Ein Konzept zum Nachweis der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Bauteile unter Berücksichtigung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens
Für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis geschweißter Bauteile nach den Berechnungsalgorithmen der FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens, kurz Richtlinie Nichtlinear, wurden verschiedene Einflussgrößen untersucht. Während für nicht geschweißte Bauteile die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve und Werkstoff-Schädigungsparameterwöhlerlinie aus der Zugfestigkeit abgeleitet werden, wird für Schweißverbindungen die Vickershärte als quasi-statische Werkstoffgröße gewählt, um Werkstoffinhomogenitäten zu berücksichtigen. Ein linearer Zusammenhang zwischen Zugfestigkeit und Vickershärte wurde definiert und die zyklischen Werkstoffeigenschaften an einer Datenbasis mit dehnungsgeregelten Versuchen untersucht. Mit der Modifizierten FKM-Methode wird eine Abschätzmethode vorgestellt um zyklische Werkstoffkennwerte und Schädigungsparameterwöhlerlinien direkt aus der Vickershärte abzuschätzen. Die Arbeit umfasst auch die Untersuchung der Modellierung von Schweißnähten, wobei die Modelle von gescannten Schweißnähten zu Geometrien mit Ersatzradien abstrahiert wurden. Mit den verschiedenen Modellen wurden sowohl elastisch-plastische als auch linear-elastische FE-Simulationen mit nachgelagerter Kerbnäherung zur Ermittlung von Bauteilfließkurven untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von gescannten Modellen und elastisch-plastischen Simulationen nicht immer zu besseren Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen führen. Weiterhin wurde der Einfluss der Mittelspannungsempfindlichkeit in Abhängigkeit der Eigenspannungen untersucht, die Dauerfestigkeit geschweißter Bauteile berücksichtigt und die Anpassungen am Berechnungskonzept der Richtlinie Nichtlinear vorgenommen. Der angepasste Berechnungsalgorithmus wurde experimentell ermittelten Wöhler- und Gaßnerversuchen gegenübergestellt und zeigt eine gute Treffsicherheit. Abschließend wurde an einer mit Versuchsreihen aus der Literatur erweiterten Datenbank das Sicherheitskonzept überprüft, um auch für geschweißte Bauteile abgesicherte rechnerische Lebensdauern zu ermitteln.
For the analytical fatigue assessment of welded components based on the notch strain approach published in the Analytical Strength Assessment of Components Under Explicit Consideration of Nonlinear Material Behavior various influencing variables were investigated. While the cyclic stress-strain curve and material damage parameters Wöhler curve are derived from the tensile strength for non-welded components, the Vickers hardness is selected as a quasi-static material parameter for welded joints in order to take material homogeneities into account. A linear relationship between tensile strength and Vickers hardness was defined and the cyclic material properties were investigated on a database with strain-controlled tests. With the assessment an estimation method is presented to estimate cyclic material properties and damage parameter curves directly from the Vickers hardness. This thesis also includes the investigation of the modeling methods for welds, where the models were abstracted from scanned welds to geometries with equivalent radii. The different models were used to investigate both elastic-plastic and linear-elastic FE-simulations with notch approximation methods to determine local stresses and local elastic-plastic strains. The results show that the use of scanned models and elastic-plastic FE-simulations does not regularly lead to better matching analytical and experimental results. Furthermore, the mean stress sensitivity as a function of the residual stresses was analysed and the fatigue strength of welded components was examined and adjustments were made to the algorithm of the fatigue assessment. The analytical results of the adapted fatigue assessment were compared with experimentally determined service lifes and showed good accuracy. Finally, the safety concept was checked using a database extended with test series from the literature in order to determine verified calculated service lifes for welded components as well.
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