Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Schweißnähte in numerischen Modellen zu untersuchen. Große Verformungen machen die mechanische Analyse komplexer und es ist möglich, verschiedene Netzdarstellungen, verschiedene kinetische und kinematische Variablen und konstitutive Modelle zu verwenden. Generell werden verschiedene Typen von 2D- und 3D-Modellen und damit finite Elemente mit ihrer Anwendbarkeit für verschiedene unterschiedliche Genauigkeitsgrade verwendet. Das am häufigsten verwendete Materialmodell ist das gemeinsame, bewertungsunabhängige Plastizitätsmodell, das auf dem von-Mises Kriterium basiert. Im Folgenden werden zwei Ansätze, die für Schweißnähte verwendet werden, beschrieben. Durch Schweißnähte verursachte Eigenspannungen und Verformungen werden im Entwurfsmodell nicht betrachtet.
Die Last wird mittels einer Kraft-Verformungsbedingung, auf der Grundlage der Langarian-Formulierung, auf das gegenüberliegende Blech übertragen. Diese Verbindung wird Multipoint Constraint (MPC, Mehrpunkt-Kopplung) genannt und verbindet die Knoten der finiten Elemente einer Plattenkante mit einer anderen Kante. Die Knoten der finiten Elemente sind nicht direkt miteinander verknüpft. Der Vorteil dieses Ansatzes ist die Fähigkeit, unterschiedliche Netzdichten verbinden zu können. Die Bedingung erlaubt es, die Oberfläche der Mittellinien der verbundenen Bleche mit einem Abstand zu modellieren, welcher den wirklichen Schweißnahtaufbau und die Nahtdicke berücksichtigt. Die Lastenverteilung wird vom MPC abgeleitet, sodass die Spannungen für den Bereich der Naht bestimmt werden. Dies ist wichtig für die Spannungsverteilung in der Platte unterhalb der Schweißnaht und zum Modellieren von T-Stümpfen.
Plastische Spannungsumlagerung in den Schweißnähten
Dieses MPC-Modell berücksichtigt nicht die Steifigkeit der Schweißnaht und besitzt eine konservative Spannungsverteilung. Spannungsspitzen, die am Ende von Plattenkanten, in Ecken und Rundungen auftreten, bestimmen die Tragfähigkeit entlang der gesamten Schweißnahtlänge (Ausnutzungswert Ut in den Ergebnistabellen der Schweißnähte). Ein spezielles, elastoplastisches Element, welches Dicke, Position und Ausrichtung der Schweißnaht berücksichtigt, wird zwischen den Platten hinzugefügt. Dieser äquivalente Schweißnahtkörper wird mit den entsprechenden Schweißnahtabmessungen eingesetzt, eine nichtlineare Materialanalyse angewendet und das elastoplastische Verhalten bestimmt. Im angewandten plastischen Modell wird der Plastizitätszustand durch die Spannungen im Kehlnahtbereich kontrolliert. Die Spannungsspitzen werden entlang des längeren Teils der Schweißnahtlänge umgelagert.
Das elastoplastische Modell der Schweißnähte liefert reale Spannungswerte, weshalb eine Mittelung oder Interpolation hier nicht notwendig ist. Für die Nachweise der Schweißnahtkomponente werden berechneten Werte am spannungsstärksten Schweißnahtelement verwendet. Auf diese Weise ist es nicht notwendig, die Tragfähigkeit von mehrfach orientierten Schweißnähten, Schweißnähten an nicht ausgesteiften Flanschen oder langen Schweißnähten zu reduzieren.
Kopplung zwischen Schweißnahtelement und Netzknoten
Allgemeine Schweißnähte können in der Operation Schweißnaht oder Kontakt, unter Anwendung der plastischen Umlagerung, als durchgehend, teilweise und wechselnd eingestellt werden:
- Durchgehende Schweißnähte verlaufen über die gesamte Kantenlänge
- Teilweise Schweißnähte erlauben dem Nutzer, Abstände von beiden Seiten der Kante einzustellen
- Wechselnde Schweißnähte können zusätzlich mit einer Länge und einer Lücke eingestellt werden