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Autor Thema:  Schweißnahtberechnung - Stahlrohrrahmen (1469 mal gelesen)
Viany
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erstellt am: 02. Okt. 2020 18:43    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo zusammen,

In meinem Prakrikum soll ich unter anderem die Schweißnähte eines Stahlrohrrahmens berechnen, bzw deren Festigkeit nachweisen. Da die Geometrie recht komplex ist, würde ich die Spannungen gern aus einer Simulation entnehmen, da deren analytische Berechnung für mich nicht trivial erscheinen. Hat hier jemand Erfahrungen bzw nützliche Tipps was es prinzipiell zu beachten gilt? Mir ist klar, dass ich den Rahmen nicht einfach als Solid dem Solver vorsetzen und die v.Mises Spannung nutzen kann. Für die Ermüdunfsgestigkeit wird nach IIW überwiegend der Nahtübergang betrachtet. Ich soll allerdings nur die statische Festigkeit der Nähte nachweisen. Reicht dafür das Normalspannungskonzept? Da der Rahmen fast ausschließlich aus Kehlnähten besteht, hätte ich diese teilweise mit modeliert und in deren Nahtwurzelfläche mir die Normalspannungen für die Vergleichsspannung ausgeben lassen.
Da ich bei online Recherchen überall etwas anderes lese bin ich leicht verunsichert..  was meint ihr dazu?

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galerkin
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erstellt am: 03. Okt. 2020 11:36    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Viany 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo Viany,

aus deiner Beschreibung wissen wir natürlich nicht viel über die genaue Lage Art etc der Schweißnaht so können wir auch keine detailierten Tipps geben.
Aber grundsätzlich kann man schonmal ein paar Sachen vorab sagen. Wenn deine Geometrie recht komplex ist scheidet das Normalspannungskonzept natürlich schnell aus. Wenn nach den klassichen Methoden der Mechanik noch Möglichkeiten oder Vereinfachungen noch möglich sind so wird dies doch sehr schnell recht aufwendig.
So wie ich das hier herauslese ist hier ein örtliches Konzept auf jeden Fall besser geeignet. Grundsätzlich sind mir zwei derzeitig übliche Vorgehensweise bekannt.
Du solltest dich hierzu mit den Begriffen "Strukturspannungskonzept" und "Kerbspannungskonzept" beschäftigen.
Grob beschrieben besteht der Unterschied darin das beim Strukturspannungskonzept die Schweißnaht mit "idealer Kerbe" also ohne Schweißnahtkerbe übergang etc modelliert wird und die Spannung mit einer Innenlinearisierung durch das Bauteil oder einer Oberflächenextrapolation entlang der Bauteiloberfläche bestimmt wird.
Beim Kerbspannungskonzept werden die Kerben beim Schweißnahteinbrand mitmodelliert und direkt abgegriffen. ("quasi wie bei der Bewertung eines Vollmaterials")
Das Kerbspannungskonzept ist meist deutlich aufwendiger bezüglich der Modellierung liefert aber meist! bessere Ergebnisse. Beim Strukturspannungskonzept geht die Modellierung natürlich deutlich schneller.
Was bei dir besser geeignet ist wissen wir natürlich nicht ohne genauere Angaben.
Würde dir hierzu auf jeden Fall die FKM-Richtlinie empfehlen. In dieser findet sich auch beschrieben wie eine Bewertung erfolgt. Meiner Meinung ist die FKM-Richtlinie gerade für Einsteiger "besser lesbar" als die IIW. Die FKM-Richlinie zur Bewertung von Schweißnähten wurde meines Wissens auch aus der IIW abgeleitet.
Eher theoretische Hintergründe kannst du auch in dem Buch von Radaj nachlesen aber eher sehr umfangreich. Würde für einen theoretischen Einstieg zu den Konzepten eher Einbock empfehlen. (Sehr gutes anwendungsorientiertes Buch auch für Einsteiger)

Hoffe ich konnte trotzdem etwas weiterhelfen.

Gruß
Martin

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Viany
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erstellt am: 03. Okt. 2020 13:12    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Servus Martin,

Erstmal vielen Dank für die Antwort. Ich versuche mein Problem einmal etwas näher zu schildern.. im Grunde soll nur der Festigkeitsnachweis an den Nähten erfolgen. Die Rohre wurden schon auf ihre Stabilität/Beulversagen untersucht. Es handelt sich bei dem Rahmen um eine räumliche Anordnung. Vergleichbar mit einem Go-Kart Rahmen. Nach deinen Schilderungen wird das Normalspannungskonzept hier wohl nicht anwendbar sein? Die Rohre haben überwiegend eine wanddicke von 1mm.
Zurzeit habe ich mir eine FKM Richtlinie von 2002 ausgeliehen. In ihr ist beschrieben, dass der statische Nachweis nur mit dem Nenn-und Strukturspannungskonzept erfolgt, sofern man sich an diese Richtlinie hält. Weiß nicht ob es in der neuen Ausgabe von 2012 andere Angaben gibt.
Prinzipiell ist mein Problem, dass ich mir sehr unsicher bei der Bestimmung der vorhandenen Spannungen bin. Wenn ich denn nun das Strukturspannungkonzept nutze und nach IIW extrapoliere... welche Spannung wird da genau extrapoliert? Reicht einfach die von Mises Spannung bis zum Übergang der Naht? Genauso finde ich in der FKM Richtlinie keine Angaben wie die Naht zu modellieren ellieren ist, bei dem Strukturspannungskonzept. Alles in allem finde die FKM Richtlinie bei der Spannungsermittlung mit FEM sehr unvollständig beschrieben.
Beste Grüße

[Diese Nachricht wurde von Viany am 03. Okt. 2020 editiert.]

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Viany
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erstellt am: 03. Okt. 2020 13:17    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Und würde die Betrachtung des Nahtüberganges ausreichen für einem statischen Nachweis? Der Schweißzusatz soll nach Werkstoffleistungsblatt eine Zugfestigkeit von mindestens 640MPa mit dem Grundwerkstoff besitzen. Dieser Grundwerkstoff (25CrMo4) hat ebenfalls, nach Hersteller, eine Mindestzugfestigkeit von 650MPa.
Der Rahmen besteht überwiegend aus HV bzw. Kehlnähten.

[Diese Nachricht wurde von Viany am 03. Okt. 2020 editiert.]

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smittytomcat
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warum postest Du nicht mal ne Skizze dieser Rahmenkonstruktion?
Ich fürchte mit den ganzen Modellen wirst Du die vorgegebene Aufgabe nicht in der erwarteten Zeit fertig bekommen.

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Gruß
Gerd
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Viany
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erstellt am: 04. Okt. 2020 19:58    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Servus,

prinzipiell ist die genaue Skizze für die Theorie doch nicht weiter relevant? Könnte morgen mal eine von der Arbeit aus hochladen..

Im Prinzip ist es wie gesagt eine recht unregelmäßige Stahlrohrrahmenkonstruktion, bei der ich nicht weiß wie ich an die örtlichen Spannungen komme. Einfach v.Mises zu nehmen, wäre zu simpel.

Ich hätte die Nähte einfachheitshalber nach dem CAB-Modell als Rundung modelliert und dann am Nahtübergangsbereich die Normalspannung in Querrichtung und die Schubspannung in Längsrichtung zur Naht ausgeben lassen - für eine Vergleichsspannung. Da durch die verrundete Naht keine Singularitäten entstehen, wäre eine Extrapolation auch nicht nötig.

Wäre die Vorgehensweise so möglich?

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smittytomcat
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für die Theorie nicht (fast stimmig) , aber bevor Du mit Kanonen auf Spatzen schießt kann man auch Modelle stark vereinfachen ohne das es ungenau wird

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Gerd
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Viany
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Hallo Gerd,

wie genau kann ich die Antwort interpretieren? Also könnte ich die vorhandenen Spannungen nicht auf dieser Weise aus der FE-Simulation entnehmen?
Wie ginge es denn dann?

Würde mich über eine Antwort freuen!

P.S. wie kann man hier Bilder hochladen? Würde gern ein Ausschnit aus der FEA zeigen

Beste Grüße


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smittytomcat
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erstellt am: 05. Okt. 2020 13:54    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Viany 10 Unities + Antwort hilfreich

Moin,
1. Bilder hochladen funktioniert mit Datei anhängen (manchmal etwas zickig die Prozedur)

2. Wir haben in meinem Metier Schiffbau de facto nur mit Rahmen- und Profilverbindungen zu tun. Die jüngeren Kollegen haben mit einer Software schnell 3-D-Volumen Modelle davon erstellt, aber dann kam immer die Frage "wie beurteile ich die Schweißnahtspannungen hier und dort etc", denn die ganzen Peaks etc. finden sich nirgendwo in den zulässigen Spannungen gem. den Vorschriften wieder. Dort - wie auch sonst vielerorts im Stahlbau - wird vereinfachend (und es funktioniert gut) - auf die Formeln sig = F/Aschw (nur mal prinzipiell) mit den entsprechenden Kehlnähten zurückgegriffen. Dazu werden die Schnittkräfte an der entsprechenden Stelle ermittelt. Dazu verwenden wir hauptsächlich Schalenmodelle.
I
Gruß
Gerd

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Viany
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Hey,

in Abb. 1 ist ein Ausschnitt aus der FEA für einen Lastfall zu sehen. Diese Simulation ist vorerst nur ein Stabmodell. Für die genaue Spannungsermittlung würde ich ein Volumenmodell erzeugen - oder reicht hier auch ein Schalenmodell nach Abb. 3, welches ich mit RBE und MPC Elementen erzeuge?

Wie könnte man hier die richtigen Spannungen auslesen und auswerten zur Kehlnahtberechnung?
Reicht es den Nahtübergang zu betrachten, oder rechnet man noch einmal die Fläche der Nahtwurzel nach Abb.2.
Würde mir dann in der Nahtflanke die Normalspannung längs zur Nahtrichtung und Schubspannung quer zur Nahtrichtung anzeigen lassen.

Beste Grüße

[Diese Nachricht wurde von Viany  am 05. Okt. 2020 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von Viany  am 05. Okt. 2020 editiert.]

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Hallo,

ich würde klar ein Nennspannungskonzept vorschlagen. Und als FE-Modell ein Balkenmodell. FAT Kerbfälle kannst Du Dir in der EN 1993-1-9 ansehen.

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erstellt am: 04. Jan. 2021 18:56    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Viany 10 Unities + Antwort hilfreich

Hoi Gerd,

wie ist denn Deine Schweissnahtberechnung ausgegangen?

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Viany
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erstellt am: 05. Jan. 2021 09:28    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Servus,
mit dem Normalspannungskonzept bin ich nicht sehr weit gekommen.
Theoretisch müsste man die analytisch berechnete Normalspannung mittels Spannungskonzentrationsfaktoren (SCF) in einer Struktur- oder Kerbspannung umrechnen an den Knotenpunkten. Die SCF´s die ich gefunden habe, gelten allerdings nur für den Stahlbau mit "dicken" Wandstärken >=4 mm. Diese sind bei mir mit Wandstärken von 1-1,5mm nicht anwendbar. Zudem gelten diese SCF auch nur für spezielle Knoten unter bestimmten Winkel, die bei mir auch nicht vorliegen.
Daher habe ich mich für das Strukturspannungskonzept entschieden, welche ich mittels FEM ermittelt. Hierfür mussten die Schweißnähte mit modelliert werden. Da die Übergange von Stumpf- zu Kehlnaht bei diesem Fachwerk fließend geschieht, hat sich die Modellierung am Anfang auch schwierig gestaltet. Am Ende habe ich schlichtweg geschaut, was ich für ein Radius der Schweißnaht bräuchte (bei einer Konkaven Naht), um ein a-Maß von 1mm zu erhalten. Mittels "Kantenverrundung" habe ich dann alle Schweißnähte mit entsprechendem Radius erzeugt. Das lief recht fehlerfrei.
Anschließend habe ich grob die kritischen Punkte/Spannungskonzentrationen an den Schweißnähten mittels der v.Mises Spannung ausfindig gemacht.
Die Kritischen Punkte an Schweißnähten bekamen dann lokales Koordinatensystem, sodass ich die Ergebnisse auf das KOS des Punktes transformieren kann. So kann ich für jeden gewünschten Punkt die jeweiligen Spannungskomponenten ermitteln, trotz komplexer Verschneidungskurven. Im wesentlichen entnahm ich dann nur die Normalspannung quer und die Schubspannung parallel zur Naht zur Ermittlung meiner "eigenen" Vergleichsspannung für die Naht.

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Rechenschieber
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erstellt am: 05. Jan. 2021 09:39    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Viany 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo & Danke,

das hört sich ja vernünftig an. eine Verrundung mit dem Radius welcher die Schweissnahtdicke a ergibt ist das CAB Konzept, oder?
Da würde man meiner Meinung nach den Schweissnahtübergang betrachten - und dort die 1.Hauptspannung, das sollte ausreichen.

Literatur hierzu: http://www.schmied-engineering.ch/www/diverses/SMK2010%20Statischer%20Nachweis%20von%20Schweissnaehten.pdf

Jetz bleibt natürlich noch die Frage: Stimmen Deine Lastannahmen? Was sind die zulässigen Spannungen? Statisch oder Ermüdung?

PS: Nennspannungskonzept, nicht Normalspannungskonzept (die Verwechslung passiert mir auch immer wieder)

Gruss

der Rechenschieber

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Viany
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erstellt am: 05. Jan. 2021 09:51    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Stimmt, sorry für die Verwechslung.

Im Prinzip hast du recht. Es ist eine Art CAB Konzept.
Das "reine" CAB Konzept ergibt sich allerdings aus R=Wurzel(2)*a.
Ich würde mit der Formel auf einen kleineren Radius kommen.
Zum anderen gilt das Konzept laut meinen Recherchen im Geltungsbereich von 8-80mm. Daher habe ich mir am Ende mein eigenes Konzept zusammen gebastelt, um die reale Naht bestmöglich darzustellen.

Die Lasten bekomme ich von einem anderen Schreibtisch. Ich nehme einfach mal an, dass die stimmen. Das zu überprüfen übersteigt auch die Aufgabenstellung der Diplomarbeit.
Festigkeitswerte entnehme ich nach Norm DIN EN ISO 683 für den Grundwerkstoff, entsprechend der Wandstärke und die Festigkeit der Naht nach einem Werkstoffleistungsblatt (WL). In dieser WL ist angegeben, mit welchen Festigkeiten man bei der Paarung von Grund- und Zusatzwerkstoff ausgehen kann. Darauf kommen dann noch die gegeben Sicherheitsfaktoren.
Die Auslegung soll zu meinem Glück auch rein statisch geschehen.

Das einzige Problem was ich jetzt noch sehe ist, dass ich die Eigenspannungen komplett außenvor lasse.

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Hallo Viany,

ich habe mich vor einem halben Jahr, so wie du, intensiv mit der Schweißnahtberechnung nach FKM-Richtlinie auseinander gesetzt. Dabei gibt es speziell bei der Modellierung wie oben schon beschrieben einiges zu beachten. Die Auswertung an sich ist dann nur noch das runter Rechnen nach FKM-Richtlinie. Als Tool für die Simulation habe ich damals SimSolid eingesetzt. In diesem System hast du den Vorteil, dass Schweißnähte sich automatisch anbringen lassen können. Die Berechnung von Schweißnähten ist dadurch ein vielfaches einfacher. Wenn es dann an die FKM-Richtlinie geht kannst du auch das direkt in SimSolid bewerkstelligen mit dem implementierten FKM-Tool.

Ich kann dir gerne zeigen wie du die notwendigen Spannungen ermittelst und nachweisen kannst. Schau mal dazu meinem Post im SimSolid Forum an unter SimSolid Livestream. Jeden Donnerstag biete ich hier an sich zusammen mit Anwendern hinzusetzen und Simulationen vom Import bis zum endgültigen Ergebnis zu rechnen.

Kleiner Tipp am Rande: Auf der Homepage von Altair.de kannst du dir die Studentenversion von SimSolid kostenlos herunterladen und diese für 2 Wochen nutzen. Solltest du länger Zeit benötigen, kannst du gerne auf mich zukommen.

Können uns während des Streams gerne mal mit dem Struktur- und Kerbspannungskonzept auseinander setzen, sowie dem händischen Nachweis nach FKM Richtlinie.

Jeden Donnerstag ab 17 Uhr. Link findest du im entsprechenden Post.

------------------
Franz Mook Ansprechpartner für Simulationslösungen
Sie erreichen mich unter:
Tel.: +49 7961 890-263
Fax: +49 7961 890-177
Mobil:+49 151 67302298
E-Mail:  fmook@inneo.com


Web: www.inneo.com


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