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Design check of cyclically loaded weld seams

Service durability of TIG dressed and ground weld seams subjected to proportional loading spectra
  • Jürgen Rudolph

    Dr.-Ing. Jürgen Rudolph, Jahrgang 1966, studierte an der Technischen Universität Magdeburg bis 1992, promovierte 1997 im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen an der Universität Dortmund und ist in der dortigen Arbeitsgruppe Chemieapparatebau auf dem Gebiet der Apparatefestigkeit tätig. Im Rahmen seiner Habilitation befasst er sich insbesondere mit der Lebensdauerabschätzung zyklisch beanspruchter Druckbehälterschweißverbindungen.

    and Eckart Weiß

    Prof. Dr.-Ing. Eckart Weiß, Jahrgang 1940, studierte, promovierte und habilitierte sich an der Technischen Universität Magdeburg auf dem Gebiet der Apparatefestigkeit und -konstruktion. Seit 1991 leitet er die Arbeitsgruppe Chemieapparatebau im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen an der Universität Dortmund. Seine Arbeitsgebiete sind Konstruktion, Festigkeitsanalysen und Werkstoffeinsatz für Komponenten des Chemie- und Kraftanlagenbaus.

Published/Copyright: February 24, 2022
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Abstract

This paper discusses the design check of cyclically loaded weld seams with improved fatigue performance due to post weld treatment operations such as TIG dressing and grinding. The algorithm is mainly based on the local strain approach to design against fatigue. It accounts for the fundamentally different damage process and conceptual consequences of weld seams with post weld treatment compared to the usual approach based on nominal, structural or notch stresses.

Summary

Im Rahmen dieses Beitrages werden Nachweismöglichkeiten für zyklisch beanspruchte Schweißnähte mit verbesserten Ermüdungseigenschaften durch Schweißnahtnachbearbeitungsverfahren wie die WIG-Nachbehandlung und das Beschleifen diskutiert. Der Berechnungsalgorithmus stützt sich im Kern auf das für ungeschweißte Bauteile etablierte Konzept der örtlichen Beanspruchungen. Somit wird den grundsätzlich verschiedenen Schädigungsprozessen und konzeptionellen Konsequenzen von Schweißnähten mit Schweißnahtnachbearbeitung gegenüber der üblichen Auslegung auf Basis von Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzepten Rechnung getragen.

About the authors

Dr.-Ing. Jürgen Rudolph

Dr.-Ing. Jürgen Rudolph, Jahrgang 1966, studierte an der Technischen Universität Magdeburg bis 1992, promovierte 1997 im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen an der Universität Dortmund und ist in der dortigen Arbeitsgruppe Chemieapparatebau auf dem Gebiet der Apparatefestigkeit tätig. Im Rahmen seiner Habilitation befasst er sich insbesondere mit der Lebensdauerabschätzung zyklisch beanspruchter Druckbehälterschweißverbindungen.

Prof. Dr.-Ing. Eckart Weiß

Prof. Dr.-Ing. Eckart Weiß, Jahrgang 1940, studierte, promovierte und habilitierte sich an der Technischen Universität Magdeburg auf dem Gebiet der Apparatefestigkeit und -konstruktion. Seit 1991 leitet er die Arbeitsgruppe Chemieapparatebau im Fachbereich Bio- und Chemieingenieurwesen an der Universität Dortmund. Seine Arbeitsgebiete sind Konstruktion, Festigkeitsanalysen und Werkstoffeinsatz für Komponenten des Chemie- und Kraftanlagenbaus.

References

1 Haagensen, P. J.; Maddox, S. J.: Recommendations on post weld improvement of steel and aluminium structures. Document XIII-1815-00. The International Institute of Welding (IIW). Cambridge. Revised Revision, July 3, 2001Search in Google Scholar

2 Maddox, S. J.: Fatigue of welded structures. Cambridge. Abbington Publishing. Woodhead Publishing Limited, 1991Search in Google Scholar

3 AD-Merkblatt S2. Berechnung auf Wechselbeanspruchung. AD-Regelwerk. Carl Heymanns Verlag KG. Köln, 1998Search in Google Scholar

4 European Standard. EN13445-3: Unfired Pressure Vessels – Part 3: Design. CEN European Committee for Standardization. 2003.Search in Google Scholar

5 Radaj, D.; Sonsino, C. M.: Fatigue assessment of welded joints by local approaches. Abbington Publishing. Woodhead Publishing Limited, 1998Search in Google Scholar

6 Seeger, T.: Grundlagen für Betriebsfestigkeitsnachweise. In: Stahlbauhandbuch Band1, Teil B. Stahlbau-Verlagsgesellschaft. Köln, 1996Search in Google Scholar

7 Haibach, E.: Betriebsfestigkeit. Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung. VDI-Verlag Düsseldorf 1989Search in Google Scholar

8 Bergmann, J.; Thumser, R.: Synthetische Wöhlerlinien für Eisenwerkstoffe. Forschungsbericht P 259. Studiengesellschaft Stahlanwendungen e.V., 1999Search in Google Scholar

9 Seeger, T.; Amstutz, H.: Betriebsfestigkeitsnachweise für Schweißverbindungen auf der Grundlage örtlicher Konzepte. DVS-Berichte Band 187. DVS-Verlag GmbH. Düsseldorf, 1997, pp. 190-208Search in Google Scholar

10 Hobbacher, A.: Fatigue design of welded joints and components. Document XIII-1539-96/XV-845-96. The International Institute of Welding (IIW). Abbington Publishing. Cambridge, 199610.1533/9780857093189Search in Google Scholar

11 Haibach, E.: Die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen aus der Sicht einer örtlichen Beanspruchungsmessung. LBF Bericht Nr. FB-77, Laboratorium für Betriebsfestigkeit (LBF). Darmstadt, 1968Search in Google Scholar

12 Masing, G.: Eigenspannungen und Verfestigung beim Messing. Proceedings of the 2nd International Congress of Applied Mechanics. Zürich, 1926, pp. 332-335Search in Google Scholar

13 Ramberg, W.; Osgood, W. R.: Description of Stress-Strain-Curves by Three Parameters. Technical Report. Technical Note No. 902, NACA, 1943Search in Google Scholar

14 Manson, S. S. Fatigue: a complex subject – some simple approximations. Experimental Mechanics 5 (1965) 7, pp. 193-22610.1007/BF02321056Search in Google Scholar

15 Coffin, L. F.: A study of the effects of cyclic thermal stresses on a ductile material. Transactions of the ASME 76 (1954), pp. 931-95010.1115/1.4015020Search in Google Scholar

16 Morrow, J.: Cyclic plastic strain energy and fatigue of metals. ASTM STP (1965) 378, pp. 45-87.10.1520/STP43764SSearch in Google Scholar

17 Nihei, M.; Heuler, P.; Boller, Ch.; Seeger, T.: Evaluation of mean stress effect on fatigue life by use of damage parameters. International Journal of Fatigue 8 (1986) 3, pp. 119-12610.1016/0142-1123(86)90002-2Search in Google Scholar

18 Smith, K. N.; Watson, P.; Topper, T. H.: A stress-strain function for the fatigue of metals. Journal of Materials, JMLSA 5 (1970) 4, pp. 767-778Search in Google Scholar

19 Vormwald, M.: Anrißlebensdauervorhersage auf der Basis der Schwingbruchmechanik für kurze Risse. Heft 47. Veröffentlichungen des Instituts für Stahlbau und Werkstoffmechanik der Technischen Hochschule Darmstadt. Darmstadt, 1989Search in Google Scholar

20 Kalnins, A.: Guidelines for sizing of vessels by limit analysis. WRC Bulletin 464. Welding Research Council. New York, 2001Search in Google Scholar

21 Kalnins, A.; Updike, D. P.: Limit Pressures of Cylindrical and Spherical Shells. Journal of Pressure Vessel Technology 123 (2001), pp. 288-29210.1115/1.1367273Search in Google Scholar

22 Liu, J.: Dauerfestigkeitsberechnung metallischer Bauteile. Habilitationsschrift. Technische Universität Clausthal. Clausthal-Zellerfeld, 2001Search in Google Scholar

23 Bäumel, A.; Seeger, T.: Materials data for cyclic loading. Supplement 1. Elsevier Science Publishers. Amsterdam, 1990Search in Google Scholar

24 Heuler, P.; Seeger, T.: Rechnerische und experimentelle Lebensdauervorhersage am Beispiel eines geschweißten Bauteils. Konstruktion 35 (1983) 1, pp. 21-26Search in Google Scholar

25 Seeger, T.; Amstutz, H.: Mit Kerben leben, aber wie? DVM-Bericht 127. Mit Kerben leben. 27. Tagung des DVM Arbeitskreises Betriebsfestigkeit. Koblenz, October 18/19, 2000Search in Google Scholar

26 Jung, T.: Schwingfestigkeit unter Berücksichtigung des spannungsbedingten und technologiebedingten Größeneinflusses. PhD thesis. Technische Universität Clausthal, 1997. Papierflieger. Clausthal-Zellerfeld, 1998Search in Google Scholar

27 Siebel, E.; Stieler, M.: Ungleichförmige Spannungsverteilung bei schwingender Beanspruchung. VDI-Zeitschrift 97 (1955) 5, pp. 121-126Search in Google Scholar

28 Neuber, H.: Über die Berücksichtigung der Spannungskonzentration bei Festigkeitsberechnungen. Konstruktion 20 (1968) 7, pp. 245-251Search in Google Scholar

29 Peterson, R. E.: Notch sensitivity. In: Sines, G.; Waismann, J.L. (Editors) Metal Fatigue. McGraw-Hill. New York, 1959, pp. 293-306Search in Google Scholar

30 Taylor, D.: Geometrical effects in fatigue: a unifying theoretical model. International Journal of Fatigue 21 (1999), pp. 413-42010.1016/S0142-1123(99)00007-9Search in Google Scholar

31 Tanaka, K.: Engineering formulae for fatigue strength reduction due to crack-like notches. International Journal of Fracture (1983), pp. R39-R4610.1007/BF00942722Search in Google Scholar

32 El Haddad, M. H.; Smith, K. N.; Topper, T. H.: Fatigue crack propagation of short cracks. Journal of Engineering Materials and Technology 101 (1979), pp. 42-4610.1115/1.3443647Search in Google Scholar

33 Liu, J.: Berechnung der Kerb- und Stützwirkung. DVM-Bericht 127. Mit Kerben leben. 27. Tagung des DVM Arbeitskreises Betriebsfestigkeit. Koblenz, October 18/19, 2000, pp. 91-106Search in Google Scholar

34 FKM-Richtlinie. Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen. 4. Auflage, VDMA-Verlag, 2002Search in Google Scholar

35 Taylor, D.; Clancy, O. M.: The fatigue performance of machined surfaces. Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 14 (1991), pp. 329-33610.1111/j.1460-2695.1991.tb00662.xSearch in Google Scholar

36 Rudolph, J.: Rechnerische Ermüdungsfestigkeitsnachweise von Druckbehälterschweißverbindungen nach lokalen Konzepten. Conference Proceedings. Fortschritte auf dem Gebiet der Druckgerätedimensionierung. Ermüdungsfestigkeit. Spezielle Festigkeitsprobleme. Dortmund University. November 20, 2001Search in Google Scholar

37 Rudolph, J.: Endurance limit of ground and TIG dressed steel welded joints under proportional loading. Proceedings of the 20th CAD-FEM Users’ Meeting. International Congress on FEM Technology. Friedrichshafen. October 9-11, 2002Search in Google Scholar

38 Dowling, N. E.: J-integral estimates for infinite bodies. Engng. Fract. Mech. 26 (1987), pp. 248-33310.1016/0013-7944(87)90016-6Search in Google Scholar

39 Newman, J. C.: A crack opening stress equation for fatigue crack growth. Int. Journal of Fracture 24 (1984), pp. R131-R13510.1007/BF00020751Search in Google Scholar

40 Savaides, G.: Berechnung der Bauteilanrißlebensdauer bei mehrachsigen proportionalen Beanspruchungen. PhD thesis. TH Darmstadt. Darmstadt, 1995Search in Google Scholar

41 Hoffmeyer, J.; Döring, R.; Schliebner, R.; Vormwald, M.: Lebensdauervorhersage für mehrachsig nichtproportional schwingbeanspruchte Werkstoffe mit Hilfe des Kurzrissfortschrittskonzepts. 2. Zwischenbericht DFG-Schwerpunktprogramm. Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage für zyklisch beanspruchte metallische Werkstoffe. FD-4/2000. TU Darmstadt. Darmstadt, 2000Search in Google Scholar

42 Savaides, G.; Seeger, T.: Consideration of multiaxiality in fatigue life prediction using the closure concept. Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 20 (1997) 7, pp. 985-100410.1111/j.1460-2695.1997.tb01542.xSearch in Google Scholar

43 Savaides, G.; Savaides, A.; Seeger, T.: Engineering components under multiaxial loading. Fatigue analysis and lifetime evaluation. MP Materialprüfung 43 (2001) 3, pp. 78-8610.1515/mt-2001-430310Search in Google Scholar

44 Hoffmann, M.; Seeger, T.: A generalized method for estimating multiaxial elasticplastic notch stresses and strains. Part 1. Theory. J. Engineering Materials and Technology 107 (1985), pp. 250-26010.1115/1.3225814Search in Google Scholar

45 Hoffmann, M.; Seeger, T.: A generalized method for estimating multiaxial elasticplastic notch stresses and strains. Part 2. Application and general discussion. J. Engineering Materials and Technology 107 (1985), pp. 255-26010.1115/1.3225815Search in Google Scholar

46 Miner, M. A.: Cumulative Damage in Fatigue. Journal of Applied Mechanics, September 1945, pp. A-159X-A-16410.1115/1.4009458Search in Google Scholar

47 Haibach, E.: Modifizierte lineare Schadensakkumulations-Hypothese zur Berücksichtigung des Dauerfestigkeitsabfalls mit fortschreitender Schädigung. LBF-Technische Mitteilung TM 50/70. Darmstadt, 1970Search in Google Scholar

48 Schütz, W.: Fatigue life under three different load spectra-test and calculation. AGARD CP 188 Symposium on Random Load Fatigue. Lyngy, 1972Search in Google Scholar

49 Fatemi, A.; Yang, L.: Cumulative fatigue damage and life prediction theories: a survey of the state of the art for homogeneous materials. Int. Journal of Fatigue 20 (1998) 1, pp. 9-3410.1016/S0142-1123(97)00081-9Search in Google Scholar

50 Yang, L.; Fatemi, A.: Cumulative fatigue damage mechanisms and quantifying parameters. A literature review. Journal of Testing and Evaluation 26 (1998) 2, pp. 89-10010.1520/JTE11978JSearch in Google Scholar

51 Haibach, E.; Seeger, T.: Größeneinflüsse bei schwingbeanspruchten Schweißverbindungen. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 29 (1998), pp. 199-20510.1002/mawe.19980290411Search in Google Scholar

52 Rudolph, J.; Schmitt, C.; Weiß, E.: Fatigue lifetime assessment procedures for welded pressure vessel components. International Journal of Pressure Vessels and Piping 79 (2002), pp. 103-11210.1016/S0308-0161(01)00139-9Search in Google Scholar

53 Rudolph, J.; Weiß, E.; Forster, M.: Konzeptkonforme Modellierung ermüdungsgefährdeter Druckbehälterschweißnähte als Modul einer modernen rechnerischen Lebensdauerabschätzung. SHAKER-Verlag. Aachen, 2001Search in Google Scholar

Published Online: 2022-02-24

© 2003 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Downloaded on 27.10.2025 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/mt-2003-0007/html?lang=en&srsltid=AfmBOopmSkWAOlOfksNHjMNEvfEX8wBNvmoSF3x55EJJVjk5uZ0_KKXO
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