Welding is one of the most applied technics in the world for joining steel. Welds are liable to the phenomenon of fatigue, which is, primarily, the formation of a crack and consequently reduction of strength due to the action of time varying loads. Fatigue is one of the main causes of failure in steel structures. The aim of this thesis is to do static and dynamic analyses of a forestry crane with the purpose of using the analyses to determine the lifetime due to fatigue of welded components. Two methods for fatigue assessment are used in this work, the Hot-Spot Method and the Notch Stress Method. The first boom, which is a key component for the crane, is analyzed in a Finite Element Method (FEM) software. The found principal stress in accordance with the notch stress method in the first boom is ±165 MPa for the analyzed load case, rendering in a stress range of 330 MPa. The fatigue strength class FAT-225 (m=3), leads to an expected number of 633000 cycles, with a probability of survival of 97,7% for this case. / Svetsning är en av de vanligaste teknikerna för sammanfogning av stål. Svetsar är känsliga för utmattning. Utmattningsfenomenet består primärt av en initial dislokation som genom tidsvarierande belastning formar en spricka som växer och därmed reducerar styrkan i konstruktionen. Utmattning är en av de vanligaste orsakerna till skador i stålkonstruktioner. Målet med detta arbete är att genomföra både statiska och dynamiska analyser av en skogsmaskins kran i avseende att bestämma utmattningslivslängden för dess svetsade konstruktioner. Två metoder för utvärdering används i detta arbete, hot-spot-metoden och notch-stress-metoden. Kranens första bom (lyftarmen) som är en huvudkomponent i kranen analyseras med hjälp av ett Finita Element program i enlighet med notch-metoden. Högsta funna spänningsvariationen i första huvudspänningsriktningen var ±165 MPa för ett av de analyserade lastfallen. Utmattningsklass FAT 225 (m=3) ger en uppskattning om utmattningslivslängd på 633000 cykler med en sannolikhet för överlevnad på 97.7% i detta fall.

Welds play a crucial role in the product portfolio of GKN Aerospace. For ease of manufacturing and repairability, butt welds are preferred in the aerospace industry. Weld regions undergo local distortions during manufacturing due to the external heat-input, and the resulting local geometries are complex and stochastic in nature. Under operational loads, the distorted geometry affects the local stress field around the weld region, and this has a significant impact on the fatigue life. Traditional design calculations of welds resort to idealization of the local weld geometry. In this thesis, the influence of real weld geometry on the computed fatigue life is investigated. Linear elastic fracture mechanics principles are utilized to calculate the fatigue life of a weld starting from a pre-defined initial crack. The influence of important weld geometric parameters, namely, – edge offset and weld toe radii, on the fatigue life is investigated in detail. A statistical analysis approach, using transfer functions and Monte Carlo simulation, is devised to study the effect of variation in the different weld geometric parameters. Different edge offset measures from a real geometry are identified and these measures are investigated as potential candidates to obtain conservative life estimates using the idealized geometry. Investigations in this thesis show that the real geometry has a significant effect on the weld fatigue life. In all cases of local weld geometry, the edge offset has the largest influence on life. For a real weld geometry, the root toe radius has a significant influence on life. In an idealized geometry, for the same normalized edge offset, an increase in the plate thickness leads to a decrease in life. A new edge offset measure is proposed that leads to conservative life estimates when used in conjunction with the idealized geometry, thus enabling computationally efficient design calculations. / Svetsar spelar en avgörande roll i GKN Aerospace produktportfölj. För att underlätta vid tillverkning och reparationer föredras stumsvetsar inom flygindustrin. Svetsområden genomgår lokala deformationer under tillverkningen på grund av extern värmepåverkan, och de resulterande lokala geometrierna är komplexa och stokastiska till sin natur. Vid termisk och mekanisk belastning i drift påverkar den deformerade geometrin det lokala spänningsfältet runt svetsområdet vilket har en betydande inverkan på utmattningslivslängden. Vid traditionell dimensionering av svetsar idealiseras den lokala svetsgeometrin. Denna avhandling undersöker inverkan av verklig svetsgeometri på den beräknade utmattningslivslängden. Linjärelastisk brottmekanik används för att beräkna utmattningslivslängden för en svets med utgångspunkt från en fördefinierad initial spricka. Inverkan av viktiga svetsgeometriska parametrar, nämligen - kantförskjutning och svetsradie, på utmattningslivslängden undersöks i detalj. En statistisk analysmetod, med hjälp av överföringsfunktioner och Monte Carlo simulering, är framtagen för att studera effekten av variation i de olika svetsgeometriska parametrarna. Olika kantförskjutningsmått från en verklig geometri identifieras och dessa mått undersöks som potentiella kandidater för att erhålla konservativa livslängdsuppskattningar med hjälp av den idealiserade geometrin. Undersökningar i denna avhandling visar att den verkliga geometrin har en signifikant effekt på svetsutmattningslivslängden. I alla fall av lokal svetsgeometri har kantförskjutningen den största inverkan på livslängden. För en riktig svetsgeometri har svetsradien vid svetsens rotsida en betydande inverkan på livet. I en idealiserad geometri, för samma normaliserade kantförskjutning, leder en ökning av plåttjockleken till en minskning av livslängden. Ett nytt kantförskjutningsmått föreslås som leder till konservativa livslängdsuppskattningar när de används i kombination med den idealiserade geometrin, vilket möjliggör beräkningseffektiva designberäkningar.

Hypoid gears have been used extensively in automobiles, aerospace, marine and other applications for decades. The special advantages of hypoid gears come with inherent contact complexities of varying curvature and sliding in both profile and lengthwise direction. Spalling failure is catastrophic and needs to be addressed with deeper roots in gear design. Analytical methods present several limitations. Iterative development from experimentation is expensive and time consuming with different nonlinear parameters difficult to interpret. This thesis aims to develop a method to calculate contact fatigue life for initiation of spalling using finite element methods. Experiments have played a major role in understanding the causal factors for failure, determining the fatigue life and to study the major system design parameters. A failure analysis of the fractured flank is performed. It clarified the design causal factors for failure and the mechanism of failure. Pinion being the vulnerable part is the focus of this thesis, a finite element model was developed on ANSOL HFM and the residual stresses were superposed on MSC Marc. A finite element fatigue analysis is performed on FEMFAT and the component fatigue life is determined. The calculated fatigue life is compared with physical testing results using Weibull statistical analysis in combination with probabilistic bearing life models to formulate emphatical correlation methods. The goal of this thesis is to establish a method to estimate fatigue life by taking up example of computing subsurface fatigue life of a hypoid pinion. The influence factors like the method of contact analysis, different types of residual stresses due to case hardening and shot peening, fatigue criteria, friction, material properties are studied in this thesis to develop a conscience for the methodology to computing contact fatigue life. The bulk material properties based on hardness represented fatigue properties more accurately. Scaled normal stress in critical plane fatigue criteria was found more suitable for contact analysis with pre-stresses and multi-axial non-proportional contact stress state on FEMFAT. Finite element based contact analysis method was found to be more suitable for subsurface fatigue life estimation despite the inherent advantages of the hybrid surface integral method and its accurate representation of friction. It was found that inclusion of friction in model did not change the fatigue life significantly, showing that the influence of hardness, surface topographies lubrication and contact temperature on shear stresses are too large to be neglected. Contact fatigue life increased by a factor of 4.4 times due to shot peening of gears in comparison with case hardening indicating the influence of residual stresses. For the estimation of fatigue life at the initiation of failure, a complete correlation with the fatigue test results could not be achieved and reasons for deviations were clearly identified. The area of damage indicated by this computation method correlated with the damage observed during tests. The observations and calculations indicated premature failure of pinion with explanation of mechanism of failure of pinion flank using contact conditions. / Hypoidväxlar har använts i stor utsträckning i bilar, flyg-, marin- och andra applikationer under årtionden. De speciella fördelarna med hypoidväxlar kommer med inneboende kontaktkomplexitet med varierande krökning och glidning i både profil och längdriktning. Spallingfel är katastrofala och måste hanteras med grundlig redskapsdesign. Analytiska metoder har flera begränsningar. Iterativ utveckling baserad på experiment är dyrt och tidskrävande med olika icke-linjära parametrar som är svåra att tolka. Denna avhandling syftar till att utveckla en metod för att beräkna kontaktutmattningslivslängden för initiering av spalling med finitaelementmetoden. Experiment har spelat en viktig roll för att förstå orsaksfaktorerna för fel, bestämma utmattningslivslängden och för att studera de viktigaste systemdesignparametrarna. En felanalys av den skadade kuggflanken utfördes, vilket förtydligade felens orsaksfaktorer och den underliggande felmekanismerna. Driften är fokus för denna avhandling, en finitaelementmodell utvecklades med ANSOL-HFM och restspänningarna överlagrades med FEM-verktyget MSC-Marc. En slutlig elementutmattningsanalys utfördes med FEMFAT och komponentens utmattningstid bestämdes. Den beräknade utmattningslivslängden korrelerades med fysiska provningsresultat genom att tillämpa statistisk Weibullanalys i kombination med probabilistiska livslängdsmodeller. Målet med denna avhandling är att utveckla en metod för att uppskatta utmattningslivslängden och att tillämpa metoden för att beräkna bulkmaterialets utmattningslivslängd för ett hypoidrev. Påverkningsfaktorer som metoden för kontaktanalys, olika typer av restspänningar på grund av ythärdning och kulblästring, utmattningskriterier, friktion, materialegenskaper studeras i denna avhandling för att utveckla denna metod för att prediktera kontaktutmattningslivslängden. Bulkmaterialegenskaperna för hårdhet representerade utmattningsegenskaperna mera exakt. Skalad normalspänning i kritiska planutmattningskriterier befanns vara mer lämplig för kontaktanalys med förspänningar och multi-axiell icke-proportionell kontaktspänningsstatu än andra egenskaper med FEMFAT. Metodbaserad kontaktanalysmetod visade sig vara mer lämplig för uppskattning av ytutmattningslivslängd trots de inneboende fördelarna med hybridytaintegralmetoden och dess mera exakta friktionsrepresentation. Det visade sig att inkludering av friktion i modellen inte markant förändrade livslängden, vilket visade att påverkan av hårdhet, smörjning av ytorna och kontakttemperatur på skjuvspänningarna är för stor för att försummas. Kontaktutmattningslivslängden ökade med en faktor 4,4 gånger på grund av kugghjulning jämfört med ythärdning, vilket indikerar restspänningspåverkan. För att uppskatta utmattningslivslängden vid inledningen av ytfel kunde en fullständig korrelation med utmattningstestresultaten inte uppnås och orsakerna till avvikelser identifierades tydligt. Det skadade område som indikeras av denna beräkningsmetod korrelerade väl med den skada som observerades under testerna. Observationerna och beräkningarna indikerade tidigt fel i kuggen med förklaring av mekanismen för fel hos kuggflanken med hjälp av aktuellt kontaktförhållande.