Eigenverlag BAM
Analytische bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen (IBESS-A3)
(2016)
Ziel des DFG-AiF-Forschungsclusters IBESS war die Entwicklung einer Methodik zur bruchmechanischen Ermittlung von Wöhlerkurven in Schweißverbindungen. Dem vorliegenden Teilprojekt A3 kamen dabei zwei Aufgaben zu: die Entwicklung einer analytischen bruchmechanischen Methodik und die Koordinierung des insgesamt acht Partner umfassenden Clusters. Dieser Bericht fasst die Ergebnisse der erstgenannten Aufgabe zusammen. Die bruchmechanische Methode ist durch folgende Aspekte charakterisiert. (a) Sie beschreibt sowohl Kurz- als auch Langrisswachstum. Ersteres umfasst mechanisch und physikalisch kurze Risse. Mechanisch kurze Risse weisen Abmessungen in der Größenordnung der plastischen Zone auf, weshalb sie zwar bruchmechanisch, nicht jedoch auf der Basis des linear-elastischen K-Konzepts charakterisiert werden können. Im Projekt wurde entsprechend eine Methode zur Bestimmung eines „plastizitätskorrigierten“ zyklischen K-Faktors entwickelt, die auf dem zyklischen J-Integral beruht. Physikalisch kurz bedeutet, dass die Rissschließeffekte im Ausgangsstadium der Rissentwicklung zunächst noch nicht vorhanden sind, dann jedoch graduell aufgebaut werden, bis sie mit Erreichen des Langrissstadiums eine risstiefenunabhängig konstante Größe erreichen. Beschrieben wird dieser Effekt durch die Anwendung der sogenannten zyklischen R-Kurve, der Funktion des Schwellenwerts gegen Rissausbreitung von der Risstiefe. Mittels Rissarrestbetrachtungen des kurzen Risses werden (b) die Ausgangsrissgröße für die weitere Bruchmechanikanalyse und (c) die für N = 107 definierte Dauerfestigkeit der Bauteile bestimmt. Die Analyse erfolgt (d) statistisch, Schwankungen der lokalen Nahtgeometrie entlang des Nahtübergangs über ein Modell äquidistanter Abschnitte einbezogen werden. (e) Eigenspannungen werden sowohl im unbehandelten Schweißzustand als auch nach zyklischer Belastung berücksichtigt. Das Modell wird an insgesamt 33 Wöhlerkurven validiert, die an drei Schweißverbindungsformen (Stumpfstoß, Kreuzstoß, Längssteife) mit je zwei unterschiedlichen Ausführungen, zwei Werkstoffen (S355NL und S960QL), sowie im spannungsarmgeglühten und ungeglühten Zustand experimentell ermittelt wurden.
Zur genaueren Kenntnis des Einflusses der Ermüdungsbelastung auf das Versagen von Beton wurde das Ermüdungsverhalten von gekerbten Betonbalken in kraft- und verformungsgeregelten Dreipunktbiegezugversuchen untersucht. Für die verformungsgeregelten Versuche wurde eine neuentwickelte Versuchstechnik angewendet, mit der auch unter hochzyklischer Beanspruchung mit Lastspielzahlen von bis zu einer Million Zyklen sowohl der ansteigende als auch der abfallende Ast in einem Kraft-Verformungsdiagramm aufgezeichnet werden kann.
Moderne Regelwerke zur Bewertung der Bauteilsicherheit integrieren zunehmend bruchmechanische Konzepte. Notwendige Voraussetzungen zur praktischen Anwendung dieser Regelwerke f?r konkrete Beanspruchungsbedingungen sind jedoch bislang nicht
immer hinreichend bzw. zufrieden stellend erf?llt.
Von besonderer Bedeutung ist dabei der Sicherheitsnachweis f?r Unfallszenarien, bei denen im Werkstoff bzw. Bauteil infolge dynamischer Belastung schnelle ?nderungen des Spannungs- und Verzerrungszustandes auftreten. F?r diese Beanspruchungsbedingungen stehen zur Ermittlung von Risswiderstandskurven an Gusseisenwerkstoffen mit Kugelgraphit derzeit lediglich kosten- und werkstoffintensive Mehrprobenverfahren zur Verf?gung. Aufgrund dessen ist hier die Weiterentwicklung der bruchmechanischen Pr?fmethodik notwendig.
Im vorliegenden Beitrag wird deshalb zun?chst ?ber die Aufarbeitung und Systematisierung publizierter Key Curve-Einprobenverfahren zur Ermittlung dynamischer Risswiderstandskurven berichtet, die seit ca. 25 Jahren mit unterschiedlichem Erfolg bislang fast ausschlie?lich f?r St?hle eingesetzt wurden. Ausgehend davon wird eine Bewertung hinsichtlich ihres Anwendungspotentials f?r duktile Gusseisenwerkstoffe bei dynamischen Belastungsbedingungen vorgenommen. Zusammenfassend werden als fortgeschrittene und f?r weitere Untersuchungen Erfolg versprechende Key Curve-Verfahren ein analytischer Ansatz sowie ein numerisches Verfahren herausgestellt.
Der vorliegende Bericht stellt die zugrunde liegende Theorie nachvollziehbar dar und beschreibt den numerischen Lösungsalgorithmus nach dem Mehrziel-Schießverfahren. Die Winkelfunktionen des Spannungs- und Verzerrungsfeldes werden graphisch und in zahlreichen Tabellen für verschiedene Verfestigungsexponenten dokumentiert.
Dem Vorhaben lag die Aufgabe zugrunde, Ergebnisse der Reaktorsicherheitsforschung auf dem Gebiet der Komponentensicherheit zu erfassen, zu bewerten und mit dem Ziel zu ergänzen, die Werkzeuge der Versagensanalyse von Komponenten im elastisch-plastischen Bereich zu verbessern. Besonders intensiv wurde das Problem des Einflusses d er Proben- bzw. Bauteilgeometrie auf die Steigung der Risswiderstandskurve untersucht.