Optimization of bend test set up to quantify effect of surface roughness on fatigue properties - A guideline to four-point bending and how to optimize specimen geometry.
2026 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Optimering av böjprovningsuppställning för att kvantifiera effekten av ytjämnhet på utmattningsegenskaper – en riktlinje för fyrpunktsböjning och hur provstavsgeometri kan optimeras. (Swedish)
Abstract [en]
Mechanical testing is a crucial part of engineering; it reassures safety in products, which is of utmost importance in the Aerospace industry. Additive manufacturing, AM, is being used more widely in this sector, and a common testing method for components with AM surfaces is four-point bending. This method is in theory great for investigating and determining the influence surface roughness has on fatigue life properties, but there are many uncertainties which compromise the validity of 4PB. This thesis project explores some of these uncertainties and attempts to increase the validity of four-point bending. The specimen geometry is one of the major points of research in this project. It explores how the design of the specimen can be optimized to minimize an inherent error of 4PB: wedging stress. This thesis also explores how sensitive four-point bending is to setup errors, specifically eccentric- and non-perpendicular-loading. The project is based on FEA simulations performed in Ansys Workbench.The wedging error was proven to be less severe than it was thought to be at the beginning of the project. The baseline specimen, which was based on a common specimen used at GKN Aerospace, showed localized stress peaks that were 1.37% larger than nominal stress. Which is within the total error limit of ±5%. Furthermore, this could be further minimized by increasing the difference between the inner and outer rollers. It was also found that if the inner roller distance is smaller than three tenths of the outer roller distance, the test transitioned towards pseudo-3PB behavior. Consequently, this method is not suitable for thin and wide specimens, since if the breadth of the specimen became bigger than double the height the error started increasing rapidly.Four-point bending proved to be more sensitive to eccentric loading and was barely influenced by non-perpendicular loading, at least when it comes to peak stress. Additionally, it was discovered that 4PB is less sensitive to eccentric loading when the inner rollers are applying the load.
Abstract [sv]
Mekanisk provning är en väsentlig del av produktutvecklingen, eftersom detta säkerställer att produkterna som tillverkas är säkra, vilket är särskilt viktigt inom flyg-och-rymd industrin. Additiv tillverkning, AM, används dessutom mer och mer inom denna industri. En vanlig provmetod som används för att testa produkter med AM ytor är fyr-punkts böj provning. Teoretiskt sätt är metoden enastående för att undersöka och utvärdera hur ytjämnheten påverkar utmattningsegenskaper, men metoden är inte helt fastställd, vilket äventyrar metodens giltighet. Detta arbete utforskar några av de osäkerheter som drabbar 4PB i ett försök att öka dess giltighet. Provstavsgeometrin är ett av huvudområdena, utformningen av provstaven har undersökts huruvida denna kan optimeras för att minimera ett fel som alltid uppstår vid fyr-punkts böj: kilning. Arbetet utforskar även hur känsligt 4PB är gentemot fel i själva provmaskinen, specifikt excenterapplicerad last och last som inte är applicerad vinkelrät mot provstavens yta. Arbetet är baserat på FEM simuleringar i Ansys Workbench. Det framkom att kilningsfelet inte var lika allvarligt som det antogs vara vid början av arbetet. Den provstavsgeometrin som användes som baslinje för arbetet, vilken var baserad på en vanlig provstavsgeometri som används på GKN Aerospace, visades sig ha lokala spänningsmaxima som enbart var 1.37% högre än den nominella spänningen. Vilket ligger väl inom den totala felmarginalen på ±5%. Dessutom kunde felet minimeras genom att öka skillnaden mellan ytter-och inner-rullarnas avstånd. Vidare upptäcktes det att om avståndet mellan innerrullarna var mindre än tre tiondelar av ytterrullarnas avstånd började provet röra sig mot ett pseudo-3PB beteende. Utöver detta upptäcktes det att metoden inte är lämpad för tunna och breda provstavar. När provstaven är dubbelt så bred som den är hög ökar spänningsfelet hastigt.Fyr-punkts böj har visat sig vara känsligare för excentriskt placerade laster än för icke-vinkelräta laster, åtminstone när det gäller lokala spänningsmaxima. En ytterligare upptäckt var att känsligheten för excentriskt placerade laster minskar när innerrullarna applicerar lasten.
Place, publisher, year, edition, pages
2026.
Series
TRITA-SCI-GRU ; 2026:039
Keywords [en]
Four-Point Bending (4PB), Mechanical Testing, Bend Testing, Fatigue, Additive Manufacturing (AM), Finite Element Analysis (FEA), Finite Element Method (FEM)
Keywords [sv]
Fyr-Punkts Böj (4PB), Mekanisk Provning, Böj Provning, Utmattning, Additiv Tillverkning (AM), Finit Element Analys, Finita Elementmetoden (FEM)
National Category
Vehicle and Aerospace Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-382586OAI: oai:DiVA.org:kth-382586DiVA, id: diva2:2063300
External cooperation
GKN Aerospace
Subject / course
Vehicle Engineering
Educational program
Master of Science - Vehicle Engineering
Supervisors
Examiners
2026-05-292026-05-282026-05-29Bibliographically approved