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Strukturgrößen zur Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen

Moser, Simon (2023)
Strukturgrößen zur Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024472
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24472

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zur Schwingfestigkeitsbewertung wiederholt belasteter Schweißverbindungen können Anwender aus der industriellen Praxis auf Nachweisverfahren wie dem Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept zurückgreifen, die unter anderem in den Empfehlungen des International Institute of Welding (IIW) oder der Richtlinie des Forschungskuratoriums Maschinenbau e.V. (FKM) beschrieben sind. Zyklisch hochbeanspruchte geschweißte Bauteile mit Versagen im Kurzzeitfestigkeitsbereich können damit jedoch nicht bewertet werden, da dieser Lebensdauerbereich außerhalb der Anwendungsgrenzen der Regelwerke liegt. Eine auf Schweißverbindungen erweiterte Variante des Örtlichen Konzepts nach der FKM-Richtlinie Nichtlinear schließt diese Lücke. Allerdings erfordert dieses Verfahren ein aufwendig zu erstellendes detailliertes und fein vernetztes Finite-Elemente-Modell der untersuchten Struktur.

Alternativ zu dieser Methode wird daher ein auf Strukturspannungen und -dehnungen basierendes "Strukturgrößenkonzept" vorgestellt, dem ein grob vernetztes Modell genügt. Durch die grobe Vernetzung können bei verhältnismäßig kurzen Rechenzeiten elastisch-plastisches Werkstoffverhalten und geometrische Nichtlinearität in der numerischen Rechnung berücksichtigt werden. Dies stellt auch bei hohen Beanspruchungen und größeren Deformationen eine realitätsnahe Simulation des Strukturverhaltens sicher.

Zugunsten einer möglichst hohen Akzeptanz in der Praxis wird das Strukturgrößenkonzept an das Strukturspannungskonzept gemäß der FKM-Richtlinie angelehnt. Auf diese Weise lassen sich darin enthaltene praxiserprobte Einflussfaktoren und Handlungsanweisungen unmittelbar oder mit geringfügigen Anpassungen übertragen. Auch die zur Bewertung zyklischer Beanspruchungen erforderlichen Wöhlerlinien werden aus der Richtlinie abgeleitet.

Die anschließende Validierung des Nachweisverfahrens und der Vergleich mit der zuvor erwähnten Variante des Örtlichen Konzepts erfolgt auf Basis selbst durchgeführter und in der Literatur beschriebener Ermüdungsversuche. Insgesamt werden hierfür 213 Versuche an Stumpf- und T-Stößen mit Blechdicken von 8 bis 40 mm aus ferritischen sowie austenitischen Stählen mit Fließgrenzen zwischen ca. 200 und 1000 MPa nachgerechnet. Anhand der Gegenüberstellung der rechnerischen und experimentell ermittelten Lebensdauern zeigt sich, dass alle untersuchten Schweißverbindungen im betrachteten Lebensdauerbereich von 10^0 bis 10^6 Lastwechseln mit dem Strukturgrößenkonzept sicher bewertet werden. Dabei sind im Vergleich zum Örtlichen Konzept insbesondere im Kurzzeitfestigkeitsbereich deutlich treffendere Lebensdauerabschätzungen bei zugleich wesentlich geringeren Streuungen zu beobachten.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Moser, Simon

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Strukturgrößen zur Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Vormwald, Prof. Dr. Michael ; Rother, Prof. Dr. Klemens

Publikationsjahr:

27 September 2023

Ort:

Darmstadt

Reihe:

Veröffentlichung des Instituts für Stahlbau und Werkstoffmechanik der Technischen Universität Darmstadt

Band einer Reihe:

Heft 134

Kollation:

XIV, 170 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

17 Mai 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024472

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24472

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

For the fatigue strength assessment of welded joints subjected to repeated loading, users from industrial practice can use evaluation methods such as the nominal, structural and notch stress concept, which are described, among others, in the recommendations of the International Institute of Welding or the guideline of the Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM).

These methods, however, are not applicable to cyclic highly stressed welded components with failure in the low cycle fatigue regime, as this fatigue life regime exceeds the application limits of the guidelines. A variant of the local concept according to the FKM guidline nonlinear extended to welded joints closes this gap. Yet, this method requires a detailed and finely meshed finite element model of the examined structure, which is costly to create.

As an alternative to this method, a "structural quantity concept" based on structural stresses and strains is therefore presented, for which a coarsely meshed model is sufficient. Due to the coarse meshing, elastic-plastic material behaviour and geometric non-linearity can be taken into account in the numerical calculation with relatively short computing times. This ensures a realistic simulation of the structure's behaviour even with high stresses and large deformations.

In order to achieve the maximum possible acceptance in practice, the developed structural quantity concept is based on the structural stress concept according to the FKM guideline. Thus, the practice-proven influencing factors and instructions contained therein can be transferred directly or with minor adjustments. The life curves required for the assessment of cyclic stresses are also derived from the guideline.

The subsequent validation of the assessment method and the comparison with the aforementioned variant of the local concept is carried out on the basis of fatigue tests performed by the author himself and tests described in the literature. A total of 213 tests on butt and T-joints with plate thicknesses of 8 to 40 mm made of ferritic and austenitic steels with yield strengths between approx. 200 and 1000 MPa are recalculated. The comparison of the calculated and experimentally determined fatigue lives shows that all investigated welded joints in the considered fatigue life range of 10^0 to 10^6 load cycles are safely assessed with the structural quantity concept. In contrast to the local concept, especially in the low cycle fatigue regime, significantly more accurate fatigue life estimations with considerably lower scatter can be observed.

Englisch

Freie Schlagworte:

Ermüdung, Strukturdehnung, Strukturspannung, LCF, Schweißverbindung

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-244728

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik > Fachgebiet Werkstoffmechanik

Hinterlegungsdatum: