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Numerical fatigue life analysis of a high frequency mechanical impact treated industrial component based on damage mechanics models

Numerische Lebensdauerprognose eines mittels Hochfrequenzhämmern behandelten industriellen Bauteils basierend auf schädigungsmechanischen Modellen
 
: Schubnell, J.; Farajian, M.; Däuwel, T.; Shin, Y.

:

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 49 (2018), Nr.1, S.113-127
ISSN: 0933-5137
ISSN: 1521-4052
Englisch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IWM ()
fatigue; welding; residual stress; high frequency mechanical impact (HFMI); finite element analysis (FEA)

Abstract
After post weld treatment with high frequency mechanical impact (HFMI) treatment of welds, a significant increase of fatigue life (up to a factor of 10) can be achieved. During the last years numerous experimental tests of welded joints with simple geometry under constant amplitude loading have been performed to quantify the positive effect of high frequency mechanical impact treatment. Due to the lack of methods for the prediction of the high frequency mechanical impact benefits, a widespread use of this process is not the case yet. Furthermore, it is still not clear if the results of these fatigue tests can be transferred to complex geometries and complex loading conditions such as in industrial applications. Therefore, an approach to assess the fatigue life of complex welded structures under variable amplitude loading was developed. For this purpose, high frequency mechanical impact treatment and fatigue load of simple welded specimen made of S690QL steel were simulated with finite element analysis (FEA) firstly. Then, the needed damage parameters for the fatigue life correlation were evaluated from the finite element post-processing. The calculated life time to crack initiation was in good agreement with the experimental fatigue test results. In the next step, this procedure was implemented on a welded arm of an evacuator of type EW180B of the company Volvo Construction Equipment made of S700MC. The variable amplitude load measured under real service condition was transferred to single constant amplitude load cycles using a rainflow-counting algorithm. By simulation and damage mechanics evaluation of each load cycle the total damage sum could be calculated and compared with the experimental results from Volvo Construction Equipment.

 

Nach einer Schweißnahtnachbehandlung mittels Hochfrequenzhämmern (engl. high frequency mechanical impact treatment (HFMI)) kann eine signifikante Lebensdauerverlängerung des Bauteils (bis zu einem 10‐fachen) festgestellt werden. Während der letzten Jahre wurde dieser positive Effekt vielfach experimentell mit einfachen Probengeometrien und einer Belastung mit konstanter Amplitude nachgewiesen. Da bisher keine zuverlässigen Methoden existieren um den Effekt einer Behandlung vorherzusagen, wird das Verfahren in der industriellen Produktion bisher kaum angewendet. Des Weiteren ist es nicht geklärt ob die Resultate einfacher Ermüdungsversuche ohne weiteres auf komplexe Bauteile und Lastfälle, wie sie in der industriellen Praxis in der Regel vorkommen, übertragen werden können. An dieser Stelle wird deshalb ein Vorgehen zur Quantifizierung des Lebensdauergewinns der High‐Frequency‐Mechanical‐Impact‐Behandlung vorgestellt und an komplexen Bauteilen unter Belastung mit variabler Amplitude getestet. Im Vorfeld der Arbeit wurde daher zuerst die High‐Frequency‐Mechanical‐Impact‐Behandlung und die Ermüdungsbelastung einfacher, geschweißter Proben aus S690QL Stahl mittels Finite‐Elemente‐Methode simuliert. Danach erfolgte die Ableitung von schädigungsmechanischen Parametern für eine direkte Lebensdauerkorrelation basierend auf dem Finite‐Elemente‐Postprocessing. Diese prognostizierten Lebensdauervorhersagen stimmten mit hoher Genauigkeit mit dem experimentellen Werten überein. Im nächsten Schritt wurde dieses Vorgehen auf einen komplexen, geschweißten Baggerarm des Radbaggers EW180B der Firma Volvo Construction Equipment, gefertigt aus S700MC, übertragen. Die Belastung mit variabler Amplitude wurde mittels eines Rainflow‐Counting Algorithmus in einzelne Lastzyklen mit konstanter Amplitude überführt. Durch Simulation und schädigungsmechanische Auswertung jedes einzelnen Lastzyklus konnte schließlich eine Schädigungssumme errechnet und mit den experimentellen Ergebnissen von Volvo Construction Equipment abgeglichen werden.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-487735.html