Evaluation of the Hot-Spot Method for a Bracket Geometry

Abstract

Et viktig del ved mekanisk design er å vurdere utmattingslevetid hos en komponent. En slik metode er hot-spot spenningsmetoden, som innebærer å beregne hot-spot spenningen ved sveisetåen. Ved å bruke denne metoden kan komplekse strukturer analyseres ved hjelp av elementmetoden, ofte basert på skallelementer. Det er knyttet en del usikkerhet omkring komplekse plategeometrier, for eksempel braketter. Elementanalyse utføres på en spesifikk brakettgeometri, som er modellert ved bruk av både volum- og skallelementer. Deretter ble et prøvestykke, levert av Aker Solutions, testet under strekklast og utmatting. Først ble hot-spot spenningene ved sveisetåen til braketten ekstrapoleres ved hjelp av strekklapper. Deretter ble prøven utsatt for sykliske belastninger, med en gitt spenningsvidde, inntil utmattingssvikt oppnås. Hot-spot spenningene, fra både elementanalysen og strekklappene, sammenlignes med S-N-diagrammet for klasse D. Det ble vist ved hjelp av metoden, at det kom til å oppstå brudd, og dette tilsier at metoden er korrekt i dette tilfellet. Utmattingslevetid funnet i utmattingstesten sammenlignes også med det relevante S-N-diagrammet, for å finne hvilken klasse som stemmer best overens med prøvestykket, og derved finne hvilken klasse som ville gitt konservativ prediksjon av utmattelseslevetid. Antall tester var ikke tilstrekkelig til å gjøre noen sikre konklusjoner på resultatene.

An important aspect in mechanical design is to assess the fatigue life of a component. A method for assessing fatigue is the hot-spot stress method, which involves computing the hot-spot stress at the weld toe. Using this method, complex structures can be analysed using the finite element method, often based on shell elements. There exists uncertainty with more complex plate geometries, such as brackets. Finite element analysis is performed on a specific bracket geometry, which is modelled using both solid and shell elements. Then, a manufactured specimen is tested. The hot-spot stresses at the weld toes of the bracket is extrapolated using strain gauges. The same specimen is then subjected to cyclic loads until fatigue failure is achieved. The hot-spot stresses for the same load range is compared with the S-N diagram for class D, according to the hot-spot method. It is found that the hot-spot stresses predicts failure, which indicates that the method is correct in this case. The stress range and cycles until failure found in the fatigue test is also compared to the relevant S-N diagram, to find which detail class align most with it, and thereby finding which detail class would give conservative prediction of fatigue life. In both these findings the number of tests were not sufficient to make any firm conclusions.