Zur rechnerischen Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen basierend auf Kerbdehnungen und zum Einfluss der Schweißnahtmodellierung

Neuhäusler, Josef (2023)
Zur rechnerischen Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen basierend auf Kerbdehnungen und zum Einfluss der Schweißnahtmodellierung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026433
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26433

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Abschätzung der Lebensdauer geschweißter Verbindungen unter Berücksichtigung elastisch-plastischer Kerbdehnungen. Auf Basis des dehnungsbasierten Konzepts wird ein Berechnungskonzept weiterentwickelt. Dazu werden unterschiedliche Modellierungsvarianten untersucht und diskutiert. Das Berechnungskonzept liefert einen Vorschlag für das Dauerfestigkeitsniveau zum Nachweis mit Schädigungsparametern basierend auf P_SWT und P_J. Damit wird grundsätzlich ein Nachweis im Bereich der Kurzzeit-, Zeit- und Dauerfestigkeit ermöglicht.

Die unterschiedlichen Modellierungsvarianten untersuchen den Einfluss des Detaillierungsgrads der Finite-Elemente-Modellierung auf die prognostizierte Lebensdauer der Schweißverbindung bis zum Anriss.

Zusätzlich zur Untersuchung diskreter Nahtgeometrieparameter wird eine Monte-Carlo-Simulation mit variabler Schweißnahtgeometrie durchgeführt. Daraus werden schließlich Teilsicherheitsbeiwerte abgeleitet, welche eine Ergänzung zu einem bestehenden Sicherheitskonzept darstellen.

Um den Berechnungsaufwand zehntausender Simulationen bewältigen zu können, werden neuronale Netze generiert. Damit kann eine Schätzung der lokalen Kerbbeanspruchungen in kürzester Zeit erfolgen. Eine Sensitivitätsstudie mit den neuronalen Netzen liefert Erkenntnisse zum Einfluss einzelner Geometrieparameter auf die Kerbbeanspruchung.

Zur Validierung der Konzeptvarianten mit den verschiedenen Modifikationen wird eine umfangreiche experimentelle Datenbasis von Schweißverbindungen angesetzt. Die Probekörper aus dem Werkstoff X6CrNiTi18-10 wurden mit 84 Einzelversuchen bei konstanten Amplituden geprüft. Neben sieben unterschiedlichen Probengeometrien wurden Schweißverbindungen mit nachbearbeiteten oder nicht nachbearbeiteten Schweißnahtübergängen getestet. Weitere 144 Versuchsergebnisse mit den Werkstoffen S960M und X6CrNiTi18-10 bilden eine Grundlage zur Validierung mit einem zweiten Werkstoff.

Grundsätzlich zeigt sich, dass der Nachweis mit idealisierter Kerbgeometrie nach den IIW-Empfehlungen in Kombination mit einer umgerechneten und für N<10^4 erweiterten Kerbspannungswöhlerlinie möglich ist. Eine tendenziell bessere Übereinstimmung zwischen Modellberechnung und Experiment ergibt die Verwendung der realen Schweißnahtgeometrie. Die abgeleiteten Teilsicherheitsbeiwerte erlauben eine sichere Auslegung von Schweißverbindungen, insbesondere im Bereich der Kurzzeitfestigkeit.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Neuhäusler, Josef

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Zur rechnerischen Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen basierend auf Kerbdehnungen und zum Einfluss der Schweißnahtmodellierung

Sprache:

Deutsch

Referenten:

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

Publikationsjahr:

19 Dezember 2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

XV, 178 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

11 Juli 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00026433

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26433

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

The focus of the present work is the estimation of the fatigue life of welded joints under consideration of elastic-plastic notch strains. Based on the strain based concept, an analytical concept is further developed and different modelling variants are investigated and discussed.

It includes a proposal for the fatigue limit for the evaluation with damage parameters based on P_SWT and P_J, which allows an evaluation in the range of low cycle, high cycle and very high cycle fatigue. The influence of the level of detail in FE modelling on the predicted lifetime of the welded joint up to a technical crack length is investigated.

In addition to the evaluation of discrete weld geometry parameters, a Monte-Carlo-simulation with variable weld geometry is performed. With the simulation partial safety factors can finally be derived, which represent a supplement to an existing safety concept. In order to cope with the computational effort of tens of thousands of simulations, neural networks are generated for an estimation of the local notch stresses in the shortest possible time. A sensitivity analysis with the neural networks provides insights into the influence of individual geometry parameters on the notch stresses.

To verify the concept variants with the different modifications an extensive experimental database of welded joints is used. The specimens made of the material X6CrNiTi18-10 are tested with 84 individual specimens at constant amplitudes. Seven different specimen geometries including welded joints with reworked or non-reworked weld seam transitions are investigated. Finally, another 144 tests on welded joints made of the materials S960M and X6CrNiTi18-10 are used for a validation with a second material.

Basically, it is shown that an idealized weld modelling, as per IIW recommendations, is possible in combination with an extension of the effective notch stress approach. An improved agreement between model calculation and experimental results can be achieved when using an averaged weld geometry. With the derived partial safety factors, a safe design of welded joints based on notch strains is now possible.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-264331

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:

19 Dez 2023 13:49

Letzte Änderung: