LANG Robert, 2015-12
Ein Beitrag zur Bestimmung der Anrisslebensdauer geschweißter Bauteile 

Zusammenfassung: 

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methodik zur Klassifzierung von Schweißnahtverbindungen an niederfesten Baustählen in Bezug auf ihre Schwingfestigkeit unter Berücksichtigung der tatsächlichen geometrischen Verhältnisse. Die Methodik ist im Besonderen an numerische Gegebenheiten und Berechnungsweisen angepasst. 

Dabei werden die maßgebenden Einflüsse der Schwingfestigkeit für geschweißte Bauteile, wie beispielsweise Kerbgeometrie und statistischer Größeneffekt, die zerstörungsfrei ermittelt werden können, berücksichtigt. Die untergeordneten hingegen, wie Eigenspannungen etc., die nicht ausreichend genau erfasst werden können, werden vernachlässigt. 

Die Methode untersucht im ersten Schritt die Erfassung und Aufbereitung der Geometrie unter Berücksichtigung numerischer Problemstellungen. Die Erfassung erfolgt mittels eines Laserscansystems mit hoher Genauigkeit und Auflösung. Die so erfassten Punkte werden zu Oberflächennetzen trianguliert und mittels NURBS-Generierung zu vollständig tangentenstetigen Oberflächen angenähert, die wiederum strukturmechanisch keine Singularitäten verursachen.Diese so bearbeiteten Oberflächen werden zu geschlossenen Körpern gewandelt.

In einem zweiten Schritt werden die Kerbspannungen aufgrund äußerer schwingender Belastungen linear-elastisch mittels Finiter-Elemente-Methoden (FEM) ermittelt. Die Neuber'sche Mikrostützwirkung und die Ermittlung von fiktiven kerbwirksamen Spannungen werden durch eine numerisch angepasstere Form umgesetzt, indem das Spannungsfeld in der Nähe der höchsten Kerbspannung mittels eines impliziten Gradientenmodells, d.h. durch Beschreibung mittels einer Differentialgleichung, mitberücksichtigt wird. Die Anpassung des dafür maßgebenden

Parameters wird näherungsweise mit anderen Mikrostützwirkungsmodellen an maßgebenden Systemen geeicht, jedoch auch durch eine Parameterstudie gestützt. Auf eine exakte Anpassung wird verzichtet, da die verschiedenen Ansätze erheblich voneinander abweichen. Andererseits schlägt sich ein geänderter Parameter lediglich in einer Translation der zu Grunde liegenden Wöhler-Kurve nieder, die hierfür getrennt ermittelt werden muss (siehe Schritt 3). Von Wichtigkeit ist, dass dieses Modell durch die numerische Umsetzung gut auf geometrisch komplexe Strukturen ohne besondere Benutzerinteraktion anwendbar ist. 

In einem dritten Schritt wird der statistische Größeneffekt über die Anwendung eines Weibull-Modells auf der an der Oberfläche im zweiten Schritt berechneten fiktiven Kerbspannungen, erfasst. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz wird nicht auf einen ähnlichen Versuchskörper Bezug genommen und dabei nur der relative Größeneffekt erfasst, sondern vielmehr dient dazu eine elementare Wöhlerlinie, die aus Versuchen rückgerechnet wird. Diese so bestimmte Wöhlerkurve ist frei von Einflüssen aus der Kerb- oder Versuchskörperform und kann damit nicht nur auf ähnliche Geometrien, sondern unter Anwendung dieser Methode prinzipiell auf beliebige Geometrien angewendet werden. 

 

Abstract: 

The present publication describes a methodology for classifying welded structures made of mild steel in terms of fatigue strength. The real geometry is used for this end. The methodology is especially optimized for numerical realities and numerical methods of calculation. 

The decisive elements of influence in terms of fatigue strength which can be determined with non-destructive methods like, for example, the notch geometry and the statistical size effect, are considered. Other elements, such as residual stresses etc., which cannot be sufficiently determined, are neglected. 

In a first step, this method examines and processes the geometry by taking into consideration numerical problem solving. The geometry is captured by a laser scan system of high accuracy and resolution. The points captured during this procedure are triangulated into meshes and processed by NURBS-generation into surfaces with C1-continuity. These continuities cause no singularities in the structural mechanical calculations. The surfaces are transformed into closed solids. 

In a second step, due to external cycling loadings, the notch stresses, are calculated with Finite Element Methods (FEM) using linear-elastic material laws. The calculation of effective stresses with the microstructural support model from Neuber is replaced by a numerically adapted form which weights the stresses near the notch with an implicit stress gradient model. The parameter of this model is calibrated approximately according to other theoretical approaches; however, it is also based on a study of the sensitivity's analyses of the parameters themselves. An exact calculation has not been performed as the existing models differ substantially from each other. As a miscalculation of the parameter occurs only in a translation of the S-N-curve, the last one is to be calculated separately. It is significant that this model is adapted in a way that it can be used on complex geometries with nearly no necessity of interaction from a the user, while existing approaches have significant restrictions as they can be applied only on simple geometrical conditions in order to obtain clear results. 

In a third step, the statistical size-effect is considered using a weakest link model (Weibull-model). The used notch stresses are the calculated effective stresses on the surface from step two. The model is not able to cover the relative size effects only; it can be used without a reference geometry. The model is based on a basic S-N-domain which has been calculated based on fatigue tests. This S-N-domain is free of the effects of the geometry of the notch and specimen. Basically, this method can be extended to any geometry.