Modellierung des Ermüdungsrisswachstums in Schweißverbindungen unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen

Abstract

Forschungsergebnisse, die am Fachgebiet Werkstoffmechanik der Technischen Universität Darmstadt innerhalb des DFG‐AiF‐Forschungsclusters IBESS (Integrale Bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen) erzielt wurden, werden im Rahmen dieses Beitrags präsentiert [1]. Ziel ist es, die Lebensdauer für den technischen Anriss in Schweißverbindungen unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen und der Nahtgeometrieparametern zu berechnen. Hierzu werden räumliche, mit rissartigen Imperfektionen versehene Finite Elemente (FE) Modelle erstellt. Die Simulation des Ermüdungsrisswachstums erfolgt unter Anwendung des Node‐Release‐Verfahrens mit dem kommerziellen Finite Elemente‐Programm ABAQUS. Die Schweißeigenspannungen sowie die plastizitätsinduzierten Rissschließeffekte werden berücksichtigt. Um die aus dem Schweißprozess resultierenden Eigenspannungsfelder im Finite Elemente‐Modell abbilden zu können, wurden Strukturberechnungen mit adäquaten thermischen Randbedingungen durchgeführt. Die gemessenen Schweißeigenspannungsprofile konnten damit gut angenähert werden. Als Rissspitzenbeanspruchungsparameter wird das effektive zyklische J‐Integral (ΔJeff) in einer Rissforschrittsgleichung in Verbindung mit einem Potenzgesetz verwendet. Zu diesem Zweck wurde ein Python‐Code geschrieben, um ΔJeff für jede Risslängenkonfiguration zu bestimmen. Die mit ΔJeff berechneten Anrisslebensdauern wurden mit experimentellen Daten verglichen: berechnete und experimentell bestimmte Lebensdauern stimmten gut überein. Der Einfluss von Schweißeigenspannungen auf ΔJeff als auch auf die Anrisslebensdauer wurde numerisch untersucht: Wie erwartet wirken sich Druckeigenspannungen bei niedriger Spannungsamplitude günstig auf die Lebensdauer aus und Zugeigenspannungen führen dagegen zu kürzeren Lebensdauer. Bei höheren Lastamplituden spielen Eigenspannungen praktisch keine Rolle mehr.