Fatigue life prediction of three-dimensional scanned weld seams using finite element analysis Lebensdauervorhersage von dreidimensional gescannten Schweißnähten mittels der Finite-Elemente-Methode

Abstract

Weld seams of cruciform specimens were digitized in 3D using a high-precision fringe projection scanner. Based on these digital twins, finite element analyses (FEA) were performed to determine stress distributions in highly loaded regions at the weld toe, known as hot spots critical for fatigue life. Initially, maximum element stresses based on finite element analyses at four weld transitions were compared with experimental data, showing poor correlation. By increasing the number of evaluated elements and averaging the 5,000 most highly stressed elements at the critical transition, good agreement with the experimental S–N curve was achieved. The slope and scatter of the simulated S–N curve also matched well with test results. Due to the linear-elastic material model, stresses were overestimated, as microplastic effects at the weld toe were not considered. A post-processing algorithm SESAM was developed to further analyse and quantify results. It allows flexible parameter selection and enables, for the first time, the 3D quantification of hot spots or micro-notches and their stress distributions, providing a basis for fracture mechanics approaches such as crack growth analysis or the application of the $$-concept.

Schweißnähte von Kreuzstoßproben wurden mittels hochpräzisem Streifenlichtscanner dreidimensional digitalisiert. Auf Basis dieser digitalen Zwillinge wurden Finite-Elemente-Analysen (FEA) durchgeführt, um Spannungsverteilungen in hochbeanspruchten Bereichen am Nahtübergang zu bestimmen. Diese Hotspots sind entscheidend für die Ermüdungslebensdauer. Zunächst wurden maximale Elementspannungen an vier Nahtübergängen mit experimentellen Daten verglichen, was eine geringe Übereinstimmung hinsichtlich Wöhlerkurve und Rissort zeigte. Durch schrittweise Erhöhung der berücksichtigten Elemente und die Mittelwertbildung der 5.000 höchstbeanspruchten Elemente am kritischsten Übergang konnte eine gute Übereinstimmung bezüglich Neigung und Streuung der Wöhlerkurve mit den Versuchsergebnissen erzielt werden. Aufgrund des linear-elastischen Materialmodells wurden die Spannungen erwartungsgemäß überschätzt, da Mikroplastifizierungen nicht berücksichtigt wurden. Ein parametrierbarer Post-Processing-Algorithmus SESAM ermöglicht die quantitative Beschreibung von Hotspots bzw. Mikrokerben hinsichtlich ihrer räumlichen Ausdehnung und Spannungsverteilung. Diese Daten können eine Grundlage für bruchmechanische Analysen wie Rissfortschrittsuntersuchungen oder das $$-Konzept sein.