Consideration of the Residual Stress Relief in Fatigue ... · Fatigue testing of welded specimens...
Transcript of Consideration of the Residual Stress Relief in Fatigue ... · Fatigue testing of welded specimens...
Consideration of the Residual Stress Relief in Fatigue Assessment of Welded Components
I. Varfolomeev, D. Siegele, S. Moroz, M. Brand
Fraunhofer IWM, Freiburg, Germany
J. Baumgartner
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Fraunhofer LBF, Darmstadt, Germany
ESIS TC1 Workshop „Structural Integrity of Weldments“, December 5-6, 2012, Freiburg
� Motivation
� Material, mechanical testing
Outline
� Fatigue testing of welded specimens
� Numerical weld simulation
� Modelling residual stress relief
� Test evaluation
� Conclusions
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
2
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
� Straightforward, easy-to-apply procedure
� Approval in engineering community
� Basis – uniaxial S-N curves
IIW recommended practice
� Basis – uniaxial S-N curves
� Assessment in terms of nominal (normal or shear) stress,
structural hot spot stress, effective notch stress
� Simplified fatigue analysis approach for classified structural components
(FAT classes)
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
IIW based assessment
S-N curves for steels, normal stress, constant amplitude loading
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
IIW recommended practice
Open issues, limitations
� Validation � availability of experimental data for different types of joints
� Treatment of joints which are not described by available models
� Consideration of
� specific notch geometry
� welding distortion
� multiaxial stress state
� redistribution of residual stress due to external loading
� Transferability of test results to other geometries
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
� Transferability of test results to other geometries
Topics partly addressed in this study
Material S460NL (fine grained steel) – static tests
True stress-strain curves
1200
400
600
800
1000
wah
re S
pa
nn
un
g [
MPa] TT2Z01 RT
TT2Z02 RTTT2Z03 RTTT2Z04 RTTT2Z06 100°CTT2Z07 100°CTT2Z09 200°CTT2Z10 200°CTT2Z12 300°CTT2Z13 300°CTT2Z14 350°CTT2Z15 400°CTT2Z16 400°CTT2Z30 450°C
Tru
e s
tre
ss [M
Pa
]
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6
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
0
200
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
wahre Dehnung [mm/mm]
TT2Z30 450°CTT2Z19 500°CTT2Z18 500°CTT2Z17 560°C
True strain [mm/mm]
Material S460NL – cyclic tests, RT
LCF tests on base metal
R = -1 R = 0 R = 0,5Rε = -1 Rε = 0 Rε = 0,5
Str
ess, M
Pa
Str
ess, M
Pa
Str
ess, M
Pa
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7
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Time, sTime, s Time, s
Cyclic plasticity model – parameter fit
Chaboche (1)
0
200
400
600
Span
nun
g [
MPa]
0.2% Versuch
0.4% Versuch
0
200
400
600
Spannung [
MPa]
0.2% Versuch
0.4% Versuch
0
200
400
600
Spannung [
MPa]
0.2% Versuch
0.4% Versuch
R = -1 R = 0 R = 0,5
-600
-400
-200
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Dehnung [%]
Span
nun
g
0.4% Versuch
0.6% Versuch
1.0% Versuch
0.2% Anpassung
0.4% Anpassung
0.6% Anpassung
1.0% Anpassung
-600
-400
-200
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Dehnung [%]
Spannung
0.4% Versuch
0.6% Versuch
1.0% Versuch
0.2% Anpassung
0.4% Anpassung
0.6% Anpassung
1.0% Anpassung
-600
-400
-200
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Dehnung [%]
Spannung
0.4% Versuch
0.6% Versuch
1.0% Versuch
0.2% Anpassung
0.4% Anpassung
0.6% Anpassung
1.0% Anpassung
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Specimen geometry and test setup
Plastic pre-stressing under compressive loading
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Load vs. displacement records
Plastic pre-stressing
24
8
12
16
20
24
Kra
ft, F
[kN
]
Probe TT4KU01
Probe TT4KU02
Probe TT4KU03
Probe TT4KU05
Probe TT4KU13
Probe TT4KU25
Probe TT4KU30
Probe TT4KU33
Probe TT4KU36
Probe TT4KU38
Lo
ad
, kN
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10
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
0
4
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
Schrumpf, ∆L0 [mm]
Probe TT4KU38
Probe TT4KU39
Probe TT4KU20
Probe TT4KU29L0 = 10 mm
Length reduction, mm
Test vs. FEA results
Material model after Chaboche (1)
Plastic pre-stressing
24
8
12
16
20
24
Kra
ft, F
[kN
]
Probe TT4KU01
Probe TT4KU02
Probe TT4KU03
Probe TT4KU05
Probe TT4KU13
Probe TT4KU25
Probe TT4KU30
Probe TT4KU33
Probe TT4KU36
Probe TT4KU38
Probe TT4KU39
Lo
ad
, kN
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
0
4
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
Schrumpf, ∆L0 [mm]
Probe TT4KU39
Probe TT4KU20
Probe TT4KU29
Chaboche (1)
Length reduction, mm
Further cyclic plasticity models
0
200
400
600
Spannung [M
Pa]
0.2% Versuch
0
200
400
600
Span
nung [
MPa]
0
200
400
600
Spannung [M
Pa]
R = -1
Chaboche (2)
-600
-400
-200
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Dehnung [%]
Spannung
0.2% Versuch
0.4% Versuch
0.6% Versuch
1.0% Versuch
0.2% Abaqus
0.4% Abaqus
0.6% Abaqus
1.0% Abaqus
-600
-400
-200
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Dehnung [%]
Span
nung
-600
-400
-200
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Dehnung [%]
Spannung
200
400
600
[M
Pa] 200
400
600
[M
Pa]200
400
600
[M
Pa]
R = -1
R = 0 R = 0,5
Ellyin-Xia
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
-600
-400
-200
0
200
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Dehnung [%]
Spannung [M
Pa]
-600
-400
-200
0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Dehnung [%]
Spannung [M
Pa]
-600
-400
-200
0
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Dehnung [%]
Spannung [M
Pa]
0.2% Versuch
0.4% Versuch
0.6% Versuch
1.0% Versuch
0.2% Anpassung
0.4% Anpassung
0.6% Anpassung
1.0% Anpassung R = 0 R = 0,5
Test vs. FEA results
Material model after Chaboche (2) and Ellyin-Xia (EXM)
Plastic pre-stressing
24
8
12
16
20
24
Kra
ft, F
[kN
]
Probe TT4KU01
Probe TT4KU02
Probe TT4KU03
Probe TT4KU05
Probe TT4KU13
Probe TT4KU25
Probe TT4KU30
Probe TT4KU33
Probe TT4KU36
Probe TT4KU38
Probe TT4KU39
Probe TT4KU20
Lo
ad
, kN
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
0
4
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
Schrumpf, ∆L0 [mm]
Probe TT4KU20
Probe TT4KU29
Chaboche (2)
Ellyin-Xia
Length reduction, mm
4PB specimen for S-N curve testing
Objectives
� Perform tests in resonant testing machine
� Variable stress ratio (R)
� Specimens with and without plastic pre-straining
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Crack patterns in bend specimens
Cracks initiate at the specimen surface, both in the middle and at the edges
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
the edges
Moderate data scatter
Exceptions: non-metallic inclusions and fretting
S-N curve, R = -1
410
430
Str
ess
am
pli
tud
e [
MPa]
no pre-st ressing, R = -1
irregular tests
350
370
390
Str
ess
am
pli
tud
e [
MPa]
f ret t ing
non-metallic inclusions
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
330
1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07
Nf [LW]
f ret t ing
Nf, cycles
S-N data for bend specimens
420
430
380
390
400
410
420
Str
ess
am
pli
tud
e [
MPa
]
no pre-st ressing, R = -1
no pre-st ressing, R = -0,76
no pre-st ressing, R = -0,61
no pre-st ressing, R = -0,32
plast ic pre-st ressing, R = -1
plast ic pre-st ressing, R = -0,76
plast ic pre-st ressing, R = -0,61
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
360
370
1.E+04 1.E+05 1.E+06
Str
ess
am
pli
tud
e [
MPa
]
Nf [LW]Nf, cycles
Damage parameters
Smith, Watson, Topper
� Take into account effects due to mean stress and stress triaxiality
� Allow for comparison of fatigue curves for different specimen geometries and/or loading conditions
( ) ( )NNcbbf
222
2
1 εσσε
σ ′′+′
=∆ +
Smith, Watson, Topper
Fatemi, Socie ( ) ( ) γγ γτ
σ
σγ c
ff
b
f
fnNN
Gk 221
2 0
max, ′+′
=
+
∆
( ) ( )
EP
NNE
nSWT
cb
fff
b
f
f
n
2
222
1max,
21max,
εσ
εσσε
σ
∆=
′′+′
=∆ +
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Further parameters: Findly; Brown and Miller; Liu; Chu, Conle und Bonnen; …
DP-N data for bend specimens (DP = Damage
Parameter)
0.0028
0.003
keine Vorbelastung, R = -1
keine Vorbelastung, R = -0.76
keine Vorbelastung, R = -0.61
keine Vorbelastung, R = -0.32
stat . Vorbelastung, R = -1
stat . Vorbelastung, R = -0.76
stat . Vorbelastung, R = -0.61
[-]
375
400
425
450Chaboche; Element 8
keine Vorbelastung, R = -1
keine Vorbelastung, R = -0.76
keine Vorbelastung, R = -0.61
keine Vorbelastung, R = -0.32
stat . Vorbelastung, R = -1
stat . Vorbelastung, R = -0.76
stat . Vorbelastung, R = -0.61
[M
Pa]
105
106
0.0024
0.0026
PFS
[-]
Schwingspielzahl
105
106
300
325
350
PSW
T [
MPa]
Schwingspielzahl
260
280
300
keine Vorbelastung, R = -1
keine Vorbelastung, R = -0.76
keine Vorbelastung, R = -0.61
keine Vorbelastung, R = -0.32
stat. Vorbelastung, R = -1
stat. Vorbelastung, R = -0.76
stat. Vorbelastung, R = -0.61
[M
Pa]
0.7
0.8
0.9
1
keine Vorbelastung, R = -1
keine Vorbelastung, R = -0.76
keine Vorbelastung, R = -0.61
keine Vorbelastung, R = -0.32
stat. Vorbelastung, R = -1
stat. Vorbelastung, R = -0.76
stat. Vorbelastung, R = -0.61
[M
Pa]
Fatemi, Socie Smith, Watson, Topper
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
105
106
200
220
240
PFI
N [
MPa]
Schwingspielzahl
105
106
0.5
0.6
0.7
PC
CB [
MPa]
SchwingspielzahlNf, cycles Nf, cycles
Findley Chu, Conle, Bonnen
Welded specimens
Longitudinal stiffenert = 12 mm, 2W = 60 mm, L = 500 mm
D
3
2 2
1
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
20
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
W
F
1
2 2
3
Welded specimens – test preparation
Str
ain
due to c
lam
pin
g, µ
m/m
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
21
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Angle deflection, °
Str
ain
due to c
lam
pin
g, µ
m/m
Welded specimens – S-N curves
, M
Pa
, M
Pa
Specimens as-welded
Load a
mplit
ude F
a,
kN
Nom
inal str
ess a
mplit
ude σ
n,a,
MP
a
Load a
mplit
ude F
a,
kN
Nom
inal str
ess a
mplit
ude σ
n,a,
MP
a
crack initiation
failure
crack initiation
failure
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
22
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
N, cyclesN, cycles
Crack propagation makes considerable contribution to fatigue life
Welded specimens – S-N curves
Specimens post heat-treated
MP
a
MP
a
Load a
mplit
ude F
a,
kN
Nom
inal str
ess a
mplit
ude σ
n,a,
MP
a
Load a
mplit
ude F
a,
kN
Nom
inal str
ess a
mplit
ude σ
n,a,
MP
a
crack initiation
failure
crack initiation
failure
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
N, cyclesN, cycles
WRS analyses for longitudinal stiffener
� Welding simulation using SYSWELD
� Transfer of results to ABAQUS
� Stresses
� Plastic strains
� Displacements
� Equilibrium iteration in ABAQUS
� Simulation of clamping of the specimen
� Simulation of cyclic loading � relief of residual stresses
� Plasticity model according to Chaboche (2)
200
400
600
[M
Pa]
R = -1
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
24
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
-600
-400
-200
0
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Dehnung [%]
Spannung [M
Pa]
0.2% Versuch
0.4% Versuch
0.6% Versuch
1.0% Versuch
0.2% Abaqus
0.4% Abaqus
0.6% Abaqus
1.0% Abaqus
Axial stresses
a) as welded b) after clamping
c) Fmax = 130 kN d) Fmin = 0
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25
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Longitudinal stiffener: WRS relief
∆∆∆∆F = 130 kN, R = -1 ∆∆∆∆F = 130 kN, R = 0
500
600Gleichgewicht
Einspannung500
600Gleichgewilcht
Einspannung
as welded
clampingas welded
clamping
0
100
200
300
400
500
Sp
an
nu
ng
, σ
11 [
MP
a]
Einspannung
Fmax=65 kN
Fmin=-65 kN
F=0
0
100
200
300
400
500
Sp
an
nu
ng
, σ
11 [
MP
a]
Einspannung
Fmax=130 kN
Fmin=0
Str
ess σ
11
[MP
a]
Str
ess σ
11
[MP
a]
clamping clamping
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
26
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
-100
0
0 10 20 30
Abstand vom Nahtübergang [mm]
-100
0
0 10 20 30
Abstand vom Nahtübergang [mm]Distance to weld toe [mm] Distance to weld toe [mm]
Longitudinal stiffener: WRS relief
400
500
WR
S a
xia
l co
mp
on
en
t, M
Pa
Fmax = 60 kN
-200
-100
0
100
200
300
400
WR
S a
xia
l co
mp
on
en
t, M
Pa R = -1
R = 0 Fmin = -60 kN
F = 0
© Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
27
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
-200
0 100 200 300 400 500
Nominal st ress amplitude, MPa
WRS distribution along the surface
500
700mit Umwandlungen, sigma 11
mit Umwandlungen, sigma 33
mit Umwandlungen, sigma 22
-300
-100
100
300
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
Span
nu
ngen
[M
Pa]
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28
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
-500
-300
abgewickelte Länge [mm]
Gurtblech
WRS measurements (X-ray)
300
400
500
nicht geglüht P39 nicht geglüht P48σ11 between 320 and 400 MPa at weld toe (matching with simulation)
-100
0
100
200
300Omega-Mode längs zur Naht
PSI-Mode quer zur Naht
σ11
σ11
σ11
σ11
σ22
σ22
σ22
σ22
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29
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
-300
-200
WEZ 8 mm WEZ 8 mm
σ11 negative in 8 mm distance (surface treatment)
WRS redistribution under cyclic loading
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30
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Parameter study on butt welded plates
Plate thickness 10 mm, 2 weld passes
Plate thickness 25 mm, 16 weld passes
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31
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Correlation of FEA results with FAT classes
Analysis approach
� Reference case – longitudinal stiffener
� Calculate fatigue damage parameters according to FAT 71 (see table) � construct fatigue curve for LS
� FEA for plates � merge fatigue curves for different joints
FATFATFATFAT LLLLoad cyclesoad cyclesoad cyclesoad cycles, LW, LW, LW, LW
5×105×105×105×104444 3×103×103×103×105555 2×102×102×102×106666
71 215 133 71
100 303 177 100
125 333 235 125
FAT 71 FAT 71FAT 125
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32
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
FAT 71 FAT 71FAT 125
Correlation of FEA results with FAT classes
-3
4x10-3
Reference FAT 71
10-4
10-3
PFS
[-]
Längssteife - R=0 mit Einspannen (FAT 71)
Längssteife - R=-1 mit Einspannen (FAT 71)
Platte t=10 mm - R=0 quer zu Naht (FAT 71)
Platte t=10 mm - R=-1 quer zu Naht (FAT 71)
Platte t=10 mm - R=0 längs zu Naht (FAT 125)
Platte t=10 mm - R=-1 längs zu Naht (FAT 125)
FAT 71 � adjust
FAT 125 - OK
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33
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
104
105
106
107
Schwingspielzahl
Correlation of FEA results with FAT classes
Reference FAT 71
-3
4x10-3
FAT 100 (adjusted)
FAT 125 - OK
10-4
10-3
PFS
[-] Längssteife - R=0 ohne Einspannen (FAT 71)
Längssteife - R=-1 ohne Einspannen (FAT 71)
Längssteife - R=0 mit Einspannen (FAT 71)
Längssteife - R=-1 mit Einspannen (FAT 71)
Platte t=10 mm - R=0 quer zu Naht (FAT 100)
Platte t=10 mm - R=-1 quer zu Naht (FAT 100)
Platte t=10 mm - R=0 längs zu Naht (FAT 125)
Platte t=10 mm - R=-1 längs zu Naht (FAT 125)
Platte t=25 mm - R=0 quer zu Naht (FAT 100)
Platte t=25 mm - R=-1 quer zu Naht (FAT 100)
Platte t=25 mm - R=0 längs zu Naht (FAT 125)
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34
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
104
105
106
107
Schwingspielzahl
Platte t=25 mm - R=0 längs zu Naht (FAT 125)
Platte t=25 mm - R=-1 längs zu Naht (FAT 125)
Estimating crack propagation
Beach marks due to variable amplitude loadingCrack propagation phase ~700,000 cycles
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35
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
FCG calculations
Analytical model
� Stress gradient in both thickness and width directions
� Stress input
� Stabilized WRS distribution
� Stress distribution due to external loading
Initial crack a×2c = 0.2×1 mm²� Initial crack a×2c = 0.2×1 mm²
� Final crack depth 12 mm
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36
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
Fatigue crack growth rates for steel S460
Data by M. Vormwald
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37
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
FCG curves for steel S460
Fit according to BS 7910
1.E-02R = -1
1.E-05
1.E-04
1.E-03
da/d
N, m
m/c
ycl
e
R = -0.4
R = 0
R = 0.4
R = 0.7
BS 7910, steels in air, R ≥ 0.5, 50%
BS 7910, steels in air, R ≥ 0.5, 98%
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38
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
1.E-07
1.E-06
1 10 100
∆K, MPa√m
FCG curves for steel S460
Fit by Mettu-Forman equation (NASGRO)
1.E-02R = -1
1.E-05
1.E-04
1.E-03
da/d
N, m
m/c
ycl
e
R = -1
R = -0.4
R = 0
R = 0.4
R = 0.7
NASGRO, R = -1
NASGRO, R = -0.4
NASGRO, R = 0
NASGRO, R = 0.4
NASGRO, R = 0.7
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39
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
1.E-07
1.E-06
1 10 100
∆K, MPa√m
Results of FCG calculations, R = 0
Fmax, kN σσσσn,max, MPa N, cycles
160 223 74,000
120 167 138,000
80 111 400,000
40 56 3,314,000
80
no WRS relief considered
111 361,000
Load a
mplit
ude F
a,
kN
Nom
inal str
ess a
mplit
ude σ
n,a,
MP
a
PredictedS-N failure curve
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40
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
N, cycles
Load a
mplit
ude F
Nom
inal str
ess a
mplit
ude
� Numerical analysis of welding residual stresses and consideration of their
redistribution under in-service loading provide a rational way for transferring
S-N data obtained on particular welded joints to another geometries
� When doing so, damage parameters can be applied to derive correlation between
different geometries and loading conditions (including stress triaxiality and mean
Conclusions
different geometries and loading conditions (including stress triaxiality and mean
stress effects)
� Parameters according to Fatemi and Socie and Smith, Watson and Topper seem to be
most appropriate damage parameters for the material considered
� For the longitudinal stiffener, crack propagation makes a major contribution to fatigue
life
� Given S-N curve at crack initiation, the fracture mechanics approach reasonably
predicts the S-N curve at failure, and vice versa
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41
Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik
predicts the S-N curve at failure, and vice versa
� No significant effect of the WRS relief on fatigue crack growth rates in the stiffener
was observed. This result may be due to specific geometry (small hot spot at the
notch root) and should not be generalised
Acknowledgements
IGF Project No. 15.913 N / DVS-Nr. 09.049 funded by „Forschungsvereinigung funded by „Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V.
des DVS“, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf
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Systemzuverlässigkeitund Maschinenakustik