Simulation of fatigue crack growth in welded joints

Abstract

This paper gives an overview on recent research results of the Darmstadt group inside a project called integral fracture mechanics based determination of the fatigue strength of weldments (IBESS). Purpose of this project is the fracture mechanics based simulation of Wöhler-curves (S-N-curves) of welded joints. Part of this project is the investigation of initial defects and imperfections of welded joints. Metallographic and fractographic investigations have been done to derive a definition of an initial crack situation. Also investigations of the crack growth of multiple short cracks were performed on the basis of thermographic and fractographic studies. Another part of integral fracture mechanics based determination of the fatigue strength of weldments gives attention to the stability of the residual stress field in a welded joint due to the transient plastic deformation behaviour under cyclic loading. Numerical simulations using Döring's material model have been done to investigate the effect of a cyclic loading on a residual stress field in an uncracked and a cracked situation.

Analysis of the stress intensity factor of welded joints under prior corrosion and complex stress fields

“…It is assumed that an initial crack is a quarter-circular corner crack. The crack depth a and half-length c are assumed to be [19,20]. A uniform axial tensile stress of 160 MPa is applied at one end of the plate, and the fixed constraint is applied at the other end of the plate.…”

Modellierung des Ermüdungsrisswachstums in Schweißverbindungen unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen

“…Druckeigenspannungen zum Beispiel wirken sich günstig auf die Lebensdauer aus während Zugeigenspannungen zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen . Tatsächlich lagern sich Eigenspannungen bei einer zyklischen Belastung um . Die Umlagerung des Eigenspannungsfeldes in der plastischen Zone vor dem Riss erfolgt gleichzeitig mit dem graduellen Aufbau des Rissschließeffektes sowie mit der Entwicklung der zyklischen Ver‐ oder Entfestigung, der zyklischer Relaxation und dem zyklischen Kriechen.…”

“…Die gemessenen Schweißeigenspannungen sollten im Finite Elemente‐Modell abgebildet werden. Um die Höhe der Eigenspannungen in der versagenskritischen Kerbe zu berücksichtigen, wurden gezielte Strukturberechnungen mit adäquaten thermischen Randbedingungen durchgeführt . Die Schweißnähte und Wärmeeinflusszonen wurden gezielt mit einer thermischer Last beaufschlagt, Bild (links, Bereiche 1 bis 4).…”

“…Im Bild ist die Entwicklung des Risses in einigen Konfigurationen dargestellt. Eine Anfangsrisslänge wurde ausgewählt, was ungefähr der vom Projektpartner A1 gemessenen, maximalen Defektgröße von 25 bis 70 µm in den Proben entspricht . Berechnungen wurden bis zur Endrisslänge durchgeführt, was dem gewählten numerischen Anrisskriterium entspricht.…”

“…B. war laut Projektpartner G4 (SzM, TU Darmstadt) als Anrisskriterium das Auftreten kleinster Veränderungen im Thermographie‐Bild definiert, dies entspricht einer Oberflächenrisslänge von ca. 2c = 1 mm . Die Ermittlung der Anrissschwingspielzahl bei Kreuzstößen S960 erfolgte in diesem Vorhaben durch Rastlinienversuche.…”