Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen mittels der Formänderungsenergiedichte
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Die gemittelte Formänderungsenergiedichte (SED) stellt einen zur effektiven Kerbspannung alternativen lokalen Ermüdungsparameter zur Bewertung der Schwingfestigkeit dar. In der Dissertation werden die dem SED-Konzept zugrunde liegenden Annahmen und seine Anwendbarkeit auf Versagen von Schweißnähten an geometrisch komplexen Details untersucht. Zuerst wird der numerische Berechnungsfehler durch eine Konvergenzstudie mit zusätzlich alternativen Netzverfeinerungsstrategien ermittelt und weitere Berechnungssoftwares außer ANSYS® angewendet. Als Nächstes wird die Größe des Kontrollvolumens, das die gemittelte SED als Ermüdungsparameter definiert, geprüft. Ein geringfügig größeres ist zu verwenden, wenn Zusatzbeanspruchungen aufgrund von schweißbedingten Vorverformungen - wie in anderen Konzepten - explizit berücksichtigt werden. Zusätzlich werden Versuche an Stumpfstößen mit künstlich geschaffenen Kerben zur Beurteilung der SED-Wöhlerlinien genutzt. Sie zeigen, dass hier der punktbasierte Ermüdungsparameter unterschiedliche Rissfortschrittsraten aufgrund individueller Spannungsverläufe entlang des Risspfads nicht erfasst. Diese Gegebenheit liegt ebenfalls bei den komplexen Details vor, weil die zugehörigen Rissfortschrittssimulationen eine deutlich längere Lebensdauer als bei einer einfachen Quersteife berechnen. Hier verlangsamen verschiedene lokale Einflüsse das Risswachstum. Die gemittelte SED berücksichtigt sie jedoch nur teilweise direkt, sodass Korrekturfaktoren für eine realitätsnähere Abschätzung der Schwingfestigkeit vorgeschlagen werden. Aus allen Ergebnissen ergeben sich schlussendlich Empfehlungen für die zukünftige Anwendung des SED-Konzepts.
Es existieren verschiedene ingenieursmäßige Konzepte zur Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. Die meisten verwenden einen punktbasierten Ermüdungsparameter, beispielsweise eine kennzeichnende Spannungsschwingbreite, und Wöhlerlinien, die den Bezug zur Bruchspielzahl herstellen. Sie basieren auf Vereinfachungen und sind bezüglich einer allgemeingültigen und flexiblen Anwendung eingeschränkt. Das relativ wenig verbreitete Konzept der gemittelten Formänderungsenergiedichte (SED) stellt eine interessante Alternative dar, weil es auf unterschiedliche Schweißnahtgeometrien einfach angepasst werden kann und einen relativ geringen Berechnungsaufwand erfordert. Dabei werden der Nahtübergang und die gegebenenfalls vorliegende Nahtwurzel als Kerben ohne Radius idealisiert und die Formänderungsenergie innerhalb eines zylinderförmigen Kontrollvolumens, das den Kerbgrund umschließt, gemittelt. Dritte außerhalb der Forschungsgruppe, die das Konzept entwickelt hat, stellten Abweichungen bei Bewertungen von Versuchsergebnissen und einer komplexen schiffbaulichen Teilstruktur fest. Die Dissertation verfolgt das Ziel, die Annahmen des SED-Konzepts kritisch zu hinterfragen sowie zu prüfen und somit die möglichen Ursachen der Abweichungen zu finden. Dazu wird zunächst der numerische Berechnungsfehler ermittelt, indem einerseits eine Konvergenzstudie mit Verwendung alternativer Netzverfeinerungsstrategien durchgeführt und andererseits verschiedene Softwares verwendet werden. Der Fehler beträgt nur 3% bei der gröbsten Unterteilung und Bezug auf Spannungen. Im nächsten Schritt werden die Größe des Kontrollvolumens und die SED-Wöhlerlinie durch Versuche zweier verschiedener Schweißdetails geprüft. Dabei wird festgestellt, dass die ursprünglichen Wöhlerlinien für Versagen vom Nahtübergang – im Gegensatz zu anderen Konzepten –implizit Zusatzbeanspruchungen aufgrund von schweißbedingten Vorverformungen in Höhe von circa 8% enthalten. Diese Tatsache beeinflusst auch die Größe des Kontrollvolumens. Dieses vergrößert sich geringfügig von 0,28 mm auf 0,32 mm, wenn die zugehörigen N-SIF-Wöhlerlinien für die explizite Berücksichtigung von Zusatzbeanspruchungen angehoben werden. Des Weiteren haben Proben mit einer künstlich geschaffenen schlitzartigen Kerbe eine deutlich geringere Schwingfestigkeit als die SED-Entwurfswöhlerlinie vorgibt, weil sie eine große Rissfortschrittsrate aufweisen. Der Ermüdungsparameter erfasst deshalb nicht das individuelle Risswachstum. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Wöhlerlinien auf Schweißdetails, die die Grundlage der Linien bilden, zu beschränken sind. Im letzten Schritt wird das Risswachstum vom Nahtübergang eines komplexen schiffbaulichen Details untersucht und mit dem Verhalten an einer Quersteife verglichen. Bei gleichem Wert des Ermüdungsparameters verlangsamt sich das Risswachstum des komplexen Details aufgrund von verschiedenen lokalen Einflüssen (u.a. der Spannungsgradient über die Plattendicke oder die wirksame Plattendicke wegen eines Unterbaus) erheblich. Diese werden jedoch nur teilweise durch den Ermüdungsparameter erfasst, weshalb Korrekturfaktoren vorgeschlagen werden, um eine realistischere Bewertung der Schwingfestigkeit mit der Entwurfswöhlerlinie zu erreichen. Aus den Untersuchungen leiten sich Empfehlungen für die zukünftige Anwendung des SED-Konzepts ab.
Es existieren verschiedene ingenieursmäßige Konzepte zur Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. Die meisten verwenden einen punktbasierten Ermüdungsparameter, beispielsweise eine kennzeichnende Spannungsschwingbreite, und Wöhlerlinien, die den Bezug zur Bruchspielzahl herstellen. Sie basieren auf Vereinfachungen und sind bezüglich einer allgemeingültigen und flexiblen Anwendung eingeschränkt. Das relativ wenig verbreitete Konzept der gemittelten Formänderungsenergiedichte (SED) stellt eine interessante Alternative dar, weil es auf unterschiedliche Schweißnahtgeometrien einfach angepasst werden kann und einen relativ geringen Berechnungsaufwand erfordert. Dabei werden der Nahtübergang und die gegebenenfalls vorliegende Nahtwurzel als Kerben ohne Radius idealisiert und die Formänderungsenergie innerhalb eines zylinderförmigen Kontrollvolumens, das den Kerbgrund umschließt, gemittelt. Dritte außerhalb der Forschungsgruppe, die das Konzept entwickelt hat, stellten Abweichungen bei Bewertungen von Versuchsergebnissen und einer komplexen schiffbaulichen Teilstruktur fest. Die Dissertation verfolgt das Ziel, die Annahmen des SED-Konzepts kritisch zu hinterfragen sowie zu prüfen und somit die möglichen Ursachen der Abweichungen zu finden. Dazu wird zunächst der numerische Berechnungsfehler ermittelt, indem einerseits eine Konvergenzstudie mit Verwendung alternativer Netzverfeinerungsstrategien durchgeführt und andererseits verschiedene Softwares verwendet werden. Der Fehler beträgt nur 3% bei der gröbsten Unterteilung und Bezug auf Spannungen. Im nächsten Schritt werden die Größe des Kontrollvolumens und die SED-Wöhlerlinie durch Versuche zweier verschiedener Schweißdetails geprüft. Dabei wird festgestellt, dass die ursprünglichen Wöhlerlinien für Versagen vom Nahtübergang – im Gegensatz zu anderen Konzepten –implizit Zusatzbeanspruchungen aufgrund von schweißbedingten Vorverformungen in Höhe von circa 8% enthalten. Diese Tatsache beeinflusst auch die Größe des Kontrollvolumens. Dieses vergrößert sich geringfügig von 0,28 mm auf 0,32 mm, wenn die zugehörigen N-SIF-Wöhlerlinien für die explizite Berücksichtigung von Zusatzbeanspruchungen angehoben werden. Des Weiteren haben Proben mit einer künstlich geschaffenen schlitzartigen Kerbe eine deutlich geringere Schwingfestigkeit als die SED-Entwurfswöhlerlinie vorgibt, weil sie eine große Rissfortschrittsrate aufweisen. Der Ermüdungsparameter erfasst deshalb nicht das individuelle Risswachstum. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Wöhlerlinien auf Schweißdetails, die die Grundlage der Linien bilden, zu beschränken sind. Im letzten Schritt wird das Risswachstum vom Nahtübergang eines komplexen schiffbaulichen Details untersucht und mit dem Verhalten an einer Quersteife verglichen. Bei gleichem Wert des Ermüdungsparameters verlangsamt sich das Risswachstum des komplexen Details aufgrund von verschiedenen lokalen Einflüssen (u.a. der Spannungsgradient über die Plattendicke oder die wirksame Plattendicke wegen eines Unterbaus) erheblich. Diese werden jedoch nur teilweise durch den Ermüdungsparameter erfasst, weshalb Korrekturfaktoren vorgeschlagen werden, um eine realistischere Bewertung der Schwingfestigkeit mit der Entwurfswöhlerlinie zu erreichen. Aus den Untersuchungen leiten sich Empfehlungen für die zukünftige Anwendung des SED-Konzepts ab.
| Erscheinungsdatum | 28.04.2016 |
|---|---|
| Verlagsort | Aachen |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 170 x 240 mm |
| Gewicht | 335 g |
| Einbandart | geklebt |
| Themenwelt | Technik ► Fahrzeugbau / Schiffbau |
| Technik ► Maschinenbau | |
| Schlagworte | gemittelte Formänderungsenergiedichte • Kerbspannungsintensitätsfaktor • Rissfortschrittanalyse • Schweißnaht • Schwingfestigkeit |
| ISBN-10 | 3-8440-4400-0 / 3844044000 |
| ISBN-13 | 978-3-8440-4400-3 / 9783844044003 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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