollistaa myös standardissa annettujen kestävyysarvojen hyödyntämisen laskelmissa.”
Uusi seulontamenetelmä rajoittaa väsymisanalyysissä tarkasteltavien kohtien lukumäärää, ja auttaa keskittämään tarkastelun oikeisiin kohtiin. ”Tämä nopeuttaa suunnitteluprosessia ja parantaa tehokkuutta. Kriittisten kohtien järjestelmällinen seulonta myös parantaa väsymisanalyysin luotettavuutta.”
Linkki väitöskirjan sähköiseen versioon: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-335-667-2
Väitöskirjan esitarkastajana on toiminut Professor Dr. Cetin Morris Sonsino (Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF, Darmstadt, Germany). Väitöskirjan esitarkastajana ja vastaväittäjänä on toiminut Dosentti TkT Roger Rabb (Oulun Yliopisto).