Schweißnahtberechnung

Ansys Ergebnisplot - FEM Berechnung - SchweißnahtanalyseZu unseren Dienstleistungen gehört auch die Schweißnahtberechnung, welche für den Nachweis einer Struktur wesentlich ist. 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.

Leistungsangebot

Zu unserem Leistungsumfang für die Berechnung geschweißter Konstruktionen zählt der Nachweis der Struktur hinsichtlich Extrem- und Ermüdungslasten. Dazu zählt unter anderem:

  • Nachweis der Nähte
  • Festlegung der erforderlichen a-Maße bei Kehlnähten
  • Sprödbruchnachweis der Schweißkonstruktion
  • Nachweis der Konstruktion gegen Terassenbruch
  • Berechnung der akkumulierten Schädigung bei wechselnder Belastung

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Schweißnaht-Projekte

13.2 m

Längste Schweißnaht

170 mm

Dickstes verschweißtes Blech

Schweißnahtberechnung mittels FEM

Die Bewertung einer Schweißkonstruktion mit Hilfe des Finite-Elemente-Verfahrens bietet sich vor allem in folgenden Fällen an:

  • Komplexe Konstruktionen, für welche die Schnittgrößen an der Schweißnaht nicht oder nur sehr aufwändig analytisch berechnet werden können
  • Ermüdungsfestigkeitsnachweise für Details, für die keine FAT-Klasse vorliegt
  • Bewertung von Wurzelrissen von Schweißnähten

Analytische Schweißnahtberechnung

Einfache geschweißte Konstruktionen weisen wir analytisch nach. Der Hauptvorteil des analytischen Nachweises liegt im geringeren Aufwand begründet. Anwendbar ist das analytische Vorgehen unter folgenden Umständen:

  • Einfach gestaltete Geometrie, so dass der Lastfluss in der Konstruktion und somit die Belastung der Schweißnähte mit überschaubarem Aufwand analytisch berechnet werden kann
  • Für den analytischen Ermüdungsfestigkeitsnachweis ist das Vorliegen der Kerbfallklasse (FAT-Klasse) aller kritischen Konstruktionsdetails nötig
  • Wurzelriss ist nicht maßgeblich

Normen und Richtlinien für die Berechnung

Die Berechnung erfolgt gemäß der für Schweißnähte gebräuchlichen Normen und Richtlinien wie beispielsweise:

Konzepte für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis

Für Ermüdungsfestigkeitsnachweise verwenden wir folgende Konzepte:

  • Nennspannungskonzept:
    Dieses einfache Konzept verwenden wir, wenn Kerbfälle mit den zugehörigen FAT-Klassen für das untersuchte Detail vorliegen. Insbesondere für stahlbauliche Konstruktionsdetails liegen zahlreiche Kerbfälle im Eurocode 3 und in den IIW-Richtlinien vor. Die Bewertung erfolgt dann mittels der Nennspannung des angeschlossenen Bauteils. Die Kerbwirkung durch die Geometrie im Umfeld der Schweißnaht sowie die Spannungserhöhung in der Naht werden durch die Abminderung der zulässigen FAT-Klasse abgedeckt.
  • Strukturspannungskonzept:
    Hierbei handelt es sich um eine Erweiterung des Nennspannungskonzeptes, das auf „lokalen“ Nennspannungen beruht, die durch Extrapolation der Spannungen im Nahtbereich gewonnen werden. In der zulässigen Strukturspannungs-FAT-Klasse wird nur noch die Kerbwirkung der Schweißnaht berücksichtigt. Das Strukturspannungskonzept erlaubt daher die Bewertung von Konstruktionsdetails, für die keine katalogisierten Kerbfälle vorliegen.
  • Kerbspannungskonzept:
    Beim Kerbspannungskonzept werden die Schweißnähte realitätsgetreu nachgebildet. Der Nahtübergang wird mit einem vorgegebenen Radius (meist 1 mm) modelliert. Zur Bewertung werden die Spannungen im Radius ausgewertet. Dieses Konzept kommt zur Anwendung, wenn das Strukturspannungskonzept auf Grund von extrem komplizierten Nahtgeometrien nicht angewendet werden kann. Des Weiteren kann das Kerbspannungskonzept zur Bewertung von Wurzelrissen der Schweißnaht verwendet werden. Der Hauptnachteil des Kerbspannungskonzeptes ist der hohe Modellierungs- sowie Berechnungsaufwand.

Kundenmeinungen

Geschäftsführender Gesellschafter / Karl Wrede Stahl- und Maschinenbau GmbH

Dipl.-Ing. (SFI) Jan Wrede

Wir arbeiten seit 2012 sehr zufrieden mit dem Ingenieurbüro Hanke als Partner in Sachen FEM-Berechnung zusammen. Uns gefällt die fachliche Kompetenz in Kombination mit der vorhandenen Flexibilität und der pragmatischen Problemlösung.

Auslegung, Optimierung und Nachweis von Schweißverbindungen


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Bild von Andreas Hanke

Andreas Hanke

Geschäftsführung, Dipl.-Ing.

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.