Schweißnähte

Die Schwachstellen einer Schweißkonstruktion sind üblicherweise die Nähte. Diese stellen aufgrund des meist kleineren Querschnitts als die verbundenen Bauteile unter Extremlasten naturgemäß einen Schwachpunkt dar (Ausnahme: Vollanschluss oder Platzierung der Nähte in niedrig belasteten Bereichen).

Unter zyklischer Belastung kommt die hohe Kerbwirkung des Schweißnahtüberganges und – bei Kehlnähten – der Wurzel zum Tragen. Außerdem stellt das Nahtmaterial durch die inhomogene Fließgrenze eine Werkstoffkerbe dar. Zusätzlich sind – sofern nicht spannungsarmgeglüht wird – nachteilige Zugeigenspannungen vorhanden, die die Schwingfestigkeit der Naht ebenfalls mindern.

Ansys Ergebnisplot - FEM Berechnung - Schweißnahtanalyse

Zu unserem Leistungsumfang für die FE-Berechnung geschweißter Konstruktionen zählt die Berechnung der Struktur hinsichtlich Extrem- und Ermüdungslasten. Die Berechnung erfolgt gemäß der für Schweißnähte gebräuchlichen Normen und Richtlinien wie beispielsweise:

  • Eurocode 3 (DIN EN 1993) im Stahlbau
  • IIW (International Institute of Welding)-Richtlinie und der FKM-Richtlinie im Maschinenbau
  • den entsprechenden Richtlinien der Klassifikationsgesellschaften im Schiffbau

Für Ermüdungsfestigkeitsnachweise verwenden wir folgende Konzepte:

  • Nennspannungskonzept:
    Dieses einfache Konzept verwenden wir, wenn Kerbfälle mit den zugehörigen Fat-Klassen für das untersuchte Detail vorliegen
  • Strukturspannungskonzept:
    Hierbei handelt es sich um eine Erweiterung des Nennspannungskonzeptes, das auf „lokalen“ Nennspannungen beruht, die durch Extrapolation der Spannungen im Nahtbereich gewonnen werden. Dies erlaubt die Bewertung von Details, für die keine katalogisierten Kerbfälle vorliegen.
  • Kerbspannungskonzept:
    Dieses Konzept kommt zur Anwendung, wenn das Strukturspannungskonzept aufgrund von extrem komplizierten Nahtgeometrien nicht angewendet werden kann sowie zur Bewertung des Wurzelrisses.

Beispiele für abgeschlossene Kundenprojekte


Turm einer Windkraftanlage

Es wurde der Turm einer Windenergieanlage nachgewiesen. Insbesondere erfolgte ein Nachweis aller Schweißnähte hinsichtlich der Betriebsfestigkeit. Der Nachweis der Längsnähte und der Nähte zwischen Blech und Flanschen erfolgte mit dem Nennspannungskonzept. Die Nähte der Türöffnung wurden mit dem Strukturspannungskonzept nachgewiesen. Für die Anschweißbuchsen zur Befestigung der Turmplattformen wurde ein Nachweis mittels Strukturspannungen durchgeführt. Für die Bewertung der Schweißverbindung des Turmkopfflansches wurde ein Teil des Maschinenträgers sowie das Azimutlager mitmodelliert.

Die Schweißnähte wurden gemäß Eurocode 3 sowie der Richtlinie des IIW bzgl. Fatigue- und Extremlasten nachgewiesen. Der Berechnungsbericht und das FE-Modell wurden vom TÜV Nord zertifiziert.

Geschweißter Maschinenträger

Für einen Windkraftanlagenhersteller wurde ein geschweißter Maschinenträger nachgewiesen. Die Berechnung erfolgte anhand der Extrem- und Ermüdungslasten. Die Beanspruchung im Zeitfestigkeitsbereich ist besonders geprägt durch die Anregung des Generatorträgers durch Turmschwingungen sowie durch wechselnde Generatormomente.

Die Bewertung der Betriebsfestigkeit der Schweißnähte erfolgte mit dem Strukturspannungskonzept gemäß Eurocode 3 mittels Zeitreihenberechnung. Eine kritische Stelle, die nicht mit dem Strukturspannungskonzept bewertet werden kann, wurde mit dem Kerbspannungskonzept untersucht.

Es konnte gezeigt werden, dass der Generatorträger die auftretenden Lasten erträgt.