FI104761B

FI104761B - Menetelmä venymien määrittämiseksi

Info

Publication number: FI104761B
Application number: FI981844A
Authority: FI
Inventors: Markku Kaeppi
Original assignee: Markku Kaeppi
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-03-31
Also published as: WO2000012962A1; FI981844A0; EP1108196A1; AU5293099A

Description

104761

MENETELMÄ VENYMIEN MÄÄRITTÄMISEKSI

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä venymien ja niiden muutosten määrittä-5 miseksi kappaleiden, kuten metallisäiliöiden tms., pinnasta, jossa menetelmässä kappaleen pinnalle levitetään haurasta ainetta, ns. venymäpinnoitetta, esimerkiksi jännityslakkaa kappaleen ollessa lepotilassa, ja sen jälkeen kohdistetaan kappaleeseen rasitus, edullisesti yleensä vähintään käyttötilannetta vastaava rasitus, jolloin venymäpinnoitteen kynnysvenymän ylittyessä siihen syntyy halkeamia, 10 joiden perusteella määrätään venymäliuskan tai erilaisten liuskojen, esim. ns. rusettiliuskojen, sijoituskohta tarkempaa mittausta tai venymän muutoksen määritystä varten.

Eräs tekniikan ala, jossa rasitusmittaukset ovat tärkeitä, on kuljetusala, josta jatkos-15 sa käytämme esimerkkinä säiliöauton säiliöitä, eli vaikeasti mitoitettavaa, valmis-tuksellisia muotovirheitä sisältävää kuorirakennetta. Muotovirheiden vaikeuttamalle mitoitukselle on etsitty pitkään ratkaisua, mutta siinä ei ole onnistuttu. Väsymismi-toitustutkimukset ja etenkin kokeelliset mittaukset tarvittavien materiaali vahvuuksien ja rakenteiden selvittämiseksi ovat kalliita ja aikaa vieviä. Hitsattuja kuoriraken-20 teitä, esimerkiksi säiliöitä, tutkittaessa on venymäliuskojen luotettava kiinnittäminen sopiviin kohtiin erityisen hankalaa ja hitsin kohdalle mahdotonta. Liuskan oikean v suunnan ja varsinkin paikan löytäminen on vaikeaa. Tässä voidaan käyttää apuna ns. jännityslakkaa.

25 Jännityslakkaa tai muita ns. hauraspinnoitteita käytetään perinteisesti seuraavalla tavalla rasitetuimman kohdan etsimisessä: kappaleen pinnalle levitetään ohuita, n. s» ·,· 0.05 mm paksuisia lakkakerroksia. Lakka levitetään ruiskuttamalla ja annetaan • l kuivua ilmassa. Lakan alla voidaan käyttää myös heijastavaa pinnoitetta. Osaa kuormitettaessa lakkaan ilmaantuu halkeamia, kun sen kynnysvenymä ylitetään.

30 Tyypillisesti lakan nimellinen kynnysvenymä on 500 pm/m. Halkeileminen tapahtuu ensimmäiseksi siellä, missä vetojännitys on suurin, mikä osoittaa nopeasti jännitysten keskittymisalueet. Halkeamat ilmenevät lisäksi suorassa kulmassa maksimi- 2 104761 vetojännityksen suunnan suhteen. Näin saadaan esiin ne kriittisten alueiden paikat, joihin venymäliuskat pitäisi sijoittaa mahdollisimman tarkkaa mittausta varten.

Vaikka liuskan paikka ja suunta saadaan lakan avulla periaatteessa oikeiksi, on 5 kohta usein todellisesta moniakselisesti ja vielä usein monivaiheisesti väsytyskuor-mitetusta rakenteesta johtuen hyvin ongelmallinen. Hitsatussa rakenteessa suurimmat rasitukset (venymät tai jännitys) esiintyvät yleensä aivan hitsin reunassa olevassa hitsausvirheessä, johon liuskaa ei voida kiinnittää. Vaarallisimmillaan ne ovat ollessaan kohtisuorassa hitsiä vastaan.

10 Jännityksen alaisessa metallipinnassa, esimerkiksi säiliössä, ei liuskaa voida sijoittaa esimerkiksi kriittisenä kohtana olevan kehdon ja säiliön väliin. Tällöin mittaus joudutaan tekemään esimerkiksi säiliön sisäpuolelta. Tämä taas aiheuttaa vaikeat suojaustoimet ja mittaukset on tehtävä oikean kuormituksen aikaansaami- 15 seksi vesitäytöksellä. Lisäksi tulokset ovat "väärältä" puolelta tehtyinä selvästi epävarmempia. Toisaalta eräät kasvavat säröt saadaan toisinaan ’’näkymään” levyn toiselta puolelta venymäpinnoitteen tihentyneinä halkeamina ko. kohdassa. Kuormituksena voidaan käyttää esimerkiksi säiliörakenteen vääntöä.

20 Venymäliuskaa ei voida rakenteellisen epäjatkuvuuden vuoksi aina kiinnittää haluttuun paikkaan. Esimerkiksi hitsatuissa säiliörakenteissa liuska joudutaan kiinnittämään jonkin verran ennen hitsiä sileän levyn alueelle. Tällöin hitsin epäjatkuvuuden ja mahdollisen reunassa olevan virheen, esimerkiksi loven, aiheuttama jännityksen nousu joudutaan ottamaan huomioon muilla tavoin. Käytännössä on 25 pystyttävä ekstrapoloimaan luotettavasti venymän/jännityksen arvo hitsin reunassa olevaan edellä kuvattuun hitsausvirheen aiheuttamaan pahimpaan paikkaan. Tämä - * voidaan tehdä tietyllä tarkkuudella analyyttisesti lujuusopin menetelmillä. Kun hitsin geometriaa kuvaavat parametrit tunnetaan, mitoitus voidaan tällöin tehdä myös SAE-väsymismitoitusmenetelmän mukaisesti.

30 3 104761

Hitsatussa säiliörakenteessa epäjatkuvuuden aiheuttama häiriö ei ole yleensä suunnitteluvaiheessa luotettavasti ja yksinkertaisesti määritettävissä. Yksinkertai-sissa tapauksissa, jos säiliön vaipan paksuus on riittävä ettei muotovirheitä esiinny, laskemiseen voidaan käyttää suunnitteluvaiheessa elementtimenetelmää (FEM), 5 mutta menettely on silloinkin mm. hitsien epämääräisyydestä johtuen (tilastollinen käsittely) melko työläs. Jännityksen nousu hitsiä lähestyttäessä on usein vaikeasti hallittavissa. Ohutseinämäisissä säiliöissä (kuorirakenteissa) muotovirheiden aiheuttamat sekundääriset taivutusjännitykset estävät luotettavan FE-mallinnuksen. Tilanne on kaikilla säiliöillä vaikea, jos/kun samaan paikkaan sattuu risteävä hitsi. 10 Tyypillinen esimerkki on säiliön vaipan jatkohitsin ja vaipan päädyn liitosten kohdatessa. Vielä hankalammaksi tilanne tulee, jos samaan kohtaan osuu kiinnike, läpivienti, ainevahvuuden muutos tms. häiriötekijä. Käytäntö on osoittanut, että väsymisvaurio osuu samalle epäjatkuvuusalueelle, usein jopa samaan kohtaan. Todellista mitoitusta ei voida tehdä pelkistetyn teoreettisen mallin avulla. Käytän-15 nössä tilanne tulee helposti hyvin monimutkaiseksi ja elementtimenetelmät ovat silloin kalliita, epävarmoja tai tilanteen monimutkaisuudesta johtuen niitä ei voida edes käyttää. Tällöin joudutaan turvautumaan kokeelliseen mitoitukseen. Mitoitus voidaan tehdä prototyypin tai myös koekappaleiden avulla.

20 Mikäli näyttää tarpeelliselta ja kannattavalta, voidaan tutkimus tehdä melko luotettavasti useammalla samalle alueelle liimatulla venymäliuskalla. Tällöin kannattaa « käyttää hyväksi myös useasta suunnasta mittaavia ns. rusettiliuskoja. Liuskojen sisäpuolelle jäävän alueen venymät sileässä levyssä voidaan ennustaa hyvin luotettavasti esimerkiksi lineaarisen mallin avulla. Säiliön muotovirheet pahentavat 25 tilannetta. Myös hitsin geometrian aiheuttama jännityksen nousu ilman hitsin , reunaviivan mahdollisen virheen vaikutusta voidaan ennustaa lineaarisesti kahden tai kolmen sopivalle etäisyydelle liimatun liuskan avulla. Tätä kutsutaan nykyään ‘ ns. hot spot -jännitykseksi. Hot spot -jännityksen määrittämiseksi tunnetaan tieteel lisessä kirjallisuudessa kolme tapaa: elementtimenetelmän avulla laskeminen, 30 nimellisjännityksen kertominen mahdollisesti tunnetulla jännityskonsentraatioker- 4 104761 toimella sekä kokeellinen jännitysmittaus venymäliuskojen avulla.

Tutkimuksen suorittamiseksi usean venymäliuskan menetelmä epävarmuusteki-jöineen saattaa olla käytännössä riittävän tarkka, mutta työläs ja näin ollen kallis 5 toteuttaa. Eräissä suurissa mittauksissa venymäliuskoja saattaa olla jopa sata kappaletta. Mittaustuloksia myöhemmin analysoitaessa pitäisi usein tietää vielä jännitys jossain liuskojen läheisyydessä. Käytännössä tämä on yleensä ratkaistu siten, että liimataan uusi liuska ko. kohtaan, tehdään johdotukset ja suoritetaan tarvittavat mittaukset. Tämä vaatii suuren työn, etenkin jos mittainstrumentointi on 10 jo purettu, kuten usein käytännössä on tapahtunut.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka on aiempaa yksinkertaisempi ja riittävän luotettava. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että venymäpinnoitteen halkeamien avulla ekstrapoloidaan ainakin yhden 15 venymäliuskan osoittama arvo halutussa suunnassa haluttuun, esimerkiksi väsy-misarkaan kohtaan tai kohtiin. Myös esimerkiksi hitsin reunahaavan pohjalle, eli suurin paikallinen venymä, joka yleensä joudutaan laskemaan esim. Neuberin menetelmällä. Venymäpinnoite voi olla erittäin ohutkerroksinen, jopa alle 0.01 mm.

20 Keksinnön eräälle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että mitataan venymäpinnoitteen halkeamalukumäärä tutkittavalta pituudelta kestävästä rakenteesta, tehdään sama mittaus esimerkiksi ohuemmasta rakenteesta, jolloin halkeamia syntyy enemmän tutkittavalle pituudelle, määritetään vastaavat venymät/venymä-vaihtelut, jotka ovat verrannollisia mainittujen halkeamien määrään.

25

Keksinnön eräälle toiselle toteutusmuodolle on tunnusomaista se, että suoritetaan ' venymäliuskamittaus valitun halkeamatiheyden kohdalla ja ainakin yhdeltä venymäliuskalta mitattu käyttäytyminen, kuten jännitysvaihtelu, ekstrapoloidaan venymäpinnoitteen avulla suoraan verrannollisesti haluttuun kohtaan ja suuntaan.

30 5 104761

Keksinnön perusajatuksena on, että lineaarisella alueella kuormitus- tai jännitys-vaihtelu suhtautuu periaatteessa kääntäen verrannollisesti käytettyihin ainevah-vuuksiin.

5 Keksinnön ansiosta rasitusmittaukset on aiempaa yksinkertaisempi ja taloudellisesti edullisempi suorittaa. Lisäksi mittaustulokset ovat aiempaa luotettavampia. Keksin- s nön etuna voidaan pitää myös sitä, että ekstrapoloinnin voi tehdä esim. useata venymäliuskaa käytettäessä minkä liuskan kohdalta hyvänsä ja etenkin kuorirakenteissa tietyissä rajoissa suppeuma huomioon ottaen myös ennalta määräämät-10 tömään suuntaan. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että hyvinkin kaukana olevasta liuskasta (tai jopa luotettavasti lasketusta arvosta) voidaan suorittaa ekstrapolointi riittävää huolellisuutta noudattaen. Periaatteessa tähän tarvitaan vain yksi liuska. Käytännössä ns. rusettiliuska on erittäin käyttökelpoinen. Koska venymäpin-noitteen halkeamien avulla on pääjännityksen suunta tiedossa, saadaan sekä 15 liuskan että hot spot -kohdan luona lisäetu: elleivät jännitykset jostain syystä ole samansuuntaisia, voidaan suorittaa tarvittava korjauslaskenta. Tämä on esimerkiksi kuorirakenteiden nurkkakohdissa erittäin tavallinen tilanne, varsinkin katkohitsien yhteydessä. Menetelmän etuna on myös, että kalibroinnin vuoksi käytettävän venymäpinnoitteen kynnysjännityksellä ei ole mainittavaa merkitystä, joten voidaan 20 käyttää halpoja venymäpinnoitteita ja muitakin edullisia hauraspinnoitteita, esim.

. liituvelliä tai jännityslakan sijasta halvempiakin kovia (halkeilevia) lakkoja.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisemmin eräiden toteutusmuotoesi-merkkien avulla.

25 - - - ________ ______ ? Perusmenetelmäksi voitaisiin luonnehtia menetelmää, jossa mitataan venymäpin noitteen halkeamalukumäärä tutkittavalta pituudelta kestävästä rakenteesta (esim.

* 2 mm paksuisesta levystä). Sama mittaus tehdään myös ohuemmasta rakenteesta.

Tällöin halkeamia tulee enemmän vastaavalle tutkimuspituudelle. Veny-30 mät/venymävaihtelut suhtautuvat verrannollisesti em. halkeamien määrään, joten 6 104761 menetelmällä voidaan tehdä yksinkertaisesti luotettavia pikakokeita, joista voidaan päätellä, onko aihetta jatkaa tutkimusta pidemmälle. Voidaan esimerkiksi valita tietty halkeamatiheys (esim. 6 kpl/cm), jota suuremmilla tiheyksillä on ko. kohdalle tehtävä väsymisanalyysi.

5 Väsymisanalyysi venymäpinnoitteen avulla suoritetaan siten, että tehdään venymä-liuskamittaus valitun halkeamatiheyden kohdalla (esim. 4 kpl/cm). Liuskalta mitattu käyttäytyminen (esim. jännity^aihtelu) ekstrapoloidaan venymäpinnoitteen avulla suoraan verrannollisesti haluttuun kohtaan. Esimerkiksi jos halutussa kohdassa 10 halkeamatiheys on 8 kpl/cm, jännitysvaihtelu on kohonnut myös kaksinkertaiseksi.

Mikäli väsymisanalyysin rajana on em. 6 kpl/cm, on analyysi syytä tehdä.

Esiselvitysvaiheessa voidaan venymäpinnoitetta käyttää seuraavasti: mikäli rakenteen jokin kohta epäilyttää, voidaan siihen sumuttaa sopivasti halkeilevaa tai jopa 15 irtoavaa venymäpinnoitetta. Venymäpinnoitteen halkeamatiheydestä voidaan päätellä jatkotutkimusten tarve. Venymäpinnoitteen halkeamatiheys kertoo käytännössä riittävän luotettavasti levyn pinnan venymävaihtelun. Ellei venymäpinnoite, kuten liituvelli tai muu ko. tarkoitukseen sopiva aine halkeile lainkaan, ollaan sen kynnysarvon alapuolella ja ko. kohta ei ole väsymisaltis tai käytetään sopimatonta 20 pinnoitetta. Helposti irtoava pinnoite paljastaa tehokkaasti moniakselisesti kuormi-. tetut alueet. Esimerkiksi kovettunut liituvelli toimii pois varistessaan näin. Tämän jälkeen voidaan ko. alueelle kohdistaa tarkemmat venymäpinnoitemittaukset.

Tarvittaessa voidaan lovenmuotoluvun ja lovenvaikutusluvun tutkiminen suorittaa 25 seuraavasti: lovenmuotoluku on paikallisesti esiintyvän epäjatkuvuuden aiheutta-/ man kohonneen jännityksen ja nimellisjännityksen suhde. Tämä voidaan useasti laskea suoraan ko. kohdassa tihentyneiden halkeamien avulla. Lovenvaikutusluku *· on lovettoman ja lovellisen kappaleen väsymislujuuksien suhde. Lovenvaikutuslu-kua määriteltäessä vertaillaan samalla tavalla taivuttamalla epäjatkuvuuden ai-30 kaansaamaa halkeamatiheyden kasvua vastaavaan "sileään" kappaleeseen.

7 104761

Keksinnön mukainen venymäpinnoitemenetelmä soveltuu erinomaisesti myös aiemmin mainitun hot spot -jännityksen määrittämiseen. Venymäpinnoitteen hal-keamatiheyden avulla voidaan suorittaa liuskajännityksen ekstrapolointi hot spot 5 -kohtaan. Samalla menetelmällä voidaan tutkia hot spot -jännityksen lisäksi jänni-tyshuippua myös hitsin reunassa, esim. juurivirheen pohjalla. Tähän liittyy oheinen patenttipiirustus, jossa

Kuvio 1 esittää yleisesti hot spot -venymien mittaus- ja ekstrapolointiperiaatetta 10 hitsiliitoksessa.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista hitsiliitosta ylhäältä katsottuna venymäpinnoite-kokeen jälkeen varustettuna kolmella yhteen suuntaan mittaavalla venymäliuskalla.

15 Kuvio 3 esittää periaatteessa samaa kuin kuvio 2, mutta erilaisessa jännitystilan-teessa.

Kuviossa 1 on esitetty poikkileikkaus esimerkiksi säiliön seinämästä 1 ja siihen hitsatusta levystä 2 tai vastaavasta. Viitenumero 3 esittää hitsisaumaa. Nuolilla on 20 esitetty jännitystilanteita säiliön seinämän eri kohdissa rasitustilanteessa. Jännitysten toteamiseksi säiliön pintaan on kiinnitetty kolme venymäliuskaa A, B ja C.

Kuvioissa 2 ja 3 on esitetty kaaviokuvat hot spot -jännityksen määrittämisestä venymäpinnoitteen halkeamien 4 avulla. Tutkittavaan kohtaan on siis levitetty 25 venymäpinnoitetta tai vastaavaa ainetta, jonka jälkeen kuormitetaan tutkittava kappale edullisesti käyttötilannetta vastaavalla tavalla. Tällöin syntyy halkeamia m venymäpinnoitteeseen heti, kun sen kynnysvenymä ylitetään. Venymä voidaan ekstrapoloida minkä hyvänsä liuskan A, B tai C arvoista haluttuun suuntaan ja kohtaan halkeamia hyväksi käyttäen. Kuviossa 2 halkeamat 4 ovat samansuuntai-30 set hitsin rajaviivan kanssa ja kuviossa 3 halkeamat ovat levyssä noin 30° kulmassa 104761 δ hitsin rajaviivaan nähden. Hitsin alueella halkeamat kääntyvät vielä n. 30° lisää. Tätä ei esimerkiksi rusettiliuskamittauksilla (ilman venymäpinnoitemenetelmää) voida selvittää, koska liuskaa ei voida kiinnittää hitsin päälle. Tämä on tyypillinen ja vaarallinen tilanne esimerkiksi levyrakenteen katkohitsin yhteydessä. Nuolet 5 havainnollistavat näitä päävenymien suuntia.

Aiemmin mainittu ongelma suuritöisistä lisämittauksista venymäliuskojen läheisyydessä on myös ratkaistavissa keksinnön mukaisen menetelmän avulla; kun tunnetaan aiemmin mitatun liuskakohdan jännitystila, voidaan se myöhemmin samalle 10 alueelle levitetyn venymäpinnoitteen halkeamien avulla ekstrapoloida hyvin tarkasti haluttuun kohtaan, esim. hitsin reunaan. Pääjännityksen ollessa vinosti (esim. 45° kulmassa) hitsiä vastaan, on useasti vaikea tietää missä kulmassa se ylittää hitsin. Mikäli jännitys kääntyy hitsin suuntaiseksi, ei tilanne ole niin vaarallinen kuin päinvastaisessa tilanteessa. Pahimmassa tapauksessa pääjännitys voi olla koh-15 tisuorassa hitsiä vastaan. Kuorirakenteessa tämänkään asian päätteleminen ei ole aina helppoa. Jännitystila voidaan helposti ja luotettavasti varmistaa myös jälkeenpäin venymäpinnoitteen avulla.

Edellä kuvattua menetelmää pystytään hyödyntämään jopa tuotteiden välisissä 20 jännitysvertailuissa sekä aiempien tuotteiden/rakenteiden kuormitushistorian tutkimisessa. Mittauksen suoritus on pieni työ, sillä tarvitaan vain lakan sumutus tai muu levitys ko. kohtaan ja kuormitus. Käytännössä ne voidaan suorittaa kentällä, esim. autotallissa. Menetelmän varmistamiseksi ja kalibroimiseksi konepajaolosuh-teissa on tehtävä kokeita jo aiemmin liuskoilla mitatuilla alueilla. Myös yksinkertai-25 set taivutuskokeet kappaleilla, levysuikaleilla, niistä tehdyillä hitsauskokeilla ym. voidaan helposti suorittaa venymäpinnoitteen avulla. Vaikka kokeet ovat verrattain « yksinkertaisia, niiden informaatioarvo on erittäin suuri.

Paikallisen venymävaihtelun määrittäminen loven (esim. hitsin juurivirheen) pohjalla 30 onnistuu yleensä suoraan venymäpinnoitemenetelmällä. Loven pohjan venymätilaa 9 104761 ei tarvitse laskea perinteisesti Neuberin ja Glinkan verraten hankalilla ja epätarkkuutta tuovilla menetelmillä, jolloin paikallinen venymä määritellään yleensä Ram-ber-Osgood-muotoisen jännityksen ja venymän riippuvuuden avulla.

* 5 SAE-menetelmän mukaisessa väsymismitoituksessa paikallinen jännityshuippu pyritään ottamaan mahdollisimman tarkasti huomioon. Tällä keksinnöllä määritetään paikallinen venymä esimerkiksi hitsin rajaviivalla olevan loven pohjalla suo- ! raan sopivan venymäpinnoitteen halkeamien avulla.

10 Alan ammattimiehelle on selvää, että keksintö ei ole rajoittunut edellä esitettyihin toteutusmuotoesimerkkeihin, vaan sitä voidaan vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

* • · • « r ·/ «

Claims

104761

1. Menetelmä venymien ja niiden muutosten määrittämiseksi kappaleiden (1), 5 kuten metallisäiliöiden tms., pinnasta, jossa menetelmässä kappaleen pinnalle levitetään haurasta ainetta, ns. venymäpinnoitetta, esimerkiksi jännityslakkaa kappaleen ollessa lepotilassa, ja sen jälkeen kohdistetaan kappaleeseen rasitus, edullisesti yleensä vähintään käyttötilannetta vastaava rasitus, jolloin venymäpin-noitteen kynnysvenymän ylittyessä siihen syntyy halkeamia (4), joiden perusteella 10 määrätään venymäliuskan tai erilaisten liuskojen (A, B, C), esim. ns. rusetti liuskojen, sijoituskohta tarkempaa mittausta tai venymien määritystä varten, tunnettu siitä, että venymäpinnoitteen halkeamien (4) avulla ekstrapoloidaan ainakin yhden venymäliuskan osoittama arvo halutuissa suunnissa haluttuihin, esimerkiksi väsy-misarkoihin, kohtiin. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan venymäpinnoitteen halkeamalukumäärä tutkittavalta pituudelta kestävästä rakenteesta, tehdään sama mittaus esimerkiksi ohuemmasta rakenteesta, jolloin halkeamia (4) syntyy enemmän tutkittavalle pituudelle, määritetään vastaavat veny- 20 mät/venymävaihtelut, jotka ovat verrannollisia mainittujen halkeamien (4) määrään.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suoritetaan venymäliuskamittaus valitun halkeamatiheyden kohdalla ja ainakin yhdeltä venymäliuskalta (A, B, C) mitattu käyttäytyminen, kuten jännitysvaihtelu, ekstrapo- 25 loidaan venymäpinnoitteen halkeamien avulla suoraan verrannollisesti haluttuihin kohtiin ja suuntiin. 11 104761