On behalf of and in collaboration with Valmet AB this thesis has been fulfilled and executed at their development department in Sundsvall. Valmet AB design, develop and manufacture machines and equipment for the pulp, paper and energy industry. One of their key products is the TwinRoll press. The TwinRoll press consist, among others, of a part called mantle section which in terms of manufacturing is rather complex. This part itself consists of frame ribs, which during operation endure high loads in a high amount of cycles during its life-span. Due to this, fatigue failure sometimes occurs, which in consequence causes mantle section failure. Theoretical determination of the fatigue strength has been proven difficult, which has created needs for experimental fatigue testing. The goal with the thesis was to define a method for fatigue testing and to design and develop a rig which could perform the testing according to the defined method. The initial part of the project consisted of a literature study about fatigue testing and how it normally is performed. Then the work with the test method started and the loads during normal operation was specified, as well as parameters that might affect the test results. This part was important as the parameters could be transformed into requirements which the test rig needed to satisfy. When the method for testing and the measurable requirements were done, concepts were generated via individual sketching and brainstorming. A final concept was chosen for detailed design in SolidWorks after using methods like voting and Pugh’s concept selection matrix. The rig was modelled and drawings for manufacturing was produced, and then dimensioned through both simulations with FEM and calculations by hand. The final construction was then inspected with VR-technology. The conclusion of the thesis was that the frame ribs should, as a suggestion, be fatigue tested with constant stress amplitudes until failure, and then repeated for other stress values until the amount of generated data is enough for evaluation in a stress-number-diagram. A Wöhler-curve should then be generated for desired probability of failure and finally be evaluated in a Haigh-diagram. The developed test rig will perform testing on one frame rib at a time with a high frequency hydraulic cylinder, were the sample used is a piece of the mantle section. Furthermore, the sample is fixed in both directions to correspond to stress generated by shrinkage which an entire frame rib normally withstands.

SMP Svensk maskinprovning i Umeå, som är en del av Research Institutes of Sweden (RISE) planerar att börja utföra cykelprovningar. Vid provningen ingår utmattningsprovning av cykelramen som utförs i en fixtur med hjälp av ett programmerbart styrsystem, pneumatiska cylindrar och reglerventiler. Uppdraget är att förbättra utrustningen för utmattningsprov av cykelramar och anpassa den till dagens standard. Först studeras gällande standard för cyklar och information om programvaran för programmering av styrsystemet samlades in. Därefter görs en övergripande design av en fixtur och en färdig konstruktion av fixturen med hjälp av computer-aided design mjukvara. Tillverkningen görs av Svensk maskinprovning i Umeå. Hållfasthetsberäkningar för nedböjning av fyrkantsrör utförs och nedböjningen för ett fyrkantsrör jämförs med nedböjningen för två sammansatta fyrkantsrör. Utrustningen monteras och testkörningar för de olika uppställningar utförs. I samband med montering och testkörning skapas en manual för handhavande av provningsutrustningen. Resultatet blir en full fungerande utrustning för utmattningsprovning av cykelram med en tillhörande manual och en dokumenterad riskanalys som underlag för CE-märkning av utrustningen. Hållfasthetsberäkningarna visar att nedböjningen för två sammansatta fyrkantsrör blir mindre än hälften så stor jämfört med nedböjningen för ett fyrkantsrör. / SMP Svensk maskinprovning in Umeå, which is a part of the Research Institutes of Sweden (RISE), plans to start performing bicycle tests. The test includes fatigue testing of the bicycle frame, which is performed in a fixture using a programmable control system, pneumatic cylinders and control valves. The assignment is to improve the equipment for the fatigue tests of bicycle frames and adapt it to today’s standard. First, the current standard for bicycles is studied and information about the software for programming the control system is collected. Then, an overall design of a fixture is designed and constructed with the help of computer aided design software. The production is done by Svensk maskinprovning in Umeå. Strength calculations for the deflection of square pipes are performed and the deflection for one square pipe is compared with the deflection for two composite square pipes. The equipment is assembled, and test runs for the various setups are performed. In connection with assembly and test driving, a manual is created for handling the equipment. The result is a fully functional equipment for fatigue testing of bicycle frames with an associated manual and a documented risk analysis as a basis for CE marking of the test equipment. The strength calculations show that the deflection for two composite square pipes is less than half as large compared to the average deflection for a square pipe.

I detta projekt analyseras utmattningsbrott orsakade av ytdefekter i höghållfast stål som utsätts för fler än tio miljoner cykliska belastningar. Vanligen orsakas utmattningsbrott i denna region av interna materialdefekter där brottytan ofta innehåller ett område med grövre morfologi - fine granular area (FGA). FGA är en ackumulerad skada som bildas under sprickinitieringsstadiet och utgör cirka 99 % av den totala utmattningslivslängden. Resterande 1 % utgörs av spricktillväxt. På grund av detta är mekanismen som initierar sprickor i detta skede essentiell. Om FGA kan observeras vid ytinitierade utmattningsbrott för material som utsätts för fler än tio miljoner cykliska belastningar, är ännu inte fastställt. . Det här projektet syftar till att undersöka om FGA kan observeras i ytinitierat utmattningsbrott gällande material med väldigt långa livslängder, samt till att utreda hur ytinitieringar påverkar utmattningslivslängden. För att söka svar på dessa frågor utförs utmattningsprovning med ultraljudsutrustning, följt av karaktärisering av brottytorna i svepelektronmikroskop för att studera de morfologiska förändringarna. Vidare utförs finita element analyser med mjukvaran ABAQUS för att jämföra den maximala huvudspänningen mellan prov med, respektive utan ytdefekter. Resultatet från ABAQUS visar att proven med hårdhetsintryck utsätts för en större maximal huvudspänning än proven utan hårdhetsintryck, därigenom kan skillnaden i livslängder förklaras. . Testresultaten från utmattningsprovningen presenteras i ett S-N diagram som visar spänningsamplituden i förhållande till materialets livslängd. De analyserade bilderna från svepelektronmikroskopet av ytinitierat utmattningsbrott visar en antydan till FGA i två av 20 prov. Däremot tycks sprickorna, i samtliga fall, initiera på grund av ackumulering av plastisk deformation i ytan. Interna materialdefekter orsakade inte utmattningsbrott i något av de 20 testade proverna med ytdefekter. Två prover utan ytdefekter genomgick samma process och för båda dessa introducerades en spricka på grund av interna materialdefekter, båda innehöll ett tydligt FGA. Sammanfattningsvis indikerar resultaten från denna studie att FGA inte är lika uppenbara och eventuellt lika vanligt förekommande vid ytinitierat utmattningsbrott av höghållfasta stål med mycket långa livslängder. Även att ytdefekter introducerar en högre maximal huvudspänning i provets centrum, vilket resulterar i en kortare utmattningslivslängd.