Entwicklung eines Anrisskonzepts zur Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen unter mehrachsigen Belastungszeitverläufen

Abstract

Aktuell existieren keine praxistauglichen Methoden in der Literatur und Regelwerken zur zuverlässigen Lebensdauerprognose von Schweißverbindungen unter mehrachsigen, nicht-proportionalen zyklischen Beanspruchungen. Im Bereich maritimer Tragstrukturen treten aufgrund vielfältiger Umwelteinflüsse schädigungsrelevante mehrachsige Beanspruchungsszenarien an der versagenskritischen Schweißnahtkerbe auf. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine umfangreiche Datenbank auf Basis aller in der Literatur verfügbaren Untersuchungen von Schweißverbindungen unter mehrachsiger Beanspruchung erstellt und ein umfangreiches Versuchsprogramm mit mehrachsigen, praxisrelevanten und unerforschten Beanspruchungsszenarien durchgeführt. Auf dieser Grundlage erfolgte die Entwicklung einer neuen Bewertungsmethodik, welche eine zuverlässige und präzise Lebensdauerprognose auf Basis der Literaturdaten sowie des neuen Versuchsprogramms erreichte. Gleichzeitig wurde die entwickelte Methodik mithilfe des Effektivspannungskonzepts unter Berücksichtigung der lokalen Schweißnahtgeometrie für eine praxistaugliche Anwendung durch Verwendung von einheitlichen Beanspruchbarkeiten für jede Schweißverbindung validiert. Somit entfällt die Notwendigkeit der Durchführung von Referenzversuchen zur Bestimmung der Schwingfestigkeit unter einachsiger Beanspruchung. Auf Basis des Versuchsprogramms konnten vielfältige Erkenntnisse bezüglich des Einflusses verschiedener mehrachsiger, nicht-proportionaler Beanspruchungen auf die Lebensdauer abgeleitet und direkt in die Bewertungsmethodik integriert werden. Das entwickelte Bewertungskonzept erlaubt eine signifikante Verbesserung der Prognosequalität um 24 % bis 77 % gegenüber etablierten Regelwerken und Richtlinien, vereinfacht die Bewertung durch eine konsistente Bewertungsmethodik und erweitert die Bewertung zugleich um verschiedene Beanspruchungsszenarien Beanspruchungen mit einer Spannungskomponente parallel zur Schweißnaht. Somit resultiert die Bewertungsmethodik aufgrund der höheren Zuverlässigkeit in signifikant reduzierten Blechdicken und Schweißvolumen bei gleichbleibender Sicherheit. Eine Integration der Bewertungsmethode in Regelwerke und Richtlinien für eine breite Anwendung in der Industrie wird voraussichtlich in naher Zukunft erfolgen bzw. ist bereits teilweise erfolgt. Currently, there are no practical methods in the literature or guidelines for reliably predicting the fatigue life of welded joints under multiaxial, non-proportional cyclic loads. In the field of maritime load-bearing structures, damage-relevant multiaxial load scenarios occur at the failure-critical weld notch due to a variety of environmental influences. As part of this project, a comprehensive database was created based on all studies of welded joints under multiaxial stress available in the literature, and an extensive test program was carried out with multiaxial, practice-relevant and unexplored stress scenarios. On this basis, a new evaluation methodology was developed which achieved a reliable and precise fatigue life prediction based on both the literature data and the new test program. At the same time, the developed methodology was validated for practical application using the effective stress concept, taking into account the local weld geometry, by using a uniform fatigue strength for each welded joint. This eliminates the need to carry out reference experiments to determine the fatigue strength under uniaxial stress. Based on the test program, a wide range of findings regarding the influence of various multiaxial, non-proportional stress scenarios on the fatigue life could be derived and directly integrated into the evaluation methodology. The evaluation concept developed allows for a significant improvement in prediction quality of 24% to 77% compared to established standards and guidelines, simplifies the evaluation through a consistent evaluation methodology and, at the same time, extends the evaluation method to include various stress scenarios with a stress component parallel to the weld seam. As a result, the assessment methodology leads to significantly reduced sheet thicknesses and weld volumes while maintaining the same level of safety due to its higher reliability. The assessment method is expected to be integrated into standards and guidelines for broad application in industry in the near future and has already been partially integrated.