The fatigue strength of complex welded structures may differ highly from that of a simple test specimen. The reason for this observation is in most cases the high amount of crack propagation on the total fatigue life. The aim of this work is to describe the complex failure mechanism with a two-phase model. In this model, the crack initiation and crack propagation phase are assessed separately. The fatigue life until initiation of a crack is derived by notch stresses, calculated using stress averaging or the critical distance approach. The macro crack propagation is determined by fracture mechanics. The methods, which are available to determine the fatigue life until crack initiation, lead to reliable results. The determination of stress intensity factors proved to be demanding. Variations were observed depending on the calculation approach used. For application in industry, the applied approaches should be improved further.Keywords: Weld start and stop position / crack initiation / crack propagation Das Schwingfestigkeitsverhalten von komplexen Bauteilen unterscheidet sich in vielen Fällen stark von dem einfacher Proben. Diese meist im Abgleich zwischen Berechnung und experimenteller Prüfung gemachte Beobachtung kann häufig über den hohen Anteil des Rissfortschritts an der Gesamtlebensdauer erklärt werden. Ziel dieses Beitrags ist es, das komplexe Schwingfestigkeitsverhalten über ein zwei-Phasen Modell zu beschreiben, in dem die Anriss-und die Rissfortschrittsphase separat betrachtet werden. Die Anrissschwingspielzahl wird hierbei über den Spannungsmittelungs-und Spannungsabstandsansatz berechnet, die anschließende Rissfortschrittsphase über bruchmechanische Methoden. In einer Gegenüberstellung von experimentell ermittelter und berechneter Lebensdauer zeigte sich eine gute Übereinstimmung für das Versagenskriterium technischer Anriss. Bei der bruchmechanischen Bewertung erwies sich die Berechnung der Spannungsintensitätsfaktoren als nicht trivial. Für die industrielle Anwendbarkeit empfiehlt sich daher eine Erweiterung und Optimierung der zur Verfügung stehenden numerischen Werkzeuge. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2015, 46, No. 2 Crack initiation and propagation analysis at welds
In dieser Arbeit wurde eine Bewertungsmethodik untersucht, mit der das komplexe Versagensverhalten von geschweißten Verbindungen beschrieben werden kann. Die Bewertung erfolgt dabei auf Basis eines Zwei-Phasen-Modells, in dem die Berechnung der Anrisslebensdauer und der Rissfortschrittslebensdauer getrennt durchgeführt wird. Die Anrisslebensdauer wird basierend auf dem Kerbspannungskonzept mit Spannungsmittelung nach Neuber sowie der Theorie des kritischen Abstandes nach Taylor berechnet. Die Makro-Rissfortschrittslebensdauer wird ausgehend von FE-Analysen unter Verwendung von bruchmechanischen Kennwerten bestimmt. Die untersuchten Methoden lieferten bei der Abschätzung der Anrisslebensdauer gute Ergebnisse. Beim Vergleich der berechneten Spannungsintensitätsfaktoren zeigen sich Unterschiede in Abhängigkeit von den verwendeten Berechnungsansätzen. Es zeigte sich, dass die eingesetzten Methoden für den industriellen Einsatz weiter verbessert werden sollten.
KurzfassungIn dieser Arbeit wurde eine Bemessungsmethode für eine komplex gefertigte Motorelementkomponente, die Teil eines Nockenwellenverstellersystems ist, erarbeitet. Diese Komponente, die während des Betriebs unter pulsierendem Innendruck steht, besteht aus einem kaltumgeformten Stahldeckel, der mit einem Stahlsinter- bauteil überlappend laserstrahlverschweißt wird. Zur Bewertung der Einflussgrößen Werkstoff, Gestaltung und Fertigung auf die Lebensdauer wurde das komplexe Bauteil systematisch durch bauteilähnliche vereinfachte Detailproben experimentell im Einstufenversuch untersucht. An den bauteilähnlichen Versuchskörpern wurde mittels FEM die Kerbspannung für einen Referenzradius rref = 0,05 mm berechnet und eine Kerbspannungswöhlerlinie abgeleitet. Diese Referenzwöhlerlinie wurde anschließend zur Auslegung des komplexen Bauteils verwendet.Zur Verifizierung der Berechnung wurde die Schwingfestigkeit des Bauteils experimentell ermittelt. Hierbei zeigten sich konservative Ergebnisse. Durch Berücksichtigung des höchst beanspruchten Werkstoffvolumens konnte die Abschätzung verbessert werden.
The local fatigue strength of a laserbeam weld of a complex engine component, which joins a PM with a formed sheet component, was assessed by the notch stress concept with the fictitious reference radius of rref = 0.05 mm. First, simplified specimens, following the main geometric dimensions of the parts, were manufactured. On these specimens the fatigue strength was identified by tests and the notch stresses calculated by finite element analysis. Based on these results a design SN-curve was derived to assess the fatigue strength of the engine component. The numerical assessment of the welded joint was verified by proof tests with the component. The assessment could be improved by considering statistical and stress gradient dependent size effects according to the concept of the highly stressed volume
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