Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen mittels der Formänderungsenergiedichte

Es existieren verschiedene ingenieursmäßige Konzepte zur Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. Die meisten verwenden einen punktbasierten Ermüdungsparameter, beispielsweise eine kennzeichnende Spannungsschwingbreite, und Wöhlerlinien, die den Bezug zur Bruchspielzahl herstellen. Sie basieren auf Vereinfachungen und sind bezüglich einer allgemeingültigen und flexiblen Anwendung eingeschränkt. Das relativ wenig verbreitete Konzept der gemittelten Formänderungsenergiedichte (SED) stellt eine interessante Alternative dar, weil es auf unterschiedliche Schweißnahtgeometrien einfach angepasst werden kann und einen relativ geringen Berechnungsaufwand erfordert. Dabei werden der Nahtübergang und die gegebenenfalls vorliegende Nahtwurzel als Kerben ohne Radius idealisiert und die Formänderungsenergie innerhalb eines zylinderförmigen Kontrollvolumens, das den Kerbgrund umschließt, gemittelt. Dritte außerhalb der Forschungsgruppe, die das Konzept entwickelt hat, stellten Abweichungen bei Bewertungen von Versuchsergebnissen und einer komplexen schiffbaulichen Teilstruktur fest. Die Dissertation verfolgt das Ziel, die Annahmen des SED-Konzepts kritisch zu hinterfragen sowie zu prüfen und somit die möglichen Ursachen der Abweichungen zu finden. Dazu wird zunächst der numerische Berechnungsfehler ermittelt, indem einerseits eine Konvergenzstudie mit Verwendung alternativer Netzverfeinerungsstrategien durchgeführt und andererseits verschiedene Softwares verwendet werden. Der Fehler beträgt nur 3% bei der gröbsten Unterteilung und Bezug auf Spannungen. Im nächsten Schritt werden die Größe des Kontrollvolumens und die SED-Wöhlerlinie durch Versuche zweier verschiedener Schweißdetails geprüft. Dabei wird festgestellt, dass die ursprünglichen Wöhlerlinien für Versagen vom Nahtübergang – im Gegensatz zu anderen Konzepten –implizit Zusatzbeanspruchungen aufgrund von schweißbedingten Vorverformungen in Höhe von circa 8% enthalten. Diese Tatsache beeinflusst auch die Größe des Kontrollvolumens. Dieses vergrößert sich geringfügig von 0,28 mm auf 0,32 mm, wenn die zugehörigen N-SIF-Wöhlerlinien für die explizite Berücksichtigung von Zusatzbeanspruchungen angehoben werden. Des Weiteren haben Proben mit einer künstlich geschaffenen schlitzartigen Kerbe eine deutlich geringere Schwingfestigkeit als die SED-Entwurfswöhlerlinie vorgibt, weil sie eine große Rissfortschrittsrate aufweisen. Der Ermüdungsparameter erfasst deshalb nicht das individuelle Risswachstum. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Wöhlerlinien auf Schweißdetails, die die Grundlage der Linien bilden, zu beschränken sind. Im letzten Schritt wird das Risswachstum vom Nahtübergang eines komplexen schiffbaulichen Details untersucht und mit dem Verhalten an einer Quersteife verglichen. Bei gleichem Wert des Ermüdungsparameters verlangsamt sich das Risswachstum des komplexen Details aufgrund von verschiedenen lokalen Einflüssen (u. a. der Spannungsgradient über die Plattendicke oder die wirksame Plattendicke wegen eines Unterbaus) erheblich. Diese werden jedoch nur teilweise durch den Ermüdungsparameter erfasst, weshalb Korrekturfaktoren vorgeschlagen werden, um eine realistischere Bewertung der Schwingfestigkeit mit der Entwurfswöhlerlinie zu erreichen. Aus den Untersuchungen leiten sich Empfehlungen für die zukünftige Anwendung des SED-Konzepts ab.