Finite Element Simulation of Residual Stresses from Welding and High Frequency Hammer Peening

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der numerischen Simulation der Eigenspannungen von Schweißverbindungen nach ihrer Behandlung mit dem höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH). Hauptziel ist die Entwicklung eines effizienten Inngenieurkonzeptes, das praxisorientierte Modelle einschließt, ohne die Genauigkeit der Ergebnisse zu beeinträchtigen. Es soll die Bestim-mung des Einflusses der Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit der simulierten Bauteile ermöglichen. Der entwickelte Ansatz sollte sowohl für Forschungszwecke als auch für praktische Zwecke anwendbar sein. In Rahmen der vorliegenden Studie wird die Finite-Elemente-Methode für die Erfüllung des aktuellen Forschungszieles angewendet. Die Schweißverbindungen im wie-geschweißten Zustand haben schon vor der Nachbehandlung signifikante Schweißeigenspannungen. Obwohl die For-schung zum Thema Schweißsimulation schon seit Jahrzehnten betrieben wird, bleibt die Methodik für ihre praktische Anwendung unklar. Basierend auf dem vorhandenen Wissen wird in der vorliegenden Studie ein technischer Ansatz für die genaue Simulation des Lichtbogenschweißens entwickelt, der alle wich-tigen Aspekte für die genaue Schätzung der Schweißeigenspannungen berück-sichtigt und erwiesenermaßen für mehrere Materialien anwendbar ist. Mithilfe dieses Modells wurde der Einfluss einiger praktischer oder spezieller Aspekte der Schweißsimulation, wie z.B. die verwendeten Werte des Wärmeausdeh-nungskoeffizienten, die Schweißreihenfolge, die Modellierung der Randbedin-gungen, die Phasenumwandlungen, die Abmessungen der Wärmequelle usw. auf die gerechneten Eigenspannungen untersucht. Die Validierung der Simula-tionen basiert auf einem direkten Vergleich der simulierten Temperaturprofile und Eigenspannungen mit entsprechenden experimentellen Messungen, die entweder in der Literatur oder in einem abgeschlossenen Forschungsprojekt gefunden wurden. Es werden Schlussfolgerungen präsentiert, die als Modellie-rungsleitfaden für die Ingenieurpraxis dienen können. Die kommerzielle FE-Software ANSYS wurde für alle Schweißsimulationen angewendet. Ein ähnlicher Ansatz wird im zweiten Teil der vorliegenden Doktorarbeit ver-folgt, in der die FE-Modellierung des höherfrequenten Hämmerns HFH unter-sucht wird. Auch hier werden praktische und spezielle Aspekte der HFH-Simulation betrachtet. Unter anderen werden berücksichtigt: die Modellierung der Randbedingungen, die Überlappung von HFH-Schlägen, die Skalierung von Bauteilen in der Simulation, die angewendeten Werte für den Reibungskoeffi-zienten, die Werkstoffgesetze und der Einfluss der Schweißeigenspannungen. Die Kalibrierung der verwendeten Werkstoffgesetze erfolgt mithilfe von der Werkstoffcharakterisierung aus einem abgeschlossenen Projekt und von Daten aus der Literatur. Darüber hinaus wurde eine Reihe von Fallversuchen für die Bestimmung der dynamischen Streckgrenze von den untersuchten Werkstof-fen durchgeführt. Die aktuelle Serie von numerischen Untersuchungen des HFH bestätigt entweder oder widerlegt Anfangsannahmen und Schlussfolge-rungen aus früheren experimentellen und numerischen Untersuchungen. Zusätzlich werden neue Schlussfolgerungen bezüglich der notwendigen Aspek-te vorgeschlagen, die zu berücksichtigen sind, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Die kommerzielle FE-Software LS Dyna wird für alle HFH-Simulationen angewendet. Abschließend werden Empfehlungen für zukünftige Untersuchungen zu den oben genannten Hauptthemen der vorliegenden Doktorarbeit sowie zum Gebiet Ermüdung und FE-Simulationen im Allgemeinen gegeben

Finite Element Simulation of Residual Stresses from Welding and High Frequency Hammer Peening

Research goal of the present monograph is the establishment of an efficient engineering approach, which will include straightforward but accurate simulation models, in order to estimate the residual stress fields of welded joints introduced during welding and their post-weld treatment with High Frequency Hammer Peening. The present subject lies on the intersection of structural engineering, material science and computational mechanics

Calibration of High-Frequency Mechanical Impact Simulation Based on Drop Tests

A series of drop tests was implemented in the present study in order to allow the reproduction of a single impact identical to the high frequency mechanical impact (HFMI) under monitored conditions in the laboratory. Therewith, characterization of the investigated material’s mechanical behavior by explicitly considering possible irregularities concerning the present deformation modes would be enabled. Main goal was the determination of the investigated material’s dynamic yield stress for various strain rates inside the spectrum of interest, so that the Cowper–Symonds viscous material model would be calibrated for the subsequent HFMI simulation. The values of the dynamic yield stress extracted by the present drop tests show good agreement with other experimental methods regarding the investigated material S355. The introduction of the calibrated material behavior on the present drop tests in the finite element (FE) analysis of HFMI led to reduced preciseness though, in comparison with the FE analysis, which considered high strain rate tensile tests found in literature. A series of conclusions was drawn from both the experimental and numerical investigations, confirming most of the initial expectations. Further work is proposed, in order to clarify an incompatibility met during the numerical investigations

A pseudothermal approach for simulating the residual stress field caused by shot blasting

Industrial practice often prescribes cleaning of steel surfaces prior to welding with shot blasting. Shot blasted components have been considered free of residual stresses. Hence, recent studies show that these residual stresses from mechanical surface treatments are not negligible. A simulation of the surface treatments and their mechanical effect in full scale though, is not possible under modern computational capabilities. Instead, a straightforward, pseudothermal approach is proposed and tested in the present study, in order to introduce an initial residual stress field from shot blasting by application of thermal strains. This engineering concept is applied for validation reasons on a small-scale specimen, where a measured profile of residual stresses from shot blasting is simulated with preciseness. Subsequently a component with dimensions of real weldments is modelled, so that simplifications reducing the computational time to acceptable levels can be derived