WeissQuadrat Simulation Schweissnaht 01 

Schweissnähte – konzeptkonforme Modellierung

Die Konstruktion ist fertig. Das 3d CAD Modell sieht perfekt aus. Man ist erleichtert. Doch wie sieht es mit der Dimensionierung von Schweissnähten aus? Oft wird diese Frage mit einem leichten Achselzucken und einer generell gültigen Angabe auf der Baugruppenzeichnung kurzum abgehandelt. Doch so einfach ist es nicht! Eine Schweissbaugruppe ist nur so gut, wie deren Schweissnähte dimensioniert und natürlich auch ausgeführt sind. Sind sie zu gross, ist auch grosser Verzug zu erwarten. Ausserdem sind Schweissnähte teuer. Sind sie zu klein, hat man entweder gleich oder was noch schlimmer ist, ein „schleichendes“ Problem. Irgendwann ermüdet der Werkstoff und das Drama nimmt seinen natürlichen Lauf. Die Schweissnähte müssen dann vor Ort, wo das auch immer sein mag, mühsam ausgebessert werden. Kosten, die kein Vorgesetzter gerne sieht. Klicken Sie auf die Thumbnails (unten) um weitere Bilder zur Simulation von Schweissnähten zu sehen.

WeissQuadrat Simulation Schweissnaht 02 

Schweissnähte – konzeptkonforme Modellierung

Ist die vorhandene Geometrie einfach (Träger, Profile, Stäbe), kann die Nennspannung gut von „Hand“ berechnet werden. Bei einer komplexen Geometrie (Maschinengestelle, Unterbauten, Behälter) lässt sich die Nennspannung jedoch nur recht schwer bis gar nicht ermitteln. Hier unterstützen uns die „FEM- Finite Elemente Methode“ Programme. Die blaue Linie zeigt den Spannungsverlauf bis hin zum Schweissnahtübergang. Also den Verlauf der Nennspannung, der Struktur- und der Kerbspannung.

WeissQuadrat Simulation Schweissnaht 03 

Schweissnähte – konzeptkonforme Modellierung

Diese Simulationsprogramme berechnen primär nicht die Nennspannungen, sondern die gesuchten Strukturspannungen oder auch die Kerbspannungen direkt an der Schweissnaht. Die Strukturspannung ist dabei jene Spannung, welche sich aus den lokalen Steifigkeitsverhältnissen ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Kerbwirkung der Schweissnaht nicht berücksichtigt ist. Die Kerbspannung ist dann jene Spannung, die das tut. Dargestellt ist in diesem Bild die Berechnung der Strukturspannung mittels der Hot Spot Extrapolation. Zudem ist als Vergleich die Strukturspannung gemäss Haibach eingetragen. Die dicke blaue Linie zeigt wiederum den realen Spannungsverlauf.

WeissQuadrat Simulation Schweissnaht 04 

Schweissnähte – konzeptkonforme Modellierung

Um die Komplexität des FEM Modells in den Griff zu bekommen, wird zunächst ein Grobmodell erstellt. Hierbei werden jene Stellen lokalisiert, welche eine starke Beanspruchung aufweisen. Im nächsten Schritt wird aus dem Grobmodell ein Submodell herausgeschnitten. In diesem Submodell kann im Anschluss daran die Schweissnaht konzeptkonform modelliert werden. Was heisst konzeptkonform? Die Schweissnaht wird nicht wie vielleicht intuitiv vermutet einfach wahrheitsgetreu modelliert, sondern entsprechend dem Strukturspannungs- oder dem Kerbspannungskonzept abgebildet. Dieses Bild zeigt die Vektorendarstellung der Hauptspannungen an der Schweissnaht und stellen deren Ausrichtung dar.

WeissQuadrat Simulation Schweissnaht 05 

Schweissnähte – konzeptkonforme Modellierung

Welche Methoden der Strukturspannungsermittlung stehen nun zur Verfügung? Die Methode von „Haibach“ rührt aus der Vergangenheit. Die Applikation von Dehnmessstreifen bestimmt hier den Abstand zum Nahtübergang. Die „Hot Spot Extrapolation“ nimmt 2 oder 3 Stützpunkte um die Strukturspannung linear oder quadratisch zu ermitteln. Bei der „CAB Methode“ wird ein Ersatzradius für die Berechnung der Strukturspannung verwendet. Und bei der „ASME Innenlinearisierung“ liefert ein Pfad ins Bauteilinnere die Membran- Biege und Kerbspannungsanteile. Dieses Bild zeigt die ASME Innenlinearisierung.

WeissQuadrat Simulation Schweissnaht 06 

Schweissnähte – konzeptkonforme Modellierung

Idealerweise werden die Ergebnisse aller Methoden miteinander verglichen. Warum? Weil jede Methode seine Vor- und Nachteile hat. Wer sicher gehen möchte, setzt zum Abschluss noch ein Kerbspannungsmodell auf.

WeissQuadrat Simulation Schweissnaht 07 

Schweissnähte – Seiltrommel

Das Kerbspannungskonzept berücksichtigt zusätzlich zur Bauteilgeometrie auch den Einfluss der Schweissnahtgeometrie. Somit können die tatsächlich auftretenden Kerbspannungen gut berechnet werden. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes kommt hier zumeist die Submodelltechnik zum Einsatz. Ob Haibach, Hot Spot Extrapolation, CAB, ASME Innenlinearisierung oder ein Kerbspannungsmodell – wir sind mit allen Methoden vertraut.

 

Unseren Fachbeitrag "Berechnung von Schweissverbindungen" im Magazin Maschinenbau vom Mai 2016 können Sie hier lesen.

 

 

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