Berechnungsverfahren zur Lebensdauervorhersage für linienförmig MAG-geschweißte Stahl-Verbindungen unter Anwendung der Finiten Elemente Methode

Abstract

Die hier vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Lebensdauerberechnung geschweißter Stahl-Bauteile, welche in Form von bauteilnahen Proben bei unterschiedlichen Belastungsarten analysiert werden.<br />Mit Hilfe von vereinfachten Schweißproben soll eine Datenbasis für die Bewertung von komplexeren Bauteilen geschaffen werden. Basis waren dabei Schweißnahtproben vom Unternehmen BMW-München, welche am Prüfstand auf Zug -Druck, Längsbiegung und Querbiegung beansprucht wurden.<br />Ziel der Messaufbauten war es, Informationen bezüglich der Lebensdauer der Bauteile zu gewinnen. Dies geschah anhand der aufgenommenen Versuchswöhlerlinien (mit der Software Wolav und der Berechnungsmethode BERGLIN (Berger-Lindner)). Besonderes Augenmerk wurde bei dieser Arbeit auf die Schweißnahtmodellierung gelegt. Anhand der angefertigten Schliffbilder wurden FE-3D-Volumsmodelle bzw. 2D-Schalenmodelle (Feinmodelle) erstellt, bei welchen das Ersatzradienkonzept von Radaj angewendet wurde. Basierend auf diesen Modellen und den aufgebrachten unterschiedlichsten Lastsituationen wurden die Kerbfaktoren laut Radaj-Methode ermittelt und diese in einer eigens für BMW erstellten Schweißnahtdatenbank eingetragen. Für die Berechnung der Lebensdauer kommt das Software-Paket FEMFAT der Software-Entwicklungsabteilung des ECS zum Einsatz. Die Bewertung der Lebensdauer für die Schweißnähte basiert dabei auf einem örtlichen Spannungskonzept. Weiters wurden Einflüsse wie Elementkantenlänge, Abstützeffekte, Einbrand- und Wurzelkerbe untersucht und analysiert.<br />Für die Lebensdauerberechnungen wurden die Modellstrukturen optimal dem Versuchsaufbau angepasst und mit den jeweiligen Lastfällen beaufschlagt.<br />Der Modellabgleich erfolgte durch Vergleichen der Dehnungen, welche mittels Dehnmessstreifen (DMS) an den Messpunkten am Messobjekt abgegriffen wurden, mit den aus den Finite-Elemente-Berechnungen ermittelten Strukturdehnungen, welche aus den Strukturspannungen über das drei dimensionale Hooksche Gesetz (allgemeine Form) berechnet wurden. Die Versuchswöhlerlinien wurden verwendet, um in iterativen Prozessen die Schweißnahtdatenbasis so anzupassen, dass die Simulationsergebnisse den Versuch bestmöglich wiedergeben.<br />Abschließend wurde als Testrechnung (Schädigungsrechnung) ein Hinterachsträger, welcher von BMW-München als FE-Schalenstruktur zur Verfügung gestellt wurde, berechnet (FEMFAT-Channel-MAX). Dabei wurden die Schweißnahtverbindungen mit den vorher generierten Stoßarten definiert. Ziel der Testanwendung anhand des Hinterachsträgers war auch hier, die Anrissstelle mittels Schädigungsrechnung zu lokalisieren und diese mit den Anrissstellen des Versuchs zu vergleichen, welcher die gleichen Schädigungsstellen zeigen sollte.<br />

This thesis (diploma) is concerned with the fatigue analysis of welded structural steel components, which are investigated using specimen with different types of load.<br />With the aid of simplified welding specimens a database for the assessment of more complex components shall be created. The investigations were based on welded specimen of BMW-Company Munich, witch were tested on the test bench using tension/compression - pressure, longitudinal bending, transverse bending loads.<br />Goal of the measurement setups was to acquire information concerning the fatigue behavior of the components. This was done on the basis of S/N-Curves from the tests. With this work special attention was paid on the welding seam modeling. On the basis of micrographs FE-3D-volume-model and 2D-shell-model (fine models) were established, using the substitute radius concept according Radaj.<br />Based on these models and the applied different loading situations, the notch-factors were determined according to Radaj method and registered in a welding seam data base particularly provided for BMW. For the fatigue analysis the software package FEMFAT of the internal software development department from ECS were used. Hereby the evaluation of the fatigue behavior of the welding seams is based on a local stress concept. Additionally influences were examined and analyzed such as element edge length, contact-effect, weld -penetration and root notch.<br />For the fatigue analysis the FE-model of the structures were adjusted to the experimental setup and subjected with the respective load cases. The model alignment was done through comparison of the strains, which were measured by means of strain gauges (DMS) at the measuring points at the specimen, with the strain determined from the finite element analysis, which were computed from the structure strains using the three dimensional Hook law (general form). The test S/N-curves were used to adapt the weld database during iterative processes in such a way that the simulation results will represent the test results the best possible way.<br />Finally for evaluation purpose (damage calculation) a frame component provided by BMW Munich on the basis of a FE-shell model was, analyzed with FEMFAT-Channel-MAX. The welding connections were defined with the generated joint types. Purpose of frame analyze was to locate the crack-positions by using damage calculation. This determined crack position (damage calculation) should be equal to the results out of the experiment.