Multiaxial fatigue testing device : development of an electromechanical system and stress analysis of the test specimen

Abstract

This thesis investigates the development of a multiaxial fatigue testing device. The device is loaded using a combination of axial and torsional loading. In particular, the thesis focuses on the fatigue phenomenon of metallic materials and the uniaxial and multiaxial fatigue loading conditions. The primary objective of the work is to experimentally research the resonant frequencies of a multiaxial test specimen structure using a fast strain gage measurement system. To perform the experimental measurements, an electromechanical system will be developed for a multiaxial fatigue testing device. This system aims to excite the axial and torsional mechanical resonant modes energy-efficiently.

The experimental test results can be compared with the natural frequencies and vibration states obtained from finite element analyses. The fatigue limit for a multiaxial fatigue testing device under development is determined using the stress concentration factor caused by the notch in the test specimen and the crack initiation limit. The calculated fatigue limits are compared with the stress levels obtained from experimental strain gage measurements. Through comparisons, it is evaluated whether the axial and torsional stress states of the test specimen are sufficient for the formation of stress paths characteristic of multiaxial fatigue.

The results of this study show that the stress states of the test specimen remain low, and it is not possible to implement multiaxial stress paths with highly different mechanical structure resonance frequencies. The test specimen manufactured of austenitic stainless steel indicated no mechanical amplitude gain in the experimental strain gage measurements. However, the experimental strain gage measurements proved that the axial stress state corresponds to the third resonant stress state obtained by the finite element analysis when the test specimen is excited at the resonant frequency of the simulation result. The strain gage measurements also revealed challenges with the developed amplifier design. However, based on the results of this thesis, the multiaxial fatigue testing device shows potential for further development of the device. Possible development steps have been considered at the end of the thesis to allow future experimental research with a fast, efficient, and accurate multiaxial fatigue testing device in the future.

Tässä työssä tutkitaan moniaksiaalisen väsymistestauslaitteen kehittämistä, jossa on yhdistetty aksiaalinen ja vääntömuotoinen kuormitus. Työssä erityisesti perehdytään metallimateriaalin väsymisilmiöön ja sitä synnyttäviin yksiaksiaalisiin ja moniaksiaalisiin kuormitustiloihin. Työn ensisijaisena tavoitteena on etsiä kokeellisesti moniaksiaalisen testisauvarakenteen resonanssitaajuudet nopealla venymäliuskamittausjärjestelyllä. Kokeellisien mittauksien toteuttamiseksi moniaksiaaliseen väsymistestauslaitteeseen kehitetään elektromekaaninen järjestelmä. Tämä systeemi pyrkii herättämään energiatehokkaasti aksiaalista ja vääntömuotoista mekaanista resonanssitilaa.

Kokeellisia testituloksia voidaan verrata elementtimenetelmä simulaatioista saatuihin ominaistaajuuksiin ja värähtelymuotoihin. Työssä kehitteillä olevalle moniaksiaaliselle väsymistestauslaitteelle määritellään testisauvan väsymisraja käyttäen testisauvassa vaikuttavan loven aiheuttamaa jännityskeskittymäkerrointa ja särön ydintymisrajaa. Laskettuja väsymisrajoja vertaillaan kokeellisista venymäliuskamittauksista saatujen jännitystasojen kanssa. Vertailuiden avulla arvioidaan, ovatko testisauvan aksiaaliset ja vääntömuotoiset jännitystilat riittäviä moniakseliselle väsymiselle ominaisten kuormituspolkujen muodostumiselle.

Työn tuloksista havaitaan, että testisauvan jännitystilat jäävät alhaisiksi ja moniaksiaaliset kuormituspolut suuresti poikkeavilla mekaanisen rakenteen resonanssitaajuuksilla ei ole mahdollista toteuttaa. Austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä valmistettu testisauva ei osoittanut mekaanista amplitudivahvistusta kokeellisissa venymäliuskamittauksissa. Kokeelliset venymäliuskamittaukset osoittivat kuitenkin aksiaalisen jännitystilan vastaavan elementtimenetelmällä saadun tuloksen mukaista kolmatta resonanssi jännitystilaa, kun testisauvaa herätetään simulointituloksen mukaisella resonanssitaajuudella. Venymäliuskamittauksista oli myös havaittavissa haasteita kehitetyn vahvistinrakenteen kanssa. Työn tuloksien perusteella työssä käsitelty moniaksiaalinen väsymistestauslaite osoittaa kuitenkin potentiaalisuutta laitteen jatkokehittämistä varten. Mahdolliset kehitysaskeleet on pohdittu työn lopussa, jotta tulevaisuudessa nopealla, tehokkaalla ja tarkalla moniaksiaalisella väsymistestauslaitteella voitaisiin tehdä kokeellista tutkimusta tulevaisuudessa.