Analyse und bruchmechanische Beschreibung des Wachstums kurzer Mehrfachrisse im Bereich der Nahtübergangskerbe von Schweißnähten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Vorhabens war es, grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse zur Interaktion von kurzen Einzelrissen und deren Zusammenwachsen in der oftmals versagensrelevanten Nahtübergangskerbe von Schweißnähten zu gewinnen. Dazu wurden im Rahmen dieses Projektes umfangreiche experimentelle sowie numerische Untersuchungen an geschweißten Stumpft- sowie Kreuzstoßverbindungen durchgeführt. Es wurden Wöhlerlinien für das Kriterium Bruch sowie Anriss für die Lastverhältnisse R = -1 und R = 0 abgeleitet und eine Vielzahl von unterschiedlichen Anrissdetektionsverfahren getestet und bezüglich ihrer Anwendbarkeit zur Detektion von kurzen Mehrfachrissen hin bewertet. Dabei zeigte sich, dass gängige Verfahren zur Anrissdetektion, wie z.B. die Verwendung von Zinkoxid, nicht zur Detektion von kurzen Mehrfachrissen geeignet sind. Als zielführend erweisen sich die Verfahren des Anlassglühens und die Erfassung mittels Thermografiekamera sowie die Kombination aus beiden Verfahren. Auf Basis der aufgenommenen Thermografiebilder sowie der markierten Bruchflächen durch das Anlassglühen, konnte der Rissfortschritt von kurzen Mehrfachrissen, inklusive des Vorgangs der Interaktion und Koaleszenz messtechnisch erfasst und den entsprechenden Schwingspielzahlen zugeordnet werden. Des Weiteren wurden umfangreiche numerische Untersuchungen zur Bestimmung der Rissspitzenbeanspruchung durchgeführt. Insgesamt wurden 178 FE-Modelle mit Einzelrissen, 212 FE-Modelle mit interagierenden Rissen und 52 FE-Modelle mit koaleszierenden Rissen aufgebaut und ausgewertet. Die aus den FE-Analysen berechneten J-Integralwerte dienten als Stützwerte zur Ermittlung von analytischen Näherungsformeln. Aus den FE-Modellen mit Einzelriss wurden analytische Näherungsformeln für sogenannte Referenzlasten abgeleitet. Mit den FE-Modellen der interagierenden sowie koaleszierenden Risse wurden ebenfalls Näherungsgleichungen entwickelt, um den Vorgang des Zusammenwachsens von kurzen Mehrfachrissen zu beschreiben. Auf Basis dieser analytischen Näherungsgleichungen ist es möglich, den gesamten Prozess von unabhängigen Wachstum eines kurzen Einzelrisses über das Interagieren zweier benachbarter Risse bis hin zum Zusammenwachsen zu einem dominierten Einzelriss in einen beliebigen Rissfortschrittsgesetzt zu berücksichtigten. Des Weiteren wird mit den analytischen Näherungsgleichungen ein wesentlicher Beitrag zur effizienten und hinreichend genauen Anwendung in der Lebensdaueranalyse schwingend belastender Bauteile geleistet. Zusätzlich wurden zudem noch Kerbspannungs- sowie Strukturspannungsberechnungen für alle untersuchten Proben durchgeführt, um auch ein Vergleich zu den klassischen Bewertungskonzepten der Schwingfestigkeit zu gewährleisten. Die in diesem Projekt erarbeiteten experimentellen und numerischen Ergebnisse fließen unmittelbar in das Berechnungskonzept der IBESS-Prozedur mit ein und ermöglichen eine integrale bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Numerische Beanspruchungsanalyse von Rissen zur bruchmechanisch basierten Abschätzung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. DVM-Workshop - Numerische Simulation der Betriebsfestigkeit, 2014
Bernhard, J.; Rybar, G.; Baumgartner, J.; Eufinger, J.; Melz, T.
- Simulation of fatigue crack growth in welded joints. Proceedings of the 4th Symposium on Structural Durability in Darmstadt, 2014
Beier, H. T.; Schork, B.; Bernhard, J.; Ngoula, D. T.; Melz, T.; Oechsner, M.; Vormwald, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201400366) - Imperfektionen für die schwingbruchmechanische Bewertung von Schweißverbindungen. DVS-Congress - Große Schweißtechnische Tagung, 2015
Schork, B.; Zerbst, U.; Kucharczyk, P.; Bernhard, J.; Kaffenberger, M.; Baumgartner, J.;Oechsner, M.
- Integrale bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen: Validierung an Stumpfstößen und Kreuzstößen. DVS-Congress - Große Schweißtechnische Tagung, 2015
Bernhard, J.; Madia, M.; Schork, B.; Kucharczyk, P.; Ngoula, D.; Baumgartner, J.; Schöne, D.
- Simulation of fatigue crack growth in welded joints. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2015, 46, 110-122
Beier, H. T.; Schork, B.; Bernhard, J.; Ngoula, D. T.; Melz, T.; Oechsner, M.; Vormwald, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201400366)
