Evaluation of structural stressmethod and master curve for fatigue life prediction of a weldedjoint

Este artigo apresenta um estudo dos métodos da tensão estrutural hot spot e do método da curva mestre (Battelle) para a determinação da vida à fadiga de uma junta soldada do tipo T. Ambos os métodos utilizam o conceito de tensão estrutural, determinada, normalmente, através de modelos de elementos finitos. Utilizando diferentes tipos de modelos de elementos finitos de casca, os resultados obtidos pelos 2 métodos foram comparados com os obtidos experimentalmente, verificando‐se diferenças significativas entre os métodos. Os níveis de carregamento influenciaram decisivamente na precisão de ambas as metodologias, sendo que, para o caso em estudo, o método hot spot demonstrou ser mais preciso. O maior diferencial constatado para o método de Battelle foi a correção do parâmetro da tensão estrutural, visto que, sem essa correção, as tensões no pé da solda foram muito similares às obtidas pelo método hot spot. Comparando a curva mestre de comportamento à fadiga do método de Battelle com a curva do método hot spot, ambas em função da tensão nominal aplicada no ensaio, verificou‐se que o método hot spot é conservador. Para os diferentes modelos numéricos estudados, apenas uma técnica de modelagem forneceu resultados dispersos das demais. Pelo método de Battelle, o comportamento da componente de flexão da tensão variou consideravelmente de um modelo para o outro, denotando que, sobre um carregamento mais complexo, poderá haver uma variabilidade maior na vida à fadiga calculada.This paper presents a study on the structural hot spot stress method and the master curve method (Battelle) for evaluating the fatigue life of a T‐shaped welded joint. Both methods are based on the concept of structural stress, which is usually determined using finite element models. Using different types of shell finite element models, the results obtained by the two methods were compared to experimental data, verifying significant differences between the studied methods. The loading level had a great deal of influence over the accuracy of both methodologies, but on the other hand the hot spot method revealed to be more precise for the analyzed joint. The main differential for the Batelle method was the correction of the stress amplitude into an equivalent structural stress parameter, since, without this correction, the stresses on the weld toe were very similar between the Battelle and the hot spot methods. Comparing the master curve for the fatigue behavior of the Battelle method to the fatigue curve of hot spot method, with both curves expressed in terms of the nominal stress applied in the experiment, it was verified that the hot spot method is conservative. Among the different modeling techniques used, only one provided results that are not in agreement with the others. Using the Battelle method, the behavior of the bending stress component varied considerably according to the employed numerical model, indicating that can be a greater variability in the expected fatigue life for joints under more complex loading configuration.Peer Reviewe

Reliability based design optimization of a multi‐axial load cell using genetic algorithm

A construção de uma célula de carga multiaxial requer ferramentas robustas a fim de analisar o comportamento da mesma quando submetida a carregamentos estáticos e dinâmicos. Neste trabalho, é dada uma ênfase ao problema da otimização de um modelo de célula de carga multiaxial (6 componentes de força) do tipo Lywood, utilizando‐se do conceito de otimização baseada em confiabilidade. É tratado o problema da análise de confiabilidade estrutural, incluindo o efeito da variabilidade geométrica de suas propriedades físicas. A célula de carga foi analisada pelo método de elementos finitos e a restrição da confiabilidade é aplicada para o limite de falha do material. Por meio de mudanças em sua geometria objetivou‐se a maximização da primeira frequência natural e, ao mesmo tempo, a redução de massa e consequente aumento da deformação medida sem que a restrição de confiabilidade das tensões seja violada. São mostradas comparações entre o procedimento determinístico de otimização e o proposto, onde constatou‐se que a otimização determinística apresentou pontos com elevada probabilidade de falha, sendo justificada a aplicação da otimização baseada em confiabilidade para este tipo de problema. Também foram aplicados diferentes valores do fator de segurança ao modelo de otimização, onde foi possível analisar, a posteriori , a confiabilidade do resultado da otimização.The manufacturing process of a multi‐axial load cell requires robust tools to analyze the structural behavior when it is subjected to static and dynamic loads. In this work, it is given focus to the problem of optimizing a multi‐axial load cell model (6 load components) of Lywood type considering concepts of reliability‐based design optimization. The reliability structural analysis problem is handled including the variability effect of geometric and physical properties. The load cell is analyzed by finite element method and the reliability constraint is applied to the strength limit. The objective is the maximization of the first natural frequency and simultaneously reducing the mass and corresponding strains without violating reliability limit set as a limit. Comparisons between the deterministic optimization procedure and the proposed method are presented and it is found that the deterministic optimization points may have a high probability of failure so justifying in this type of problem the reliability‐based optimization. Different values of the safety factor were also tested with the optimization model, and it was possible to analyze, a posteriori, the reliability of the optimization results.La construcción de una célula de carga multiaxial requiere herramientas robustas para analizar el comportamiento de los mismos cuando se somete a cargas estáticas y dinámicas. En este trabajo se da un énfasis al problema de la optimización de un modelo de célula de carga multiaxial (6 componentes de fuerza) de tipo Lywood utilizando el concepto de optimización basado en la confiabilidad. Se abordó el problema de análisis de fiabilidad estructural incluyendo el efecto de la variabilidad geométrica de sus propiedades físicas. La célula de carga se analizó por el método de elementos finitos y la restricción de fiabilidad se aplica al límite de falla del material. A través de cambios en la geometría destinadas a aumentar al máximo la primera frecuencia natural, mientras que se viola la reducción de la masa y el consiguiente aumento de la deformación medido sin la fiabilidad de la restricción de tensiones sea violada. Las comparaciones se muestran entre el procedimiento de optimización determinista y propusieron, donde se encontró que los puntos de optimización deterministas con alta probabilidad de fallo. Fueron también aplicados diferentes valores del factor de seguridad para el modelo de optimización, donde fue posible analizar, retrospectivamente, la confiabilidad del resultado de la optimización.Peer Reviewe

Evaluation of structural stress method and master curve for fatigue life prediction of a welded joint

This paper presents a study on the structural hot spot stress method and the master curve method (Battelle) for evaluating the fatigue life of a T‐shaped welded joint. Both methods are based on the concept of structural stress, which is usually determined using finite element models. Using different types of shell finite element models, the results obtained by the two methods were compared to experimental data, verifying significant differences between the studied methods. The loading level had a great deal of influence over the accuracy of both methodologies, but on the other hand the hot spot method revealed to be more precise for the analyzed joint. The main differential for the Batelle method was the correction of the stress amplitude into an equivalent structural stress parameter, since, without this correction, the stresses on the weld toe were very similar between the Battelle and the hot spot methods. Comparing the master curve for the fatigue behavior of the Battelle method to the fatigue curve of hot spot method, with both curves expressed in terms of the nominal stress applied in the experiment, it was verified that the hot spot method is conservative. Among the different modeling techniques used, only one provided results that are not in agreement with the others. Using the Battelle method, the behavior of the bending stress component varied considerably according to the employed numerical model, indicating that can be a greater variability in the expected fatigue life for joints under more complex loading configuration