Finite element simulation of residual stresses from welding and high frequency hammer peening

Abstract

The present doctoral dissertation focuses on the simulation of the residual stress state (RS) in steel weldments after their post-weld treatment with High Frequency Mechanical Impact (HFMI). Main goal is the establishment of an efficient engineering approach, which will include straightforward simulation models without compromising the accuracy, in order to estimate the RS field and enable a future evaluation of its influence on the fatigue life of the simulated components. The established approach should be applicable for both research and practical purposes. The Finite Element method is applied overall in the framework of the present study for the fulfilment of the research goal. Prior to the application of HFMI, significant welding residual stresses (WRS), which cannot be neglected, are present in the as-welded state. Although research on welding simulation with the FE method is ongoing since decades, the methodology for practical applications remains vague. Based on existing knowledge, the present study establishes a straightforward engineering approach that considers all significant aspects for the accurate estimation of the WRS, which is proven applicable for several materials. Subsequently, the influence of several practical and special aspects of welding simulation on the simulated RS such as the applied values for thermal expansion coefficient, welding sequence, modelling of boundary conditions, phase changes, size of the modelled heat source etc. is investigated with this model. Validation of the simulations is based on direct comparison of the simulated temperature and RS profiles with respective experimental measurements found either in literature or in a completed research project. Conclusions, which can act as a modelling guide for the engineering practice, are presented. The commercial general-purpose FE software ANSYS has been applied for all welding simulations. A similar approach is followed in the second part of the present research study, where modelling of HFMI is investigated. Once again, practical and special aspects of the HFMI simulation are considered. Amongst others, modelling of boundary conditions, density of HFMI treatment, scaling of components, applied values for the friction coefficient, material modelling and the influence of WRS are considered. Calibration of applied material models is carried out based on material testing from a completed research project and data from literature. Additionally, a series of drop tests for estimating the dynamic yielding behaviour of the investigated materials under the deformation mode present during HFMI treatment, are implemented for the first time. The present series of numerical investigations regarding HFMI either confirm or reject initial assumptions and conclusions from previous experimental and numerical studies. Additionally, new conclusions regarding the necessary aspects, which have to be considered or neglected, in order to achieve the desired accuracy, are proposed. The commercial general-purpose FE software LS-DYNA has been applied for all HFMI simulations. Finally, recommendations for future work are presented regarding both the above-mentioned main parts of the present study and the numerical investigations regarding fatigue in general.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην προσομοίωση της κατανομής παραμενουσών τάσεων (ΠΤ) σε συγκολλήσεις από χάλυβα μετά την επεξεργασία τους με Μηχανική Σφυρηλάτηση Υψηλής Συχνότητας (ΜΣΥΣ). Παρότι η θεματική της διδακτορικής διατριβής βρίσκεται στο μεταίχμιο της επιστήμης των υλικών, της μεταλλουργίας και της δομοστατική μηχανικής, η δημιουργία μιας αποτελεσματικής προσέγγισης προσομοίωσης με την ματιά του δομοστατικού μηχανικού, η οποία υιοθετεί μηχανικά μοντέλα χωρίς να υπονομεύεται η ακρίβειά των προσομοιωμάτων, προκειμένου να εκτιμηθούν οι παραμένουσες τάσεις και να διευκολυνθεί η μελλοντική αξιολόγηση της επίδρασής τους στην κόπωση των προσομοιωμένων κατασκευών, αποτελεί τον κύριο στόχο της εργασίας. Η προσέγγιση αυτή θα πρέπει να είναι εφαρμόσιμη τόσο για ερευνητικούς όσο και για πρακτικούς σκοπούς. Η μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων (ΠΣ) χρησιμοποιείται στο σύνολο της παρούσας διατριβής για την επίτευξη του ερευνητικού στόχου. Πριν από την εφαρμογή της ΜΣΥΣ, στις συγκολλήσεις παρουσιάζονται σημαντικές παραμένουσες τάσεις συγκόλλησης (ΠΤΣ), οι οποίες δεν μπορούν να αγνοηθούν. Παρόλο που η έρευνα για την προσομοίωση συγκόλλησης με τη μέθοδο των ΠΣ υπάρχει εδώ και δεκαετίες, η μεθοδολογία για πρακτικές εφαρμογές παραμένει ασαφής. Με βάση υπάρχουσα γνώση, η παρούσα εργασία θεσπίζει μια προσέγγιση, η οποία λαμβάνει υπόψη όλες τις σημαντικές παραμέτρους για την ακριβή εκτίμηση των ΠΤΣ, η οποία αποδεικνύεται εφαρμόσιμη για διάφορα υλικά. Στη συνέχεια, με αυτή την προσέγγιση εξετάζεται η επίδραση αρκετών πρακτικών και ειδικών παραμέτρων της συγκόλλησης στις προσομοιωμένες ΠΤΣ και παρουσιάζονται συμπεράσματα, τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν ως οδηγός επιτυχούς προσομοίωσης για τη μηχανική πράξη. Παρόμοια προσέγγιση ακολουθείται και στο δεύτερο μέρος της παρούσας ερευνητικής εργασίας, όπου εξετάζεται η προσομοίωση της ΜΣΥΣ. Πάλι, λαμβάνονται υπόψη πρακτικές και ειδικές παράμετροι εφαρμογής της ΜΣΥΣ. Η βαθμονόμηση των εφαρμοσμένων μοντέλων υλικών πραγματοποιείται βάσει δοκιμών υλικού από ένα ολοκληρωμένο ερευνητικό έργο και δεδομένα από τη βιβλιογραφία. Επιπλέον, για πρώτη φορά πραγματοποιούνται μια σειρά από δοκιμές πτώσης για την εκτίμηση της δυναμικής συμπεριφοράς των υπό μελέτη υλικών υπό την ταχύτητα παραμόρφωσης η οποία παρατηρείται κατά την εφαρμογή της ΜΣΥΣ. Οι σειρές αριθμητικών ερευνών για την ΜΣΥΣ επιβεβαιώνουν ή απορρίπτουν αρχικές υποθέσεις και συμπεράσματα από προηγούμενες πειραματικές και αριθμητικές μελέτες. Επιπλέον, προτείνονται νέα συμπεράσματα σχετικά με τις απαραίτητες πτυχές που πρέπει να ληφθούν υπόψη ή να παραλειφθούν, προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή ακρίβεια. Τέλος, παρουσιάζονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα που αφορούν τόσο τα παραπάνω κύρια μέρη της παρούσας δημοσίευσης όσο και τις αριθμητικές έρευνες που αφορούν την κόπωση των μεταλλικών κατασκευών γενικότερα.

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 Bestimmung 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 For-schungszieles angewendet. Die Schweißverbindungen im wie-geschweißten Zustand haben schon vor der Nachbehandlung signifikante Schweißeigenspannungen. Obwohl die Forschung 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 wichtigen Aspekte für die genaue Schätzung der Schweißeigenspannungen berücksichtigt 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 Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Schweißreihenfolge, die Modellierung der Randbedingungen, die Phasenumwandlungen, die Abmessungen der Wärmequelle usw. auf die gerechneten Eigenspannungen untersucht. Die Validierung der Simulationen basiert auf einem direkten Vergleich der simulierten Temperaturprofile und Eigenspannungen mit entsprechenden experimentellen Messungen, die entweder in der Literatur oder in einem abge-schlossenen Forschungsprojekt gefunden wurden. Es werden Schlussfolgerungen präsentiert, die als Modellierungsleitfaden 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 verfolgt, in der die FE-Modellierung des höherfrequenten Hämmerns HFH untersucht 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 Reibungskoeffizienten, 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 Werkstoffen durchgeführt. Die aktuelle Serie von numerischen Untersuchungen des HFH bestätigt entweder oder widerlegt Anfangsan-nahmen und Schlussfolgerungen aus früheren experimentellen und numerischen Untersuchungen. Zusätzlich werden neue Schlussfolgerungen bezüglich der notwendigen Aspekte 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.