Mit LIMIT 2021 haben wir die Section-Methode zur Bewertung geschweißter Strukturen eingeführt, die auf im Volumen modellierte Nähte aufsetzt. Der Haupteinsatzbereich dieser Methode ist der Festigkeitsnachweis von Kehlnähten und Teildurchschweißungen mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit eines Versagens an der Schweißnahtwurzel.

In diesen Fällen spielen die Exzentrizität der Schweißnaht sowie die stützende Wirkung des umgebenden Materials eine entscheidende Rolle und haben einen erheblichen Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer. Mit der in der nachfolgenden Abbildung dargestellten Modellierungstechnik wird die Steifigkeit der Schweißverbindung mit ausreichender Genauigkeit erfasst, sodass die Beanspruchung des Nahtquerschnitts mithilfe der Section-Methode von LIMIT analysiert werden kann.

Nach den meisten Bemessungsnormen basiert der Ermüdungsnachweis von Schweißnähten auf drei Spannungskomponenten in Bezug auf die Orientierung der Schweißnaht:

• Belastung in Längsrichtung (parallel zur Schweißnaht)
• Belastung in Querrichtung (senkrecht zur Schweißnaht)
• Schubbelastung

Vorgehensweise in LIMIT

Bei Kehlnähten und Teildurchschweißungen sind die Spannungen infolge einer Belastung in Querrichtung in den meisten Fällen für den Ermüdungsnachweis maßgebend. Die nachfolgende Abbildung zeigt die linearisierte Spannungsverteilung, auch als Strukturspannung im Schweißnahtquerschnitt bezeichnet. Die Beanspruchung des Schweißnahtquerschnitts durch Querbelastung kann durch die beiden Schnittkräfte n und q sowie das Biegemoment m beschrieben werden. Die in der Abbildung dargestellten Schnittgrößen werden üblicherweise an der Grenzfläche zwischen der Schweißnaht und dem durchgehenden Blech bestimmt.

Beim direkten Ansatz von LIMIT werden die Schnittkräfte n und q sowie das Biegemoment m mithilfe der Section-Methode unmittelbar direct im Schweißnahtquerschnitt des globalen Modells berechnet. Diese Größen werden anschließend verwendet, um die Ergebnisse vorkalkulierter zweidimensionaler Kerbspannungsmodelle zu skalieren und zu überlagern.

Anschließend ermittelt LIMIT die maximale Spannungsschwingbreite im Bereich des verrundeten Nahtübergangs oder der ausgerundeten Nahtwurzel (siehe Abbildung unten). Abhängig vom verwendeten Rundungsradius werden für den Nachweis unterschiedliche FAT-Klassen herangezogen. Diese Auswertung wird entlang der gesamten Schweißnaht für jedes Section-Element wiederholt.

Anwendung

Das Verfahren wird in der LIMIT-Dokumentation ausführlich beschrieben. Die Bibliothek mit vorberechneten zweidimensionalen Kerbspannungsmodellen ist im Standardpaket enthalten. Die Anwendung ist einfach. Sobald ein bestimmter Schweißnahttyp ausgewählt wurde, stellt LIMIT den Umriss des entsprechenden 2D-Schnitts im FE-Modell grafisch dar. Dadurch werden die korrekte Positionierung und Ausrichtung des Schnitts sichergestellt.

Das abschließende Ergebnis wird auf den Section-Elementen visualisiert. Auf diese Weise kann die gleiche Genauigkeit wie mit einem dreidimensionalen Kerbspannungskonzept (3D Effective Notch Stress Approach) erreicht werden – bei deutlich geringerem Modellierungsaufwand und erheblich kürzerer Rechenzeit.