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Spannungskonzepte

Lokale Spannungsspitzen sind meist für die Rissbildung verantwortlich und treten besonders an Schweißnähten auf. Für eine aussagekräftige Nahtbewertung wird eine objektive, von numerischen Einflüssen unverfälschte Spannung benötigt. Dazu stehen unterschiedliche Spannungskonzepte zur Verfügung, die in den Normen und Richtlinien verwendet werden. Dabei wird unterschieden zwischen:

  • Nennspannung
  • Strukturspannung bzw. Hotspot Spannung
  • Effektiv-Kerbspannung mit unterschiedlichen Ersatzradien

Steifigkeitssprünge sind häufig der Grund für lokale Spannungsspitzen. Ein typisches Beispiel stellt das Ende einer Rippe unter  Zugbelastung parallel zur Schweißnaht dar. Nach linearer Elastizitätstheorie handelt es sich im Eckbereich sogar um eine Spannungssingularität, die durch abnehmende Elementgrößen stärker aufgelöst wird. Aus der Sicht der Bewertung des Nahtendes ist allerdings die direkte Verwendung der Spannung am singulären Punkt nicht praktikabel. In der nachfolgenden Abbildung ist die Zunahme der Spannungen bei abnehmender Elementgröße zu erkennen.

StressSingularity

Der Unterschied zwischen den drei zuvor erwähnten Spannungskonzepten ist im folgenden Diagramm zu sehen. Die Nennspannung (nominal stress) liegt in einem Bereich vor, der außerhalb des Einflusses der Rippe liegt. In der Regel genügt eine Entfernung von 1,5 bis 2 x der lokalen Blechdicke.

Bei einer Annäherung an den Eckpunkt nehmen die Spannungen bis zu einem Spitzenwert zu, der nur im Falle eines Effektiv-Kerbspannungs-Modells ein brauchbares Spannungsmaß darstellt. In allen anderen Fällen ist diese Spannung nicht für die Bewertung zu gebrauchen, da sie stark von der Elementgröße, Elementformulierung und Ordnung der Singularität abhängt.

Um den strukturellen Einfluss der Rippe dennoch zu erfassen, steht die sogenannte Strukturspannung (hotspot stress) zur Verfügung. Dabei wird durch eine Extrapolation über Referenzpunkte außerhalb des Einflussbereichs der Singularität ein Spannungswert generiert, der die versteifende Wirkung der Rippe erfasst. Für die Strukturspannungsbestimmung sind jedoch relativ feine Netze im Bereich der Singularität erforderlich. Die Positionen der Referenzpunkte in LIMIT® sind 0,5 x t und 1,5 x t mit t als Blechdicke.

StressConcepts

LIMIT®bietet die Bewertung nach allen drei Spannungsgrößen. Effektiv-Kerbspannungen sind allerdings derzeit nur für Volumenmodelle möglich. Nenn- und Strukturspannungen stehen für Schalen direkt und für Solids über die Sensor-Technologie zur Verfügung. Nachfolgendes Abbildung zeigt unterschiedliche Modellierungen, die mit LIMIT®bewertet werden können.

StressConceptModels