Ansatz zur Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen bei der Ermüdungsfestigkeitsbewertung mittels direkter numerischer Simulationen

• Antragsteller: Professor Dr. Sören Ehlers
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397711526

In diesem Projekt soll ein Verfahren zur Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen bei der Ermüdungsfestigkeitsbewertung mittels direkter Simulationen entwickelt werden. Zunächst sollen Schweißeigenspannungen in Kleinproben und Großbauteilen bestimmt und verglichen werden. In Kleinproben liegen aufgrund fehlender Schrumpfungsbehinderung häufig nur relativ geringe Eigenspannungen vor. Im Rahmen der Untersuchungen soll ermittelt werden, welche Eigenspannungen in Kleinproben, wie sie für Ermüdungsfestigkeitsversuche genutzt werden, auftreten und inwieweit sie sich von denen in größeren Bauteilen unterscheiden. Mittels numerischer Schweißsimulationen soll ein breites Spektrum von Plattendicken und Bauteilabmessungen untersucht werden, um den Einfluss von Geometrieparametern auf die Eigenspannungsentstehung zu bestimmen. Da die Überlagerung mit externen Lasten zu einer Umverteilung bzw. einem Abbau von Eigenspannungen führen kann, sind für die Ermüdungsfestigkeitsbewertung die stabilisierten Eigenspannungen nach Belastung entscheidend. Mithilfe von numerischen Simulationen wird diese Umverteilung für unterschiedliche Lasthorizonte unter Zug und Druck, d.h. unterschiedliche Grenzlastverhältnisse, ermittelt. Anhand der Ergebnisse können die für die Ermüdungsfestigkeit relevanten Eigenspannungen für Kombinationen aus unterschiedlichen Ausgangszuständen und Lastfällen berechnet und für Kleinproben und Großbauteile verglichen werden. Der Eigenspannungseinfluss auf die Ermüdungsfestigkeit wird anschließend in Versuchen ermittelt. Da Schweißeigenspannungen im Allgemeinen nicht gleichmäßig über die Plattendicke verteilt sind, soll der Einfluss auf die Rissentstehungs- und die Rissfortschrittsphase unterschieden werden. Zudem sollen zwei unterschiedliche Nahtgeometrien mit unterschiedlichen Eigenspannungsverteilungen und Spannungskonzentrationsfaktoren verglichen werden: Kreuzstöße quer zur Belastungsrichtung und Steifen längs zur Belastung. Der Eigenspannungseinfluss wird anschließend dem Einfluss von Mittelspannungen gegenübergestellt. Abschließend soll anhand der Ergebnisse der Simulationen und Experimente ein Verfahren entwickelt werden, um Eigenspannungen bei der Ermüdungsfestigkeitsbewertung mittels direkter numerischer Simulationen zu berücksichtigen. Hierfür ist zu ermitteln, mit welcher Genauigkeit Eigenspannungen zu berechnen und wie sie auszulesen sind, um konservative Ergebnisse zu erhalten. Durch Simulation des Eigenspannungsabbaus unter Belastung wird das effektive Grenzspannungsverhältnis unter Berücksichtigung der stabilisierten Eigenspannungen ermittelt. Dieses wird zur Bestimmung eines Grenzspannungskorrekturfaktors herangezogen. Hierbei ist zu prüfen, ob eine entsprechende Korrektur anhand eines Eigenspannungswertes an der Bauteiloberfläche zielführend ist oder ob weitere Korrekturen erforderlich sind. Die durch dieses Vorhaben gewonnenen Erkenntnisse können die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit zukünftiger Bemessungsverfahren verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen