CMT 35/2016

Rissfortschrittsuntersuchungen an Längssteifen zur Validierung der IBESS-Prozedur

 

Technische Universität Hamburg, Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Fricke, Prof. DSc. (Tech.) Sören Ehlers, Dipl.-Ing. Didi Deflor Tchuindjang

 

Das IGF-Vorhaben 17519 N der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

 

Der Bericht kann bei CMT bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an igf(at)cmt-net.org

 

Zusammenfassung

Im Forschungsclusterprojekt IBESS, welches aus acht Forschungspartnern bestand, wurde die I-BESS-Prozedur zur Integralen Bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweiß-verbindungen (IBESS) entwickelt. Im vorliegenden Teilprojekt A4 an der TUHH wurden Arbeiten mit Blick auf die Validierung der IBESS-Prozedur an einer komplexen und bauteilähnlichen Geometrie der Längssteife durchführt.

Die untersuchten Längssteifen bestanden aus dem Werkstoff S355 NL. Zur Untersuchung des Ein-flusses der Nahtgeometrie auf die Schwingfestigkeit wurden zwei Nahtgeometrien mit unterschiedli-chen Kerbwirkungen betrachtet. Die Schwingfestigkeitsversuche zeigen, dass die mehrlagige Naht-geometrie mit der geringeren Kerbwirkungszahl von etwa drei nach Radaj im Vergleich zu den Pro-ben mit der höheren Kerbwirkungszahl von vier eine höhere Schwingfestigkeit aufweisen, was vor-wiegend auf die Anrisslebensdauer zurück zu führen ist.

Der Einfluss der Mittelspannung wurde experimentell durch die Variation des Grenzspannungsver-hältnis (R=0 und R=0,5) ermittelt. Des Weiteren wurde der Einfluss der schweißinduzierten Eigen-spannungen auf die Schwingfestigkeit durch Spannungsarmglühen von drei der 6Versuchsserien ermittelt. Die Schwingfestigkeitsergebnisse zeigen nur einen sehr geringen Einfluss des R-Verhältnis und der Eigenspannungen auf die Schwingfestigkeit der Längssteifen.

Die mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmten Spannungsprofile an den betrachteten Nahtübergängen der Längssteife ohne Riss unter Berücksichtigung der Nahtgeometrie wurden zur analytischen Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren während des Risswachstums verwendet. Hierfür wurden verschiedenen Gewichtsfunktionslösungen aus der Literatur verwendet. Ein Ver-gleich zwischen der analytischen und der mit FEM berechneten Spannungsintensitätsfaktoren zeigt eine gute Übereinstimmung für sehr kleine Rissabmessungen. Die Abweichung bei großen Rissen war auf die Annahme eines konstanten Spannungsverlaufs entlang des Nahtübergangs der Schweißnaht bei den Gewichtsfunktionslösungen zurückzuführen. Die Spannungsverläufe entlang des Nahtübergangs der Längssteife sind – bedingt durch die Probengeometrie – dagegen nicht kon-stant. Im Platteninneren wurde eine Spannungsüberhöhung um den Faktor 1,2 im Platteninneren ermittelt.

Die mit der FEM simulierten Eigenspannungsfelder zeigen eine starke Abweichung von den Mes-sungen des ifs. Hauptgrund dafür sind Phasenumwandlungseffekte, die in dieser Arbeit nur durch eine vereinfachte Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich der Martensitrück-umwandlung berücksichtigt wurden. Durch eine gezielte Anpassung der thermischen Belastungen an die Messergebnisse konnte ein Eigenspannungsfeld simuliert werden, welches als Ausgang für die Untersuchung des Einflusses einer zyklischen Belastung auf den Eigenspannungszustand ver-wendet wurde. Hierbei wurden an den Nahtübergängen Zugeigenspannungen in Plattenlängsrich-tung von etwa 100 MPa gemessen und 200 MPa berechnet. Eine zyklische Belastung der Längsstei-fe führt zum Abbau bzw. zur Umlagerung der Eigenspannung, wobei die Höhe der Spannungsumla-gerung von der Belastungshöhe abhängig ist, so dass für Rissfortschrittsuntersuchungen nicht von den Eigenspannungen im Schweißzustand ausgegangen werden kann.

Die Simulation des Rissschließens bei zyklischer Belastung der Längssteifen zeigt unter Berücksich-tigung der Eigenspannungen eine geringe R-Abhängigkeit der Rissschließfunktion, wobei ohne Ei-genspannungen die R-Abhängigkeit deutlicher zu sehen ist.

Der Einsatz der IBESS-Prozedur zur Ermittlung der Lebensdauer von Längssteifen lieferte im Ver-gleich zu den Versuchsergebnissen im Zeitfestigkeitsbereich um den Faktor drei bis sechs niedrigere Lebensdauern, während die Übereinstimmung im Dauerfestigkeitsbereich besser war. Daher sollte von dort mit dem üblichen Neigungsexponenten der Wöhlerlinie für Schweißverbindungen in den Zeitfestigkeitsbereich extrapoliert werden. Auch der mit den Versuchsergebnissen beobachtete Ein-fluss der Kerbwirkung wurde mit der IBESS-Prozedur zutreffend ermittelt.

 

Insgesamt wurden die Ziele des Forschungsvorhabens erreicht.

 

 


Abstract

In the research cluster IBESS including eight research partners, the IBESS procedure for Integral Fracture Mechanics Based Determination of Fatigue Strength of Welded Joints was developed. In the present partial project A4 of TUHH, investigations in view of validating the IBESS procedure by a complex, component-like geometry of a longitudinal stiffener were performed

The investigated longitudinal stiffeners were made from the steel material S355 NL. Two weld ge-ometries with different notch effects were considered in order to investigate the influence of the weld geometry on the fatigue strength. The fatigue tests have shown that the multi-layer weld with the smaller fatigue notch factor of about three according to Radaj exhibits a higher fatigue strength com-pared to the specimens having a fatigue notch factor of about four, which could be related mainly to a longer crack initiation phase.

The mean stress effect was determined experimentally by varying the stress ratio (R=0 and R=0.5). Furthermore, the influence of welding-induced residual stresses in fatigue strength was investigated by stress-relieving three of six test series. The fatigue test results show only very small effects of the stress ratio R and residual stresses on the fatigue strength.

The stress distributions at the considered weld toes of the longitudinal stiffener were computed for the actual weld geometry without crack using the finite element method (FEM) in order to be able to determine analytically the stress intensity factors for a growing crack. This was performed using dif-ferent weight functions taken from literature. Comparisons between the stress intensity factors de-termined analytically and by FEM show good correlation for very small cracks. Deviations for larger cracks were related to the assumption of constant stress distribution along the weld toe in the weight functions which differs from that at longitudinal stiffeners. However, the stress distribution along the weld toe at the end of longitudinal stiffeners is - due to the specimen geometry - not constant. In the mid-plate region, a stress increase by the factor 1.2 was generally determined.

The residual stress fields obtained from numerical FEM simulations show large deviation from the measurements by ifs. The main reason for this are phase transformation effects which were consid-ered in the present investigation by a simplified adaption of the thermal expansion coefficient in way of the back transformation of martensite. By adjustment of the thermal loads to the measured stress results, a residual stress field was simulated serving as initial state for investigating the effect of cy-clic loads on the residual stress field. Here, tensile residual stresses in stiffener direction of about 100 MPa were measures at the weld toe, whereas 200 MPa were computed. A cyclic load of the longitudinal stiffener resulted in relaxation and redistribution of the residual stress, whereby the amount of redistribution depends of the load level. Therefore, not the welding-induced, but the redis-tributed residual stresses have to be assumed in crack propagation analyses.

The simulation of crack closure during cyclic loading of longitudinal stiffeners shows with considera-tion of residual stresses a small R-dependency, whereas the R-dependency becomes more pro-nounced without residual stresses.

The application of the IBESS procedure to the determination of the fatigue life of longitudinal stiffen-ers resulted in the high-cycle regime by a factor three to six shorter lives compared to the fatigue tests, whereas the agreement was better close to the fatigue limit. Therefore, the results should be extrapolated from there into the high-cycle regime using the common slope exponent of the S-N curves for welded joints. Also the notch effect as observed in the tests was well considered by the IBESS procedure.

 

The objectives of the research project were generally reached.

 

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