High plastic utilization of welded beam section

Abstract

Denne avhandlingen presenterer en eksperimentell studie av materialegenskaper og materialparametre av usveiset og sveiset S355J2 hentet fra sveiseskjøten i et HUP 120×120×5 hulprofil. Muligheten for å utnytte sveiseskjøtens innvirkning på tverrsnittets plastiske bøyekapasitet undersøkes. I tillegg valideres materialparametrenes kvalitet og bruksverdi gjennom numeriske analyser for enaksielle strekktester (UT-tester) og for tre- og fire-punkts bøyetester. Kvasistatiske UT-tester ble utført for materialet midt i sveisen og ved 3, 8 og 60 mm avstand fra sveisens senter. Et laserkryss normalt på og parallelt med tykkelsesretningen i materialet målte minste diameter kontinuerlig til brudd. Resultatet av testene viste økt flytespenning og redusert duktilitet i materialet i den varmepåvirkede sonen (HAZ). Det ble også påvist redusert grad av anisotropi i materialet i og nære sveisesenteret. I tillegg ble det utført tre hurtigere tester av materialet midt i sveisen. Disse viste redusert bruddtøyning for økt tøyningshastighet, men tøyningssensitiviteten til materialet ble generelt vurdert som lav. For å se virkningen av en sveist forbindelse i en bjelke ble kvasistatiske og dynamiske bøyetester utført på sveisede og usveisede hulprofiler (HUP 120×120×5). Det ble gjennomført to ulike tester; tre- og fire-punkts bøy, hvor hhv. et og to flyteledd er forventet. I de skjøtede bjelkene var sveisen plassert nært det maksimale bøyemomentet. Resultatet av bøyetestene viste betydelig økning i styrke hos de sveisede bjelkene ved kvasistatisk belastning, men forskjellen var liten ved dynamisk belastning. Sveisen fremsto som duktil og viste ingen tegn til brudd ved sveisens maksimale tøyning som ble målt til 0.09 (som var godt innenfor den plastiske kapasiteten i HAZ basert på resultatet fra UT-testene). Resultatene fra de kvasistatiske UT-testene ble brukt til å kalibrere fire Modifisert Johnson–Cook-materialmodeller (MJC-modeller) for materialet i og rundt sveisen. I tillegg ble spennings – tøyningskurvene brukt til å estimere Cockcroft–Lathams (CL) bruddkriterium. Materialparametrene ble implementert i en numerisk elementmodell av de kvasistatiske UT-testene for å vurdere kalibreringens kvalitet. Analyseresultatene viste stort samsvar mellom testresultatene og den numeriske modellen både med hensyn på styrke og brudd. For å undersøke materialmodellenes bruksverdi i mer komplekse applikasjoner ble de også implementert i en elementmodell av de kvasistatiske og dynamiske bøyetestene. Ved sammenligning av kraftkurven med hensyn på relativ forskyvning var samsvaret mellom test og modell god for de kvasistatiske bøyetestene. Modellen klarte imidlertid ikke å gjenskape de dynamiske tre-punkts bøyetestene tilstrekkelig. Balansen mellom toppunktet på kraftkurven og oppmykningen var feil representert. Også styrkenivået ved dynamisk fire-punkts bøying var noe underestimert i den dynamiske simuleringen.

This thesis presents an experimental study of material properties and material parameters of unwelded and welded S355J2 obtained from a butt-welded joint in a HFSHS 120×120×5 beam. The possibility of utilizing improved material properties in the welded connection in terms of cross-sectional plastic bending capacity is investigated. In addition, the quality and applicational value of the material parameters are validated through numerical analyses for uniaxial tensile tests (UT tests) and for three- and four-point bending tests. Quasi-static (QS) UT tests were performed for the material in the middle of the weld and at an offset of 3, 8 and 60 mm from the weld center. A laser continuously tracked the minimum diameter normal and parallel to the thickness direction of the material until fracture. The test results showed increased yield strength and reduced ductility for the material in the weld and the heat affected zone (HAZ). A reduction of anisotropic behaviour was also observed. Additionally, three faster UT tests were performed for the material in the center of the weld where the strain rate sensitivity was found to be low. To observe the impact of a welded joint in terms of plastic capacity, QS and dynamic bending tests were performed on welded and unwelded hollow sections (HFSHS 120×120×5). Two different test setups were used; three- and four-point bending, where one and two plastic hinges are expected, respectively. The butt weld in the welded beams was located close to the maximum bending moment. Test results showed a significant increase in strength for the welded beams subjected to QS loading. The weld appeared as ductile and showed no signs of failure at the maximum strain of 0.09 (which was far within the plastic capacity in the HAZ based on UT test results). The results of the quasi-static UT tests were used for calibration of four Modified Johnson–Cook (MJC) material models for the material in and around the weld. In addition, the true stress-strain curves were used to estimate Cockcroft–Latham's (CL) fracture criterion. The material parameters were implemented in a numerical model of the quasi-static UT tests to validate the quality of the obtained material parameters. The numerical analysis results corresponded well with the UT tests in terms of both strength and ductility. To validate the applicational value of the material models in more complex applications, they were also implemented in a numerical model of the QS and dynamic bending tests. When comparing the force – relative displacement curves from QS bending tests and simulations, the compliance was good. However, the model failed to adequately model dynamic three-point bending. The balance between the peak force and the softening was incorrectly represented. The force level in the dynamic four-point bending tests was also somewhat underestimated.