Eigenspannungs- und Fertigungseinflüsse an Sektionsstößen von Schiffen
Dr.-Ing. Sonja Zacke, Curt-Bartsch Preisträger 2013
Das Thema Schweißen wird im Bereich Schiffbau seit Jahrzehnten diskutiert. Die aus dem Schweißprozess resultierenden Eigenspannungen und Verformungen sind von unzähligen Parametern abhängig, die sich mit zunehmendem technischen Fortschritt noch komplexer gestalten. Ziel der Arbeit war es daher, sowohl auf experimentellem Wege als auch auf Basis von Simulationen eine Aussage über die Ermüdungs- und Bruchfestigkeit praxisüblicher Sektionsstoßschweißungen unter unterschiedlichen Fertigungsbedingungen zu treffen. Im ersten Teil der Arbeit wurde anhand von Kleinproben die Festigkeit von Sektionsstößen untersucht. Dabei wurden verschiedene Fertigungseinflüsse (Spaltweite, Schweißtechnik, Einspanngrad u.a.) an 250 mm langen und 15 mm dicken Schweißstößen variiert. Darauf aufsetzend wurden die Parameter für den zweiten Teil, die Betrachtungen am Originalbauteil, festgelegt. Dieses erstreckt sich über insgesamt drei Sektionen, welche durch den betrachteten Sektionsstoß verbunden sind. Die Untersuchungen erfolgten anhand von Schweißsimulationen mit einem Finite-Element-Modell, wobei einerseits die Ergebnisse der Kleinproben überprüft und andererseits kritische Bereiche am Stoß lokalisiert und hinsichtlich der Bruchfestigkeit bewertet wurden. Die Untersuchungen zeigen, dass hohe Eigenspannungen v.a. in steifen Regionen auftreten, also z.B. an Kreuzungspunkten mit Längssteifen. Im anschließenden Schiffsbetrieb finden Spannungsumlagerungen statt, welche zum Abbau der Eigenspannungen führen. Eine generelle Gefährdung einer Konstruktion durch hohe Eigenspannungen kann daher nicht bestätigt werden. Für die zukünftige Beurteilung des Einflusses von Schweißprozessen wird empfohlen, anhand von ebenfalls in der Arbeit diskutierten Teilmodellen der Konstruktion eine Schweißsimulation durchzuführen.
Influence of residual Stresses and Fabrication conditions at Block Joints of Ships
Welding is a topic discussed since decades in the shipbuilding field. The residual stresses and deformations resulting from the welding process depend on many parameters that become even more complex with the increasing technical progress. The aim of the thesis was therefore to investigate the fatigue and fracture strength of commonly used block joints welded under different fabrication conditions. Due to the latter, the first part of the thesis deals with small specimens examining the strength of block joints. Therefore different fabrication influences (gap width, Welding technique, structural stiffness etc.) were considered at 250 mm long and 15 mm thick samples. Based on the first part, the parameters for the second part, the investigation of the original geometry, were determined. It consists of altogether three sections that are connected by the considered block joint. The investigations were performed with welding simulations using a finite-element-model with which the results of the small specimens could be verified on the one hand and critical locations at the joint could be found and evaluated regarding the fracture strength on the other hand. The studies show that high residual stresses preferably occur in regions of high structural stiffness such as intersections with longitudinal stiffeners. In the subsequent operation of the vessel stress redistributions occur leading to a decreased residual stress level. The general statement of residual stresses being dangerous for a construction can not be confirmed. For the future assessment of the influence of residual stresses it is recommended to perform a welding simulation using a part model of the structural component which is additionally discussed in the thesis.
