AiF-Projekt Nr , DVS Nr

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1 Ermittlung von Dauerschwingfestigkeitskennwerten für die Bemessung von geschweißten Al-Bauteilverbindungen auf der Grundlage örtlicher Strukturbeanspruchungen AiF-Projekt Nr , DVS Nr Mit der wachsenden Bedeutung von Aluminiumlegierungen für den Leichtbau werden Bemessungskonzepte benötigt, mit denen die Vorteile dieser Werkstoffgruppe auch bei der Schwingfestigkeitsauslegung von Schweißverbindungen voll ausnutzbar sind. Eine wichtige Möglichkeit hierfür bietet das Nachweisverfahren auf der Basis lokal ermittelter Strukturspannungen (hot spot stresses). Damit lassen sich einerseits die tatsächlich vorliegenden Beanspruchungsverhältnisse erheblich genauer ermitteln, als dies mit dem bisher vor allem eingesetzten Nennspannungskonzept möglich ist. Andererseits entspricht dieses Nachweiskonzept dem Vorgehen moderner Berechnungsverfahren, mit denen bei geeigneter Modellbildung strukturbedingte Spannungen berechnet werden, wie z.b. mit der Methode der Finiten Elemente. Bauteilbedingte Spannungserhöhungen im Schweißnahtbereich ergeben sich beispielsweise bei Stumpfstoßverbindungen infolge von Änderungen des Bauteilquerschnittes oder durch Bauteilverstärkungen bedingt durch das Aufschweißen zusätzlicher Bauelemente. Dabei können die einzelnen Bauelemente in Al-Konstruktionen sehr unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen wie z.b. bei Strangpressprofilen. Darüber hinaus sind Schweißnahtverbindungen in Konstruktionen auszulegen, die komplizierte geometrische Formen u.a. mit unterschiedlich geformten Durchbrüchen oder Öffnungen aufweisen. Die Zuordnung solcher Konstruktionsformen ist nicht immer oder nur eingeschränkt zu einem in Regelwerken vorliegenden Kerbfall möglich. Auch lässt sich die maßgebende Nennspannung nicht in jedem Fall eindeutig festlegen. Mit der Ermittlung der lokal vorliegenden Strukturspannungen kann jedoch auch in solchen Fällen eine sichere Bemessung erfolgen. Darüber hinaus ist mit der Ermittlung vorliegender Strukturspannungen eine deutlich genauere Einschätzung der maßgebenden Beanspruchungen möglich, und damit kann auch eine wirtschaftlichere, den Anforderungen des Leichtbaus entsprechende Auslegung vorgenommen werden. Die Anwendung des Strukturspannungsnachweises für die Bemessung schwingbeanspruchter Al- Schweißkonstruktionen ist künftig in den europäischen Normvorschlägen neben dem Nennspannungskonzept vorgesehen. Jedoch liegen sowohl in den vorliegenden Normentwürfen als auch in der maßgebenden Fachliteratur nur unzureichende Angaben zu Festigkeitskennwerten bzw. nicht gesicherte Festigkeitswerte für dieses Nachweiskonzept vor. Es fehlen bislang vor allem entsprechende Werte, die in experimentellen Schwingfestigkeitsuntersuchungen und in vergleichenden Finite-Elemente-Berechnungen (FE) an ausgewählten Konstruktionsdetails mit ausgeprägten bauteilbedingten Geometrie- bzw. Strukturspannungen im Schweißnahtbereich ermittelt worden sind. Vergleichende FE-Berechnungen sind für Festlegungen zur Modellbildung und damit für die Absicherung der rechnerischen Bestimmung der maßgebenden Strukturspannungen im Verbindungsbereich erforderlich. Dies betrifft insbesondere notwendige Angaben bzw. Festlegungen zum Elementtyp und zur Elementgröße sowie zur Vernetzungsdichte. Die bisher in der Fachliteratur festgehaltenen experimentellen Schwingfestigkeitsdaten sind hinsichtlich der Versuchsprobenabmessungen nur ungenügend dokumentiert, so daß die maßgebenden Strukturspannungen sich nicht zweifelsfrei entnehmen lassen und auch FE Nachrechnungen nicht vorgenommen werden können. Darüber hinaus fehlen ebenfalls Informationen über die für die Kerbwirkung ausschlaggebende Nahtausbildung. Nicht ausreichend ist das Problem geklärt, ob und inwieweit die an geschweißten Prüfkörpern mit eingeschränkt komplexen Strukturdetails und probenartigen Abmessungen ermittelten Schwingfestigkeitswerte für den Strukturspannungsnachweis auch auf große, noch komplexer aufgebaute Bauteilstrukturen übertragbar sind.

2 Insgesamt besteht die Situation, daß nach geltendem Regelwerk (auch nach Eurocode 9), insbesondere bei Anwendung des Nennspannungskonzeptes, eine zu pauschale und damit zu konservative, und dem Leichtbaupotenzial dieser Werkstoffgruppe nicht entsprechende, Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen aus Al-Legierungen vorgenommen werden muß. Für sichere und dennoch wirtschaftliche und materialsparende Bemessungen sind daher alternative Ansätze gefragt. Die Anwendung des Strukturspannungskonzeptes, das für FE-Spannungsberechnungen als geeigneter anzusehen ist als das Nennspannungskonzept, erfordert bei der Auslegung schwingbeanspruchter Schweißkonstruktionen die Verfügbarkeit von Strukturspannungs-Wöhlerlinien zur Entnahme der passenden Festigkeitswerte. Die für Proben mit unterschiedlichen Strukturdetails hier ermittelten Wöhlerlinien können, in Ergänzung zu den Festigkeitsangaben in einschlägigen Regelwerken, Berechnungsingenieuren Anhaltspunkte bei der Auslegung kleiner Bauteile nach dem Strukturspannungskonzept geben. Zu bedenken ist, daß die Strukturspannungswöhlerlinien für relativ kleine, dünnwandige ( 4mm) Proben gelten, die unter Laborbedingungen geschweißt und geprüft wurden. Es ist daher verständlich, daß die Festigkeitskennwerte deutlich höher liegen als die in den Regelwerken angegebenen FAT Werte, die das Ergebnis einer größeren Anzahl von Versuchen an größeren Bauteilen repräsentieren. Zur Ermittlung der Schwingfestigkeitskennwerte wurden Untersuchungen an Prüfkörpern mit eingeschränkt komplexen Strukturdetails und probenartig kleinen Abmessungen durchgeführt (Bild. 1a-d). Im Einzelnen wurden Untersucht (Abmessungen in mm): T-Stoßverbindung von Rechteckhohlprofilen (a), Profil: 0xxx4, Aufschweißteil: xxx4mm, Werkstoff: AlMgSi0.7 T6, Zusatzwerkstoff: AlMg4.5Mn, umlaufende Kehlbzw. I-Naht Quersteife auf Rechteckhohlprofil (b), Profil: 0xxx4, Aufschweißteil: 35x35x5, Werkstoff: AlMgSi0.7 T6, Zusatzwerkstoff: AlMg4.5Mn, Kehlnaht, Ecken nicht umschweißt Überlappverbindung (c), Prüfquerschnitt: 45x4, Meßlänge: 75, Probenlänge: 1, Überlappung: 13, Werkstoff: AlMg4.5Mn, Zusatzwerkstoff: AlMg5, Kehlnaht Längssteife auf Blech (d), 3xx5, Aufschweißteil: xx5, Werkstoff: AlMgSi1T6,Zusatzwerkstoff: AlMg4.5Mn, umlaufende Kehlnaht Alle Proben wurden mit dem MIG-Verfahren hergestellt. a) b) c) d) Bild 1: Untersuchte Probengeometrien Die Ergebnisse aus den lastgesteuerten Schwingfestigkeitsversuchungen mit R=0, 0.5 und 1 bei der Längssteife und Überlappverbindung (Zug/Druck) sowie der T-Stoßverbindung (3 Punktbiegung) und R=0 (0.1) und 0.5 bei der Quersteife unter Biegebeanspruchung (3 Punktbiegung) sind in Bild 2 zusammengestellt. Ermittelt wurden die Schwingspielzahlen bis zum Bruch. Lastspiele größer 10 7 wurden als Durchläufer bewertet. Dargestellt sind die Linien für % Überlebenswahrscheinlichkeit.

3 120 T-Stoß R = -1 Quersteife Überlappstoß R = -1 Längssteife R = Bild 4: Strukturspannungswöhlerlinien Bei der T-Stoßverbindung und der Quersteife wurden bei allen untersuchten Spannungsverhältnissen praktisch gleichlaufende Wöhlerlinien festgestellt. Es ist also eine R-Wert-Unabhängigkeit aufgetreten wie sie für stark eigenspannungsbehaftete, größere Bauteile typisch ist. Man muß dies als Hinweis darauf betrachten, daß für eine R-Wert-Unabhängigkeit der Schwingfestigkeitswerte weniger die abmessungsbestimmte Größe von Bauteilen verantwortlich ist, sondern vielmehr Faktoren, die Geometrie- und steifigkeitsbestimmt sind oder direkt mit der Kerbwirkung oder Mehrachsigkeit des Spannungszustandes zusammenhängen. Unter solchen Annahmen, die auch mit der Wirksamkeit hoher Zugeigenspannungen in Verbindung zu bringen sind, läßt sich eine R-Wert-Unabhängigkeit der bauteilähnlichen aber kleinen Proben deuten. Vergleich Nenn- und Strukturspannungsnachweis Tab. 1 zeigt einen Vergleich von Lebensdauerwerten, die sich beim Aufbringen einer bestimmten Last, nach dem Nennspannungsnachweis (NSN) und dem Strukturspannungsnachweis (SSN) ergeben. Die Nennspannungen wurden nach der einfachen Balkenbiegetheorie (Quersteife, T-Stoß) berechnet bzw. stellen die Durchschnittsspannung über dem Querschnitt dar (Überlappverbindung, Längssteife). Zusätzlich wurden Nennspannungswerte durch FE-Berechnungen ermittelt, indem die Spannungen in einem Abstand von 2t vom Nahtübergang abgenommen wurden. Die sich nach dem Eurocode9 ergebenden Lebensdauerwerte sind denen des SSN und den experimentell ermittelten gegenüber gestellt. Die FAT-Klassen des SSN sind [2] entnommen. Diese sind sich durch eine Umrechnung der

4 SSN FAT-Klassen für Stahl abgeleitet und entsprechen bei Aluminium etwa % der FAT-Werte für Stahl. Erwartungsgemäß sind die an den Kleinproben bestimmten Lebensdauerwerte deutlich höher als die rechnerischen. Die experimentellen Werte liegen der Erfahrung entsprechend am oberen Rand eines bei Wöhlerversuchen üblichen Streubereiches, während die NSN Werte am unteren Rand liegen. Die SSN Werte liegen, mit Ausnahme der Überlappverbindung, etwas darüber und sind damit weniger konservativ. Der Überlappverbindung ist in [2] keine geeignete FAT-Klasse zuzuordnen. Die mit der FE-Methode berechneten Nennspannungen (NS) bzw. die zugeordneten Lebensdauerwerte zeigen das grundsätzliche Problem bei der FE-Berechnung von NS auf. Es läßt sich nicht genau festlegen an welcher Position die maßgebenden NS abzugreifen sind. Dies ist jedoch kein Problem des NSN an sich, als vielmehr der NS-Berechnung mittels FEM. Im Gegensatz zum SSN, bei welchem die Spannungen an genau definierten Positionen berechnet werden, ist für die NS-Berechnung bislang keine allgemein gültige Vorgehensweise bekannt, anhand derer NS mit FE-Methoden eindeutig bestimmt werden können, die als Grundlage für eine Bemessung nach dem NSN verwendbar sind. Das Strukturspannungskonzept entspricht somit eher dem Vorgehen moderner Berechnungsverfahren, mit denen bei geeigneter Modellbildung strukturbedingte, lokale Spannungserhöhungen berechnet werden können, und sich so die tatsächlich vorliegenden Beanspruchungen erheblich genauer ermitteln lassen als mit dem bisher vor allem eingesetzten Nennspannungskonzept. Nennspannungsnachweis Strukturspannungsnachweis FAT σ N N EC9 σ N,2t N EC9 FAT σ hs N IIW N Mess (Pü=%) Quersteife 28 37, , T-Stoß 20 26,8 28, , Überlappver , Längssteige 20 37, , , Tab. 1: Vergleich rechnerischer und experimenteller Lebensdauern Finite-Elemente-Simulation Es wurden Strukturspannungsberechnungen mit dem FEM-Programm ANSYS durchgeführt, wobei verschiedene Elementtypen und Elementoptionen verwendet wurden: - Solid 45 / 95 (lineare / quadratische Ansatzfunktion) - Shell 63 / 93 (lineare / quadratische Ansatzfunktion) Die Elemente wurden jeweils in ihrer Standardeinstellung, mit reduzierter Integration sowie Ausgabe der Knoten oder der Integrationspunktlösung verwendet. Untersucht wurde wie die mit Gl. 1-6 berechneten Strukturspannungswerte mit DMS-Messungen übereinstimmen. Gl. Typ Art Stützstelle bei... Gleichung (Vernetzung) 1 A, C linear 0.5t / 1.5t σ HS =1.5 σ 0.5t -0.5 σ 1.5t (grob) 2 A, C quadr. 0.5t / 1.0t / 1.5t σ HS =1.875 σ 0.5t σ 1.5t σ 2.5t (grob) 3 A, C linear 0.4t / 1.0t σ HS =1.67 σ 0.4t σ 1.0t (fein) 4 A, C quadr. 0.4t / 0.9t / 1.0t σ HS =2.52 σ 0.4t σ 0.9t σ 1.4t (fein) 5 B quadr. 4mm / 8mm / 12mm σ HS =3 σ 4mm -3 σ 8mm +σ 12mm (fein) 6 B linear 5mm / 15mm σ HS =1.5 σ σ 2 (grob) Tabelle 2: Extrapolationsmethoden zur Strukturspannungsermittlung Gegenüber den jeweils experimentell ermittelten Werten zeigen sich unterschiedlich große Abweichungen, die aber überwiegend unterhalb einer für die technische Praxis noch als tragbar anzusehenden Abweichung von ca. ±15% liegen. Für die praktische Anwendung der Strukturspannungsberechnung mit FE-Methoden lassen sich aus den Ergebnissen an den betrachteten Verbindungstypen die folgenden Aussagen gewinnen:

5 - Die mit Schalenelementen berechneten Strukturspannungen liefern die konsistentesten Ergebnisse, d.h. sie zeigen die geringsten Streubreiten berechneter Spannungen. Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß bei Schalenelementen schon aufgrund ihrer Formulierung sicher gestellt ist, daß keinerlei Kerbspannungsanteile in den für die Extrapolationen verwendeten Spannungen enthalten sind. Bei Volumenelementen kann dies nicht vollständig ausgeschlossen werden. Auch bei Verwendung der an den empfohlenen Positionen abgenommenen Spannungswerte sind immer mehr oder minder große Kerbspannungsanteile bzw. Anteile der singularitätsbedingten Spannungen vorhanden. Diese treten durch die verschiedenen Elementoptionen unterschiedlich ausgeprägt hervor, was in einer zum Teil deutlich größeren Streubreite der Strukturspannungswerte zum Ausdruck kommt. Zudem können Volumenelemente, im Gegensatz zu Schalen, mehrdimensionale Spannungszustände besser erfassen, was die Streuung ebenfalls erhöht. Vermeintlich präzisere 3D- Modelle liefern also, zumindest was die hier betrachteten einfachen Geometrien anbelangt, nicht in jedem Fall exaktere Strukturspannungswerte. Bei komplizierteren Bauteilgeometrien, mit ausgeprägt mehrachsiger Beanspruchung, kann dies jedoch anders sein. - Volumenelementmodelle liefern mit den verschiedenen Elementoptionen, reduzierte Integration oder Kopieren der Integrationspunktlösungen auf die Knoten anstatt diese zu extrapolieren, stark voneinander abweichende Ergebnisse. Tendenziell genauere Werte erhält man bei Verwendung der Integrationspunktlösungen. Es sei denn es liegen große Spannungsgradienten über der Plattendicke vor, wie dies bei der Überlappverbindung der Fall ist (starke Biegung). Die tatsächliche Beanspruchung wird dann erheblich unterschätzt. Bei Schalenelementen zeigt sich hingegen kein signifikanter Einfluß durch die Verwendung der Integrationspunktlösungen. - Reduzierte Integration in Verbindung mit isoparametrischen Elementen liefert tendenziell niedrigere Werte, insbesondere bei starker Biegung (Überlappverbindung). Bei Elementtypen mit linearer Ansatzfunktion ist eine reduzierte Integration nicht sinnvoll, auch wenn dies den numerischen Aufwand noch weiter reduziert, da keine Biegeanteile berechnet werden können. - Die Unterschiede durch Verwendung einer groben oder feinen Vernetzung sind nur gering. Bei feiner Vernetzung ergeben sich marginal exaktere Werte. Ebenso zeigen sich keine nennenswerten Unterschiede bei Anwendung linearer oder quadratischer Extrapolationsvorschriften. - Zusammenfassend gilt, daß die Vorgehensweisen zur Strukturspannungsberechnung, wie sie in [1] vorgeschlagen werden, hinreichend genaue Spannungswerte als Grundlage für eine Bemessung nach dem Strukturspannungskonzept liefern. Da sich jedoch jedes Schweißdetail in Geometrie und Beanspruchungssituation unterscheidet, kann sich die ein oder andere Vorgehensweise im Einzelfall als vorteilhafter erweisen. Eine verallgemeinerbare Angabe der besten Vorgehensweise ist aber nicht möglich. Dies betrifft besonders 3D-Modelle. Im Einzelfall ist eine zumindest grobe Überprüfung, welche Methode die geeignetste ist, unvermeidbar, schon im Interesse einer möglichst sicheren Bemessung. Die Entscheidung darüber hängt letztlich auch vom Erfahrungswissen des Berechnungsingenieurs ab, läßt sich aber kaum in Form einer verallgemeinerbaren Regel formulieren.

6 Zusammenfassende Aussagen - Die im Rahmen des Forschungsprojektes für Proben mit unterschiedlichen Strukturdetails und für ein Großbauteil ausgeführten FE-Berechnungen zeigen, daß sich Strukturspannungen mit der FE-Methode nach den eindeutigen Vorschriften in [1] gut erfassen lassen, wobei ein Vergleich der Ergebnisse, verschiedener möglicher Vorgehensweisen (Art der Elementierung und Elementoptionen) die Sicherheit des Ergebnisses noch erhöht. - Unter Verwendung der für ein bestimmtes Strukturdetail gültigen Strukturspannungs-Wöhlerlinie führt die Anwendung des Strukturspannungskonzeptes zu Lebensdauerwerten, die zwar konservativ, aber meist weniger konservativ als die nach dem Nennspannungskonzept bestimmten Lebensdauerwerte sind. Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit des Strukturspannungskonzeptes ist damit erneut bestätigt. - Zusätzliche Aussagen zur Vergleichbarkeit bzw. Übertragbarkeit der Ergebnisse von Kleinproben und größeren Bauteilen wie sie im Rahmen des Forschungsprojektes ebenfalls angestrebt wurden, sind vorläufig nur eingeschränkt möglich. Wie in Kap. 7.5 angeführt, ergeben sich Hinweise auf ein dem Großbauteil ähnliches Verhalten der Proben. Weiter abgesicherte Aussagen sind aber erst möglich, wenn bei dem Großbauteil Versagen an Weiteren Strukturdetails eingetreten ist. Wie erwähnt treten unvorhergesehen hohe Lebensdauerwerte dieser Strukturdetails auf, weil die Schweißungen in außergewöhnlicher Güte ausgeführt und die Nähte auch noch nachbehandelt wurden. Die durchgeführten Berechnungen und Versuche stützen die folgenden Aussagen: - Das Strukturspannungkonzept ist von seiner Natur aus als ein örtliches Konzept genauer als das pauschalierende Nennspannungskonzept. - Das Strukturspannungskonzept kann in seinem Gültigkeitsbereich mit einer einfachen und groben Vermaschung im FEM-Netz durchgeführt werden. Am Bauteil sind kontrollierende Messungen möglich. - Die durchgeführten Versuche zeigen die Anwendbarkeit des Strukturspannungskonzeptes entsprechend den Empfehlungen des IIW. Insgesamt wird der Meinung Ausdruck gegeben, daß nach ingenieurmäßiger Einschätzung aller Daten das Strukturspannungsverfahren genauer ist als das Nennspannungverfahren mit seinem sich ständig vergrößernden, aber immer unbefriedigenden Kerbfallkatalog. [1] Niemi, E.: Structural Stress Approach to Fatigue Analysis of Welded Components - Designer s Guide. IIW doc. XIII /XV10-01 [2] Hobbacher A.: Fatigue Design of Welded Joints and Components. IIW doc. XIII / XV (Update June 2002) [3] ENV : Eurocode 9: Bemessung und Konstruktion von Aluminiumbauten, Teil 2: Ermüdungsanfällige Tragwerke. CEN Brüssel, März 2001.

7 Die Untersuchungen wurden aus den Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guerike e.v. (AiF) gefördert und von der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.v. des DVS unterstützt. Für diese Förderung und Unterstützung sei gedankt.