Numerische Analyse der Rissausbreitung auf der Grundlage der Phasenfeldmethode in geschweißten Stahlkonstruktionen

Das Schweißen gilt in vielen Industriebereichen als eines der unverzichtbaren Verfahren zum Fügen. In vielen Konstruktionen sind Schweißnähte als kritische Bereiche bekannt, die zu mechanischen Ausfällen führen. Es gibt eine Reihe von physikalischen Defekten wie Hinterschneidungen, unzureichende Verschmelzung, übermäßige Verformung, Porosität und Risse, die die Schweißqualität beeinträchtigen können. Von diesen Fehlern werden Risse als die schlimmsten angesehen, da selbst ein kleiner Riss wachsen und zu einem Versagen führen kann. Alle Schweißnormen sehen für Risse eine Nulltoleranz vor, während die anderen Fehler innerhalb bestimmter Grenzen toleriert werden. Es gibt drei Voraussetzungen für die Bildung und das Wachstum von Rissen: ein spannungserhöhender Fehler, Zugspannung und ein Material mit geringer Bruchzähigkeit. Mikroskopische Fehlerstellen sind in praktisch allen Schweißnähten vorhanden, einschließlich geometrischer Merkmale und der Schweißnahtchemie, die die lokale Spannung so weit erhöhen können, dass ein Riss entsteht. Der Ingenieur muss sich also mit der Spannungsumgebung und der Zähigkeit befassen: Wenn einer der beiden Faktoren wirksam kontrolliert werden kann, kann verhindert werden, dass Risse entstehen und wachsen. Die Zähigkeit ist ein Maß für den Widerstand gegen das Risswachstum; bei duktilen Werkstoffen kann der Widerstand durch das Abstumpfen der Rissspitze erreicht werden. Wenn jedoch die angewandte Dehnungsrate sehr hoch ist (wie bei der Abkühlung eines Schweißpunktes am Ende des Impulses) und das Spannungsfeld mehrachsig ist, weisen selbst duktile Werkstoffe eine geringe Zähigkeit auf und erzeugen ein schnelles Risswachstum. Harte Werkstoffe, wie z. B. Martensit, der sich beim Abkühlen von Stählen bildet, sind spröde und weisen eine geringe Zähigkeit auf. Ein tiefes Verständnis der Eigenspannungen beim Schweißen, der Mikrostruktur und des mechanischen Verhaltens der WEZ, der multiaxialen Ermüdungsfestigkeit, des Rissfortschrittsverhaltens und der Auswirkungen von Verbesserungstechniken auf geschweißte Strukturen wird zu einer zuverlässigeren Fertigung, einer Minimierung des Gewichts und einer Erhöhung der strukturellen Festigkeit führen.
Die folgenden Ziele dieses Projekts sind:
- Modellierung des Schweißprozesses unter Berücksichtigung der Phasenumwandlungen im Grundwerkstoff und im Schweißgut während des Erwärmungs- und Abkühlungsprozesses.
- Auswirkung der Festigkeit des Schweißmaterials und der Anzahl der Schweißnähte auf die Ermüdungsfestigkeit.
- Einfluss von Wärmebehandlungsverfahren wie Spannungsfreiglühen und Glühhärten auf das Ermüdungsverhalten.
- Entwicklung schädigungsmechanischer Regeln auf der Grundlage numerischer Analysen zur Vorhersage des duktilen Versagens und der Ermüdungsrissentstehung.
- Numerische Modellierung der Ermüdungsrissentstehung und -ausbreitung auf der Grundlage der Phasenfeldtheorie.
- Gewinnung experimenteller Daten durch die Durchführung von Versuchen an einer universellen servohydraulischen Maschine zur Untersuchung des Einflusses multiaxialer Spannungen auf die Dauerfestigkeit und Ermüdungslebensdauer.
- Die Auswirkung von durch Schweißen verursachten Eigenspannungen auf die Ermüdungslebensdauer.
- Untersuchung des HFMI-Prozesses auf Eigenspannungen und Ermüdungsfestigkeit mit Hilfe numerischer und experimenteller Arbeiten.

Numerical analysis of crack propagation based on phase field method in welded steel structures

Welding is considered as one of the most indispensable processes in many industrial sections for joining. In many structures, welds are known as a critical sections led to mechanical failures. There are a variety of physical defects such as undercut, insufficient fusion, excessive deformation, porosity, and cracks that can affect weld quality. Of those defects, cracks are considered to be the worst since even a small crack can grow and lead to failure. All welding standards show zero tolerance for cracks whereas the other defects are tolerated within certain limits. There are three requirements for cracks to form and grow: a stress-raising defect, tensile stress, and material with low fracture toughness. Microscopic defect locations are available in practically all welds including geometric features and weld chemistry that can raise the local stress enough to induce a crack. That leaves the engineer to work with the stress environment and toughness: if either of the two can be effectively controlled then cracks can be prevented from initiating and growing. Toughness is a measure of resistance to crack growth; resistance can be provided by blunting of the crack tip in ductile materials. However, if applied strain rate is very high (as would be the case when a spot weld cools at the end of the pulse) and the stress field is multi-axial, even ductile materials exhibit poor toughness and produce rapid crack growth. Hard materials, such as martensite formed during cooling of steels, are brittle and have poor toughness. Having a deep understanding of the residual stresses in welding, micro structure and mechanical behavior of HAZ, multi axial fatigue strength, crack progress behavior and the effect of improvement techniques on welded structures will result in manufacturing more reliable and minimizing weight and increasing structural strength.
The following objectives of this project are:
- Modeling welding process by considering the phase transformation changes occurred in base and weld metal during the heating and cooling process.
- Effect of weld material strength and number of weld passes on the fatigue strength.
- Influence of heat treatment process like stress releasing, annealing hardening on fatigue behavior.
- Development of damage mechanics rules based on numerical analysis for predicting the ductile failure, fatigue life crack initiation.
- Numerical modeling of fatigue crack initiation and propagation based on phase field theory.
- Achieving experimental data by carrying out on universal servo hydraulic machine to investigate the influence of multi axial stresses on fatigue strength and fatigue life.
- The effect of residual stresses caused by welding on the fatigue life.
- Investigating HFMI process on residual stresses and fatigue strength by means of numerical and experimental work.