Fatigue damage of weld seams with and without postweld treatment under multiaxial loading*
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Klemens Rother
Abstract
The service durability of weld seams is one of the most challenging problems of component fatigue. Hereby, the complexity is due to several peculiarities of welded structures: the detailed weld seam geometry with macroscopic and microscopic notch effects and/or defects, the properties of the welded material, residual stresses and multiaxial proportional or non-proportional loading conditions. Non-experimental approaches to design against fatigue have to account for the difference between weld seams with and without post-weld treatment as well as proportional and non-proportional loading. The application of fracture mechanics parameters allows for a more realistic description of damage progression. This paper is intended to explain possible design approaches based on numerical fracture mechanics and their combination with stress and strain based approaches using clear and classified damage criteria (engineering crack size, fracture). All numerical approaches are presented with special regard to complexity and modeling requirements from the point of view of the practicing design engineer. Non-proportional loading is considered by the identification of a damage critical plane which requires special post-processing routines within the numerical analysis. Again, the question of practicability is raised.
Kurzfassung
Die Betriebsfestigkeit von Schweißverbindungen stellt eine der größten Herausforderungen innerhalb des Nachweises der Ermüdungsfestigkeit von technischen Komponenten dar. Die Komplexität des Problems ist dabei auf einige Besonderheiten geschweißter Strukturen zurückzuführen: die Schweißnahtfeingeometrie mit makroskopischen und mikroskopischen Kerb- und Risseffekten, die Eigenschaften des geschweißten Materials im versagenskritischen Bereich, Schweißeigenspannungen und mehrachsig proportionale und nichtproportionale Beanspruchungsverhältnisse. Nichtexperimentelle Konzepte des Ermüdungsfestigkeitsnachweises müssen den Unterschieden zwischen nicht nachbearbeiteten und nachbearbeiteten Schweißnähten sowie zwischen proportionalen und nichtproportionalen Beanspruchungsverhältnissen in methodisch adäquater Art und Weise Rechnung tragen. Die Anwendung bruchmechanischer Parameter erlaubt eine realistischere Beschreibung des Schädigungsfortschrittes. Im Rahmen des Beitrages werden mögliche bruchmechanische Ansätze und ihre Kombination mit spannungs- und dehnungsbasierten Methoden diskutiert, wobei klare und klassifizierte Schädigungskriterien (Technischer Anriss, Bruch) zu Grunde liegen. Sämtliche numerischen Ansätze werden unter spezieller Berücksichtigung ihrer Komplexität und modellierungstechnischer Anforderungen vom Standpunkt des in der Berechnungspraxis tätigen Ingenieurs betrachtet und bewertet. Nichtproportionale Beanspruchungsverhältnisse werden durch die Identifikation einer versagenskritischen Ebene berücksichtigt, wofür spezielle Postprozessorroutinen innerhalb der numerischen Analyse erforderlich sind. Hierbei wird wiederum die Frage der Praxistauglichkeit aufgeworfen.
References
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© 2006, Carl Hanser Verlag, München
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- Fachbeiträge/Technical Contributions
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