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A268

Schwingfestigkeitsbewertung von Nahtenden MSG-geschweißter Feinbleche aus Stahl unter Schubbeanspruchung

(A268 S 24/10178/2010)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Januar 2011 – 30. Juni 2012

 

 

Im 2009 abgeschlossenen AVIF-Projekt A 249 „Schwingfestigkeitsbewertung von Nahtenden MSG-geschweißter Dünnbleche aus Stahl“ konnte ein Konzept zur Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißnahtenden unter Längs- und Querzug sowie Biegung erarbeitet werden. Im Rahmen des vorliegenden Anschlussvorhabens A 268 „Schwingfestigkeit von Schweißnahtenden unter Schubbeanspruchung“ sollte dieses Konzept auf den Lastfall Schub erweitert werden.

 

Kern des Projektes war die Erfassung der realen Nahtgeometrie mittels eines optischen 3D Scanners (Flächenauflösung: 30m, Tiefenauflösung: 5m) zur Berücksichtigung des für den Lastfall Schub maßgebenden Übergangsbereiches vom Nahtfuß zur Nahtwurzel sowie der Wurzelkerbe selbst. 

 

Es ist hierbei erstmals gelungen, durch kryogenisches Aufbrechen der Schweißnaht auch die Geometrie der Wurzelkerbe mit dem Scanner aufzunehmen. Um die aufgebrochene und anschließend gescannte Naht numerisch berechnen zu können, wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich aus den Scans vor und nach dem Aufbrechen der Naht ein geschlossener Volumenkörper bilden lässt. Die Berechnung der Kerbspannungen erfolgte mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente unter Zuhilfenahme der Submodelltechnik. In einem ersten Submodell mit komprimiertem Netz kann der Ort der maximalen Kerbspannung identifiziert werden. An einem zweiten Submodell mit höchster Ortsauflösung wurden die Kerbspannungen bestimmt. Das Grobmodell wurde per Hand modelliert und stellt eine Idealisierung der Naht dar.

 

Auf Basis des im Rahmen des Vorgängerprojektes AVIF A 249 entwickelten parametrisierten Nahtendmodells konnte ein idealisiertes Nahtendmodell für den Lastfall Schub entwickelt werden. Die neuen Parameter wurden durch Geometrieanpassung bestimmt. Mit diesem idealisierten Nahtendmodell, dass für den Lastfall Schub optimiert ist, lassen sich die für diesen Lastfall maßgebenden Kerbspannungen auch örtlich vorhersagen.

 

In Verbindung mit den Versagensschwingspielzahlen aus den rund 75 durchgeführten Schwingversuchen wurde eine konzeptgebundene Kerbspannungswöhlerlinie für einen Referenzradius r = 0,05 mm erstellt. Somit liegt eine in sich geschlossene Bewertungsmethode nach dem Kerbspannungskonzept für Schweißnahtenden unter Schubbeanspruchung vor. Hierbei wird die Einwirkung mit dem idealisierten Nahtendmodell berechnet und auf der Widerstandsseite mit der konzeptgebundenen Wöhlerlinie verglichen.

 

Des Weiteren wurde mit Hilfe der Bruchmechanik ein weiteres Nachweiskonzept vorgeschlagen, in dem der Spannungsintensitätsfaktor K bzw. die Energie­freisetzungsrate G als Beanspruchungsparameter dient. Hierbei entfallen die Scan- und Vernetzungsarbeiten. Die Schweißnaht kann vereinfachend durch einen Dreieckquerschnitt modelliert werden. Jedoch ist der vorhandene Wurzelspalt als Riss zu modellieren. Der zur Berechnung der Spannungsintensitätsfaktoren sowie für die Energiefreisetzungsrate modellierte Riss ist damit genau so lang wie die Naht, womit auch prinzipiell die Beanspruchung über die gesamte Nahtlänge ermittelt werden kann. Die K-Faktoren werden zum Nahtende hin extrapoliert. Auch hier wurde aus den Schwingversuchen eine konzeptgebundene Spannungsintensitätsfaktorwöhlerlinie erstellt. 

 

Mit den Ergebnissen des Projektes können nun Schweißnahtenden nach dem Kerbspannungskonzept auch für den Lastfall Schub bewertet werden. Für die Praxis bedeutet dies einen deutlichen Zugewinn an Präzision und Effizienz bei der Bemessung von Schweißnähten. Desweitern können zeit- und kostenintensive Versuchsreihen im Vorherein viel besser geplant werden, so dass der experimentelle Umfang eingeschränkt werden kann.

Da die für die Konzepte notwendigen Nahtendgeometrien sowie deren Vernetzungsrichtlinen in parametrisierter Form erstellt wurden, können diese in verfügbare Software eingearbeitet werden.

 

 

 

Forschungsstelle:

Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik der TU Darmstadt (IfSW)

www.ifsw.tu-darmstadt.de

 

Forschungsleiter:                         

Prof. Dr.-Ing. Michael Vormwald

 

((vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) für Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT))

 

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

 

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF

19.03.2013