Modellierung des Ermüdungsrisswachstums in Nahtschweißverbindungen des transienten plastischen Verformungsverhaltens
Final Report Abstract
In diesem Forschungsvorhaben wurden sowohl experimentelle als auch theoretisch-numerische Untersuchungen an Schweißverbindungen durchgeführt. Im experimentellen Teil des Vorhabens wurden Schwingfestigkeitsversuche an Kreuzstößen aus hochfesten Stahl S960QL durchgeführt. Ziel dabei war die Ermittlung von Wöhlerkurven im Zeitfestigkeitsbereich sowie im Übergangsbereich zur Dauerfestigkeit. Hierbei dienten die erzielten Ergebnisse zur Validierung der Modelle und der IBESS-Prozedur. Experimentell lieferten die geglühten Kreuzstoßproben im Vergleich zu den Proben im Schweißzustand kleinere Bruchschwingspielzahlen. Dies lag an der Tatsache, dass die unbehandelten Kreuzstoßproben laut Eigenspannungsmessungen ein Druckeigenspannungsfeld aufweisen, das sich günstig auf die Lebensdauer auswirkt. Der Einfluss des R-Verhältnisses konnte auch experimentell beobachtet werden, die Lebensdauer nimmt mit zunehmendem R-Verhältnis ab. Im theoretisch-numerischen Teil des Vorhabens wurden Rissfortschrittssimulationen für Kreuz- und Stumpfstöße unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen sowie von Rissschließeffekten durchgeführt. Hierzu wurden ebene und räumliche, mit rissartigen Imperfektionen versehene FEM-Modelle erstellt. Die Simulation des Ermüdungsrisswachstums erfolgte unter Anwendung des Node-Release-Verfahrens mit dem kommerziellen FE-Programm ABAQUS. Gezielte Strukturberechnungen mit adäquaten thermischen Randbedingungen wurden unter Ansatz des Werkstoffgesetzes nach Chaboche durchgeführt, um die aus dem Schweißprozess resultierenden Eigenspannungsfelder im FE-Modell abbilden zu können. Die gemessenen Schweißeigenspannungsprofile konnten damit gut angenähert werden. Nach der Übernahme von Eigenspannungen im FE-Modell wurde ihre Entwicklung bei einer zyklischen äußeren Belastung untersucht: Sowohl Zug- als auch Druckeigenspannungen bauten sich unter einer zyklischen äußeren Belastung ab. Es konnte auch festgestellt werden, dass die ersten Lastwechsel für den Eigenspannungsabbau entscheidend waren und dass der Eigenspannungsabbau von der Höhe der zyklischen Belastung abhing. Kontaktrandbedingungen wurden zwischen Rissflanken definiert, um plastizitätsinduzierte Rissschließeffekte zu berücksichtigen. Das effektive zyklische J-Integral ∆Jeff wurde als Rissspitzenbeansprunchungsparameter in einer Rissforschrittsgleichung in Verbindung mit einem Potenzgesetz für die Berechnung der Lebensdauer verwendet. Zu diesem Zweck wurde ein Python-Code geschrieben, um ∆Jeff für jede Risslängenkonfiguration bestimmen zu können. Die mit ∆Jeff berechneten Anrisslebensdauern wurden mit experimentellen Daten verglichen: es zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Berechnungs- und Versuchsergebnissen. ∆Jeff ist offenbar ein geeigneter Parameter für Berechnungen zur Anrisslebensdauervorhersage von Schweißverbindungen. Der Einfluss von Schweißeigenspannungen auf ∆Jeff als auch auf die Anrisslebensdauer wurde numerisch untersucht: Wie erwartet wirken sich Druckeigenspannungen bei niedriger Spannungsamplitude günstig auf die Lebensdauer aus und Zugeigenspannungen dagegen führen zu kürzerer Lebensdauer. Bei höheren Lastamplituden spielen Eigenspannungen praktisch keine Rolle mehr. Die Schwingfestigkeiten von Kreuz- und Stumpfstößen aus S355NL bei wurden unter Verwendung der zyklischen R-Kurve (Werkstoffwiderstand oder Schwellenwert gegen Ermüdungsrisswachstum) des Stahls S355NL sowie von numerisch berechneten Rissbeanspruchungskurven bestimmt: die Berechnungen lieferten für beide Verbindungen die gleiche Dauerfestigkeit. Dieses Ergebnis entsprach den Ergebnissen der IBESS-Prozedur sowie Versuchsergebnissen. Folgende Erkenntnisse und Daten wurden dem Forschungscluster IBESS als Basisdaten zur Validierung zur Verfügung gestellt: FE-Ergebnisse der Spannungstiefenprofile am Nahtauslauf, die mit gescannten Proben sowie idealisierten Probengeometrie berechnet wurden. Experimentelle Ergebnisse der Schwingfestigkeitsversuche an Kreuzstößen aus Stahl S960QL. Numerische Ergebnisse sowie Erkenntnisse zu der Umlagerung von Schweißeigenspannungen bei zyklischer Belastung. Numerische Ergebnisse des zyklischen J-Integrals und des effektiven zyklischen J-Integrals für Stumpfund Kreuzstöße bei kurzen halbkreisförmigen Rissen. Numerische Erkenntnisse zum Schließverhalten von kurzen Rissen. Das Ziel dieses Teilprojekts (G3) wurde erreicht.
Publications
- Charakterisierung des Schweißeigenspannungszustandes für die Anwendung in schwingbruchmechanischen Ansätzen. DVS Congress 2015, Große Schweißtechnische Tagung Nürnberg, Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V., Düsseldorf, DVS-Bericht 315, S. 282-287, 2015
J. Hensel, T. Nitschke-Pagel, D. Tchoffo Ngoula, D. Tchuindjang
- Integrale bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen: Validierung an Stumpfstößen und Kreuzstößen. DVS Congress 2015, Große Schweißtechnische Tagung Nürnberg, Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V., Düsseldorf, DVS-Bericht 315, S. 306- 309, 2015
J. Bernhard, M. Madia, B. Schork, P. Kucharczyk, D. Tchoffo Ngoula, J. Baumgartner, D. Schöne
- Numerische Modellierung des Ermüdungsrisswachstums in Schweißverbindungen unter Berücksichtigung von Eigenspannungen. DVS Congress 2015, Große Schweißtechnische Tagung Nürnberg, Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V., Düsseldorf, DVS-Bericht 315, S. 294-299, 2015
Désiré Tchoffo Ngoula, Heinz Thomas Beier, Michael Vormwald
- Predicting the fatigue life at crack initiation in cruciform welded joints by using the effective cyclic J-integral (∆Jeff). 12th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials (ICM 12) in Karlsruhe, Book of Abstracts, p 151-152, 10-14 Mai, 2015
Desire Tchoffo Ngoula, Heinz Thomas Beier, Michael Vormwald
- Simulation of fatigue crack growth in welded joints. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 46 (2) pp. 110-122. ISSN 0933-5137, 2015
H. Th. Beier, B. Schork, J. Bernhard, D. Tchoffo Ngoula, T. Melz, M. Oechsner, M. Vormwald
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201400366)
