Fatigue Life Prediction of Arc-welded Joint considering the End Shape of the Weld Beads
- 주제어 (키워드) Arc-welded joint , fatigue , Volvo Method (2 Stress Life curve) , end shape of weld beads , finite element method , 아크 용접 , 피로 , 끝단 형상 , 유한요소법
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김동철
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000078870
- UCI I804:11029-000000078870
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Fatigue in automotive design is crucial phenomenon that affects the service life of welded joints subjected to dynamic loads. In automotive sheet metal welding/joining, various techniques such as spot welding, arc welding, laser welding, structural adhesives, and mechanical joining are employed. Among these, arc welding is primarily used for chassis components. Generally, the stability of the arc significantly affects welding quality. Since the stability of the arc can vary based on the material, shape, and applied welding conditions of the weld, evaluating the fatigue impact of arc-welded joints is essential. As the fatigue life assessment of weld becomes increasingly crucial, various end shape of weld beads have been developed to enhance fatigue strength. Arc Welding in chassis components can become a weak point in fatigue assessment due to stress concentration caused by dynamic loads from the road surface. To improve fatigue strength of weld, changes in weld end shapes are introduced. Accurate fatigue life prediction techniques based on different weld end shapes are essential to ensure proper application according to the location of the chassis components under varying dynamic loads. However, no finite element modeling method has been developed to predict the fatigue life of various end shapes of weld beads. This study develops an finite element modeling method using the Volvo Method (2 stress life curve model) for various end shapes of weld beads. The Volvo Methods defines the stresses acting on welded joints as membrane stress and bending stress. Allowing finite element analysis to predict the fatigue life of the joint under combined stresses. Also, to expand the bending ratio beyond that used in the current 2 stress life curve model, this study proposes new weld specimen geometry is introduced. Additionally, this study defines a bending ratio threshold, a criterion for evaluating bending effects on individual elements, using single lap welded joint specimen with various end shape of weld beads. A finite element modeling method for end shape of weld beads is developed to improve the accuracy of fatigue life prediction by testing the fatigue of weld specimens. The new 2 stress life curve model is validated by comparing the predicted fatigue life with the fatigue life obtained through fatigue test. The error of this developed optimized element thickness model is compared with fatigue life with single lap welded joint specimen welded to 45°, achieving a significant accuracy in prediction with maximum error of 0.59.
more초록 (요약문)
자동차 설계 분야에서의 피로는 일반적인 용접 접합부에서 동적 하중을 받는 경우 사용 수명에 영향을 미치는 중요한 현상이다. 자동차 강판의 용접/접합은 스팟 용접, 아크 용접, 레이저 용접, 구조용 접착제, 기계적 접합 등 다양한 방법이 적용되는데, 이들 중 샤시 부품에는 아크 용접이 주된 용접 방법으로 사용된다. 일반적으로 아크의 안정성이 용접 품질에 중요한 현상을 미치며, 아크의 안정성은 용접부의 재질, 형상 및 적용된 용접 조건에 따라 변할 수 있기 때문에 아크 용접부의 피로 영향도 평가는 필수적인 요소이다. 또한 용접의 내구성 평가가 중요해진만큼 내구성을 향상시키기 위한 목적으로 다양한 용접 끝단 처리방법이 이루어진다. 샤시 부품에서의 활용되는 아크 용접은 노면으로부터 동적 하중이 작용할 때, 응력 집중이 발생하여 내구도 평가에서 취약 지점으로 평가된다. 아울러 용접의 내구성을 향상시키기 위한 목적으로 용접 양끝단에 다양한 형상 변화를 주어가며 용접이 진행된다. 노면으로부터의 다양한 동적 하중을 고려하여 샤시 부품의 위치에 따라 적절한 용접 끝단 처리 방법을 활용하기 위해서는 용접 끝단 처리 방법에 따른 정확한 피로 수명 예측 기술이 필요로 한다. 그러나 현재까지 보고된 바에 따르면 이러한 다양한 아크 용접부의 끝단 처리 방법을 고려하여 피로 수명을 예측을 하기 위한 해석 모델의 개발이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 다양한 아크 용접부의 끝단 처리 방법에 따른 해석 모델의 개발을 위해 Volvo Method (2 Stress Life curve Model)를 활용하였다. Volvo Method는 용접부에 작용하는 응력을 Membrane Stress와 Bending Stress로 정의하여 복합 응력이 작용할 때의 용접부의 내구 수명을 예측할 수 있는 유한요소해석 기법이다. 현재 활용되는 2 Stress Life curve 보다 확장된 bending ratio 범위를 도출하기 위해 새로운 용접 시편 형상을 제안하고, 요소별 해석 모델을 설계함으로써 새로운 2 Stress Life curve model을 개발하였다. 새롭게 제안한 용접 시편 형상의 재현 해석을 하여 피로 시험을 통해 확보한 피로 수명과 해석을 통해 도출한 예측 내구 수명의 정확도 오차를 비교하며 새롭게 정의한 2 Stress Life curve의 정합성을 확보하였다. 또한, 다양한 끝단 처리 방법에 따른 single lap 구조의 용접 시편을 통해 아크 용접부의 내구 수명 예측 정확도를 향상시킬 수 있는 해석 모델을 개발하였다. 이 모델링 방법은 검증 시험 (Component Test)을 통해 확보한 피로 수명 물성과 개발한 모델링 방법을 적용하여 도출한 예측 내구 수명을 비교함으로써 검증하였다. 본 연구에서 진행한 띄움, 제길이, 단순 연장, 내측 연장, 외측 연장의 끝단 처리방법에 따르는 모델링 방법을 각 피로 수명과 비교하였으며, 최대 오차 0.59의 예측 결과를 통해 끝단 처리 방법에 따른 모델링 방법을 검증하였다.
more목차
1. Introduction 1
2. Fatigue life prediction of arc-welded joint 5
2.1. Materials 10
2.2. Fatigue test 12
2.2.1 Uniaxial tensile fatigue test 12
2.2.2 Four point bending fatigue test 14
2.3. Configuration of 2 Stress Life curve 17
2.4. Validation of pure membrane and bending Stress Life curve 22
3. Development of modeling method for arc-welded joint end shape 25
3.1. Fatigue test 25
3.2. simplified loading mode function, 𝐼(𝑟) 26
3.3. Development of finite element modeling method 29
4. Validation of modeling method for arc-welded joint end shape 33
4.1. Fatigue test 33
4.2. Optimized element thickness modeling method 34
4.3. Results and discussion 34
5. Conclusion 37
6. Reference 38
