Numerische Einführung von Schädigungswirkung der Eigenspannungen in die mehrachsige Festigkeitskonzepte für Schweißbauteile und -Strukturen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Majid Farajian
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271548146

Die Bewertung der Lebensdauer von Schweißverbindungen unter mehrachsiger Beanspruchung ist aufgrund vielfältiger Einflussparameter auf das Schwingfestigkeitsverhalten nach wie vor mit großen Unsicherheiten verbunden. Inwieweit das Schweißeigenspannungsfeld auf den mehrachsigen zyklischen Spannungszustand und dementsprechend auf die Schädigungsmechanismen Einfluss hat, ist ungewiss. Der Grund hierfür ist, dass in den bisherigen Untersuchungen für die Analyse der Schwingfestigkeit unter multiaxialer Beanspruchung entweder die geschweißte Proben spannungsarmgeglüht wurden oder sehr hohe Zugeigenspannungen an bruchkritischen Stellen ohne jegliche experimentelle Eigenspannungsermittlung vorausgesetzt worden sind. Eine weitere Schwierigkeit in der Bewertung von Eigenspannungen besteht darin, dass diese während der Beanspruchung Veränderungen unterliegen können, so dass selbst eine präzise Ermittlung der Ausgangseigenspannungen nur den ersten Schritt darstellen kann. Die beschriebenen Umstände haben mit dazu geführt, dass bei der Auslegung von schwingbeanspruchten Schweißkonstruktionen konservative Denkweisen in den aktuellen Regelwerken empfohlen werden, wofür die vermuteten hohen Eigenspannungen ganz wesentlich verantwortlich gemacht werden. Eine wissenschaftliche und aus praktischer Sicht ingenieurmäßige Lösung zum Abbau von diesem Design-Konservatismus ist die Entwicklung eines validierten rechnerischen Nachweises für die numerische Einführung der Schädigungswirkung von Schweißeigenspannungen in Festigkeitskonzepten. Der vorgeschlagene Forschungsantrag wird sich deshalb dieser Thematik widmen und verfolgt zwei Hauptziele, die im Zusammenwirken für die Anwendung auf die Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen einen großen Nutzen aufweisen:1. Experimentelle Untersuchungen des Rissverhaltens unter einachsiger und mehraschiger Beanspruchung durch die Licht- und Rasterelektronenmikroskopie2. Numerische Einführung der Schädigungswirkung von Schweißeigenspannungen in Festigkeitskonzepten basierend auf den experimentellen UntersuchungenRöhrenförmige Schweißproben aus S355J2H sind für die Ermüdungsversuche (LCF, HCF) unter einachsiger und mehrachsiger Beanspruchung geplant. Die Hälfte der Proben wird im Ausgangszustand und die Hälfte nach Eigenspanungsarmglühen geprüft. Durch die numerische Einbindung der berechneten Schweißeigenspannungen in die Schädigungsmodelle der kritischen Ebene, wird die Ermüdungslebensdauer der Schweißproben gerechnet und mit dem Experiment verglichen.Durch die Entwicklung rechnerischer Nachweisverfahren zur Quantifizierung des Einflusses von Eigenspannungen auf die Lebensdauer und die geeignete Anpassung an Konstruktionsrichtlinien eröffnen sich Leichtbaupotentiale, die sich auch in reduzierten Betriebskosten niederschlagen. Nach erfolgreichem Abschluss des Projekts wird durch Empfehlungen ein Beitrag zur Erweiterung der entsprechenden Richtlinien und Regelwerke für mehrachsige Lastfälle geleistet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien, USA
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Peter Gumbsch
• Kooperationspartner: Professor Ali Fatemi, Ph.D.; Professor Dr. Paolo Ferro; Herman F. Nied, Ph.D.