Hot Spot Stress and Notch Stress Versus Nominal Stress in Fatigue Life Analysis by DNV-RP-C203

摘要

Målet med denne oppgaven har vært å sammenligne levetidsberegninger i ulike caser ved å bruke metodene knyttet til geometrisk spenning, kjervspenning og nominell spenning i henhold til den anbefalte praksisen DNV-RP-C203. Denne oppgaven er gjennomført som et ledd i ønsket fra Institutt for Matematiske realfag og Teknologi (IMT) om å øke kunnskapen rundt disse metodene.Metoden for oppgaven er basert på litteraturstudier, og beregningene er gjort i FE-program på data. FE-modellene er forenklet med tanke på antall noder og elementer da programvarelisensen ikke tillot store beregningsmodeller. Forbindelsene som er undersøkt i oppgaven er hentet fra vedlegg A i DNV-RP-C203 hvor ulike sveisede forbindelser klassifiseres med nominelle S-N kurver. Oppgaven er begrenset ved at den kun ser på geometriske spenninger og kjervspenninger hentet fra FE-analyser, og dimensjoneringsmetoden «spenning – levetid». DNV-RP-C203 presenterer metodene på en god og oversiktlig måte og anbefales dersom leseren ønsker å sette seg mer inn i disse. For mer info om utmatting av sveiste forbindelser anbefales boken «Fatigue Life Analyses of Welded Structures – Flaws» av Tom Lassen og Naman Recho. Boken legger frem ulike metoder på en god og oversiktlig måte.De beregnede levetidene varierer mellom å være konservative og ikke-konservative i forhold til den nominelle levetiden. Felles for alle ikke-konservative resultater er at de forekommer når forskjellen mellom den nominelle S-N kurven og S-N kurvene for de alternative metoden er størst. De geometriske endringene som nedgraderer den nominelle S-N kurven ser ikke ut til å skape nok spenningskonsentrasjoner til at levetiden for de alternative metodene faller like raskt. I en av casene spenner resultatene for den geometriske spenningen seg fra å være 40% lavere enn den nominelle levetiden til å være 192% høyere for ulike tilfeller. I samme case spenner levetiden for kjervspenningen seg fra å være 36% lavere til å være 55% høyere. Dette er de største forskjellene som er funnet, og resultatene i denne oppgaven viser at levetid for kjervspenningen generelt ligger nærmere den nominelle levetiden. Det er viktig å merke seg at dette er de største variasjonene i levetiden, og at i de aller fleste undersøkte tilfellene gir de alternative metodene gode tilnærminger til den nominelle levetiden. Variasjonen viser likevel at resultatene kan være vanskelig å stole på, og metodene baserer seg derfor en hel del på at man har erfaring i bruken av disse. Det er også viktig å inneha tilstrekkelig med kompetanse innen FE-programvare. Oppgaven belyser også derfor en rekke faktorer som har, og kan ha påvirket den beregnede levetiden.AbstractThe objective of this study was to compare fatigue life in different cases using the methods tied to nominal stress, hot spot stress and notch stress. The methods used are those described in DNV’s recommended practice, DNV-RP-C203. This study is part of an objective to increase the knowledge of these methods at the Department of Mathematical Sciences and Technology (IMT) after they expressed a desire to do so.The method of this study is based on those described in the recommended practice, DNV-RP-C203, and other relevant fatigue literature. Stresses were obtained from FE-analysis, and due to limitations in the program license, simplifications to the FE-models were necessary. The welded connections presented in this study are found in DNV’s classification of S-N curves, and these gave a good foundation on which to compare the different methods. The study is limited to hot spot stress and notch stress obtained for FE-analysis and fatigue assessment by the S-N method.DNV-RP-C203 explains the methods in way that is easy to understand, and if the reader wishes to know more it is recommended to read the document. For more literature on different approaches to fatigue analysis the book «Fatigue Life Analyses of Welded Structures – Flaws» by Tom Lassen and Naman Recho can also be recommended.The calculated fatigue life varies between being conservative and non-conservative compared to the nominal fatigue life. The two methods have in common that all non-conservative results occur when the difference between the nominal S-N curve used and the S-N curve for the other methods used are at its largest. The drop in nominal fatigue life caused by a downgrading of the S-N curve is larger than the drop in fatigue life caused by the supposed increasing local stress concentrations for the other methods. In one of the cases the calculated fatigue life of the hot-spot method ranges between being 40% lower to 192% higher than the nominal fatigue life. In the same case the notch method ranges between being 36% lower to 55% higher. The results in this study show that the notch method gives results closer to the nominal method than the hot spot method. It is important to notice that, in spite of the large variations above, most results show that the alternative methods gives good fatigue life estimations compared to the nominal method.The variations in conservativism lowers the credibility of the fatigue life estimations, and shows that in order to be able to rely on the results it is vital to have enough experience using these methods. This study also presents several factors that have, and could have contributed to the variations in fatigue life. It is also important that the user has adequate skills in the use of FEA.