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IBESS steht für „Integrale Bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen“ und ist das Ergebnis eines DFG-AiF-Clusters, an dem acht Partner beteiligt waren. Kernstück ist eine analytische Methode zur bruchmechanischen Beschreibung der Rissausbreitung unter Schwingbelastung, die im IBESS-Teilprojekt A3 entwickelt wurde. Da man es im Bereich der Schwingfes-tigkeit mit kurzen Rissen zu tun hat, auf die die etablierten Methoden der Langrissbruchmechanik nicht anwendbar sind, wurden Lösungen entwickelt, die es erlauben, sowohl die rissnahen Plastizitätsverhältnisse als auch die mit wachsendem Riss graduell zunehmenden Rissschließeffekte quantitativ zu beschreiben. Unter Einbeziehung der sogenannten „zyklischen R-Kurve“, deren experimentelle Methodik ebenfalls im Rahmen des Projekts weiterentwickelt wurde, ist es zudem möglich, Ausgangsrissgrößen vorherzusagen, die auf Dauerfestigkeitsniveau gerade so noch arretieren würden. Dies erlaubt umgekehrt eine Abschätzung der Dauerfestigkeit an den Schweißverbindungen sowie die statistisch basierte, analytische Vorhersagen des Zeitfestigkeitsastes der Wöhlerkurve. In diesem Aufsatz wird die Methodik vorgestellt und ihre Validierung an einem ausgewählten Beispiel diskutiert.
In diesem Aufsatz wird eine analytische Prozedur zur bruchmechanischen Beschreibung des Schwingverhaltens von Schweißverbindungen beschrieben, die im Rahmen des DFG-AiF-Clusters IBESS entwickelt wurde. Es wurden drei Verbindungen untersucht (Stumpfstöße, Kreuzstöße und Längssteifen), die aus warmgewalzten Stahlplatten produziert wurden. Die analytische Modellierung basierte auf drei wichtigen Aspekten: Quantitative Beschreibung der Rissausbreitung mechanisch-kurzer Risse; Statistische Effekte infolge der Variabilität der lokalen Schweißnahtgeometrie; Modellierung der Mehrfachrissinitiierung und des Mehrfachrisswachstums. Im Folgenden wird die Methodik vorgestellt und ihre Validierung an einem ausgewählten Beispiel diskutiert.
The 21st century brought new and complex technological challenges, which need to be solved. Of primary importance is the global energy transition that pushes forward the research and innovation in order to achieve the goal of replacing the existing non-renewable energy sources with new renewable and efficient ones, with positive effects on the world climate. In many countries worldwide mid- and long-term goals have been set out in order to reduce the greenhouse gas emissions. Germany, among others, intends to reduce the emissions by 80 to 95% within 2050, compared with 1990 levels. The achievement of this goal is aimed to be realized by the development of new and more efficient energy sources, but also by substantial investments in electromobility (the goal is to bring one million electrically driven vehicles onto German streets by 2020).
Another important challenge came into play following the global financial crisis, which pushed many industries to reduce their operational and maintenance costs. In particular, the life-cycle management of a component has become of primary importance. In some cases it has been shown that the underestimation or the lack of awareness in ageing of plants led to incidents due to the loss of technical integrity. Other studies demonstrated that the component life of many of the long-life components could be extended up to 50% without compromising safety.
The third, not less important, challenge is driven by the development of new technologies and materials. The trends show a large investment in additive manufactured metal components and new metallic materials which have to assure longer in-service life, lightweighting and efficient recycling.
This works aims at addressing part of these problems by proposing a fracture mechanics-based analytical procedure for the determination of the fatigue lives of engineering components and particularly of welded joints. In fact, an analytical tool, which is able to simulate the main failure mechanisms of weldments under fatigue loading, brings many advantages: i) drastic reduction of long and expensive experimental tests; ii) optimization of the geometry and production processes (possible weight reduction); iii) better estimate of the safety margins used in the design of the components (life extension without safety issues).
The results show that the model can fairly well predict the lives of the welded joints investigated experimentally, irrespective of the geometry and loading conditions.