FEM-analyse van lasverbindingen: waar moet u rekening mee houden?

Lasverbindingen spelen een belangrijke rol in de sterkte en betrouwbaarheid van constructies. Ze zorgen ervoor dat onderdelen krachten kunnen overdragen, maar vormen tegelijkertijd plaatsen waar hoge spanningen kunnen ontstaan. Vooral bij complexe geometrieën of wisselende belastingen is het belangrijk om de sterkte van een lasverbinding goed te beoordelen. Met een FEM-analyse van lasverbindingen krijgt u inzicht in de krachtsverdeling, spanningsconcentraties en mogelijke zwakke plekken van een constructie. Daarbij zijn onder andere de lasgeometrie, materiaaleigenschappen, belastingen en gekozen rekenmethode van belang. Een zorgvuldig uitgevoerde analyse helpt om te bepalen of een verbinding aan de gestelde eisen voldoet en waar eventuele aanpassingen nodig zijn.

Waarom een FEM-analyse van lasverbindingen uitvoeren?

Bij een traditionele lasberekening wordt de sterkte van een verbinding bepaald aan de hand van de aangebrachte krachten, lasafmetingen en geldende rekenregels. Voor relatief eenvoudige verbindingen kan deze methode voldoende zijn.
Bij complexere constructies is de belasting echter niet altijd gelijkmatig over de las verdeeld. Denk aan verbindingen waarbij meerdere onderdelen samenkomen, excentrische krachten optreden of grote verschillen in stijfheid aanwezig zijn.
Een FEM-analyse maakt het mogelijk om het gedrag van de volledige constructie onder belasting te onderzoeken. De eindige-elementenmethode verdeelt een constructie in kleinere elementen, waarmee spanningen, vervormingen en krachtsverdelingen numeriek worden berekend.
Hierdoor kan een engineer nauwkeuriger beoordelen hoe de krachten via de lasverbindingen worden overgedragen. De resultaten kunnen vervolgens worden gebruikt voor een gerichte sterkteberekening en beoordeling van de verbinding.

Welke factoren beïnvloeden de sterkte van een lasverbinding?

De betrouwbaarheid van een FEM-analyse hangt sterk af van de manier waarop de verbinding wordt gemodelleerd. Daarbij verdienen verschillende eigenschappen bijzondere aandacht.

Lasgeometrie en afmetingen

De vorm en afmetingen van een las bepalen mede hoeveel belasting de verbinding kan overdragen. Een hoeklas heeft bijvoorbeeld andere eigenschappen dan een stompe las. Ook de effectieve keelhoogte, laslengte en positie van de las beïnvloeden de spanningsverdeling.
Bij het opstellen van een FEM-model moet worden bepaald hoeveel detail nodig is. Soms volstaat een vereenvoudigde verbinding om de krachtsverdeling te berekenen. In andere situaties moet de lasgeometrie nauwkeuriger worden weergegeven om lokale spanningen te kunnen beoordelen.

Materiaaleigenschappen en warmte-invloed

Naast de geometrie spelen de eigenschappen van het materiaal een belangrijke rol. Denk aan de elasticiteitsmodulus, vloeigrens en treksterkte van het moedermateriaal en het lasmetaal.
Tijdens het lassen wordt het materiaal plaatselijk sterk verwarmd en vervolgens afgekoeld. Hierdoor kan een warmte-beïnvloede zone ontstaan waarin de materiaaleigenschappen afwijken van het oorspronkelijke materiaal.
Ook kunnen restspanningen en vervormingen optreden. Afhankelijk van de toepassing en het doel van de berekening moet worden beoordeeld of deze effecten expliciet in het FEM-model moeten worden meegenomen.

Spanningsconcentraties bij lasverbindingen beoordelen

Een belangrijk aandachtspunt bij de FEM-analyse van lasverbindingen is het ontstaan van spanningsconcentraties. Deze treden vooral op bij abrupte geometrische overgangen, zoals de overgang tussen de las en het moedermateriaal.
Op deze plaatsen kunnen de lokale spanningen aanzienlijk hoger zijn dan de gemiddelde spanning in de constructie. Dat betekent niet automatisch dat de verbinding onvoldoende sterk is. De uitkomsten moeten worden beoordeeld aan de hand van een geschikte rekenmethode en de bijbehorende toelaatbare waarden.
Ook de kwaliteit van het FEM-model speelt hierbij een rol. Een te grove mesh kan plaatselijke spanningsverschillen onvoldoende weergeven. Een zeer fijne mesh kan daarentegen extreme spanningspieken opleveren bij scherpe hoeken of geïdealiseerde verbindingen.
Daarom is het belangrijk om niet uitsluitend naar de hoogste berekende spanning te kijken. De locatie van de spanning, de gebruikte elementgrootte en de gekozen beoordelingsmethode bepalen mede hoe de resultaten moeten worden geïnterpreteerd.
Meer hierover leest u in het artikel hoe interpreteert u de resultaten van een FEM-analyse?.

Statische belasting en vermoeiing van lasverbindingen

Niet iedere lasverbinding wordt op dezelfde manier belast. Het onderscheid tussen statische en wisselende belasting is belangrijk voor de beoordeling van de constructieve veiligheid.
Bij een statische belasting wordt onderzocht of de verbinding voldoende weerstand biedt tegen de optredende krachten. Daarbij wordt onder andere gekeken naar trekspanningen, schuifspanningen en de gecombineerde belasting van de las.
Bij wisselende belastingen speelt ook vermoeiing een rol. Door herhaaldelijke belasting kunnen kleine scheuren ontstaan en geleidelijk doorgroeien. Dit kan uiteindelijk tot bezwijken leiden, ook wanneer de maximale spanning onder de vloeigrens van het materiaal blijft.
Vooral lasovergangen en andere plaatsen met spanningsconcentraties zijn hierbij kritisch. Een vermoeiingsanalyse richt zich daarom niet alleen op de maximale spanning, maar ook op de spanningswisselingen en het aantal belastingcycli.
Afhankelijk van de constructie en de geldende normen kunnen verschillende beoordelingsmethoden worden toegepast. Voorbeelden zijn de nominale-spanningsmethode en de hot-spot-spanningsmethode, waarbij lokale structurele spanningen nabij de las worden beoordeeld.

Welke rol spelen randvoorwaarden bij een lasberekening?

Een FEM-model kan alleen bruikbare resultaten opleveren wanneer de ingevoerde belastingen en randvoorwaarden aansluiten op de praktijksituatie.
Bij lasverbindingen is vooral de manier waarop onderdelen met elkaar worden verbonden van belang. Een volledig star gemodelleerde verbinding kan bijvoorbeeld een andere krachtsverdeling veroorzaken dan een verbinding met een realistische stijfheid.
Daarnaast moet rekening worden gehouden met de richting en aangrijpingspunten van de belastingen. Trek, druk, buiging en torsie kunnen afzonderlijk of gecombineerd optreden. Vooral bij excentrische belasting kunnen plaatselijk hogere spanningen ontstaan.
Het is daarom belangrijk om vooraf de relevante belastingsituaties vast te leggen. Ook moeten de reactiekrachten en vervormingen worden gecontroleerd om te beoordelen of het model zich gedraagt zoals verwacht.

Hoe worden de resultaten van een FEM-analyse gecontroleerd?

Na het uitvoeren van een FEM-analyse moeten de berekende resultaten technisch worden beoordeeld. Een spanningsplot laat zien waar hoge spanningen optreden, maar geeft op zichzelf nog geen volledig oordeel over de veiligheid van een lasverbinding.
Een engineer controleert onder andere of de krachten correct worden overgedragen en of de vervormingen realistisch zijn. Ook wordt beoordeeld of lokale spanningspieken het gevolg zijn van de constructie of van vereenvoudigingen in het model.
Bij kritieke verbindingen kan een mesh-convergentiestudie nodig zijn. Hierbij wordt onderzocht of een verdere verfijning van het rekenmodel nog invloed heeft op de relevante resultaten.
Vervolgens worden de berekende spanningen of krachten getoetst aan de toepasselijke normen en ontwerpeisen. Voor stalen constructies kunnen bijvoorbeeld NEN-EN 1993-1-8 voor verbindingen en NEN-EN 1993-1-9 voor vermoeiing relevant zijn.
De keuze voor de juiste norm en beoordelingsmethode hangt af van het type constructie, de toepassing en de belastingsituatie.

Wanneer is een FEM-analyse van lasverbindingen nodig?

Niet iedere lasverbinding vraagt om een uitgebreide numerieke analyse. Bij eenvoudige verbindingen met een overzichtelijke belasting kan een conventionele lasberekening voldoende zijn.
Een FEM-analyse biedt vooral meerwaarde wanneer de krachtsverdeling niet eenvoudig met standaardberekeningen kan worden bepaald. Dit geldt bijvoorbeeld voor complexe machineframes, zwaarbelaste staalconstructies en gelaste onderdelen die worden blootgesteld aan wisselende krachten.
Ook bij het optimaliseren van bestaande constructies kan FEM waardevol zijn. Door verschillende ontwerpvarianten door te rekenen, kan worden onderzocht hoe wijzigingen in lasposities, plaatdiktes of verstijvingen de belasting van de verbinding beïnvloeden.
Daarmee is een FEM-analyse niet alleen een hulpmiddel om de sterkte van lasverbindingen te controleren, maar ook om constructies doelgericht te verbeteren.

FEM-analyse van lasverbindingen door HIH Engineering

Een betrouwbare beoordeling van lasverbindingen vraagt om meer dan alleen een numerieke berekening. De gekozen modellering, belastingsituaties en interpretatie van de resultaten moeten aansluiten op het werkelijke gedrag van de constructie.
HIH Engineering voert FEM-analyses en sterkteberekeningen uit voor uiteenlopende constructies in onder andere de machinebouw, industrie en offshore. Daarbij worden niet alleen de berekende spanningen onderzocht, maar ook de krachtsverdeling en de geldende constructieve eisen.
Wilt u de sterkte van een lasverbinding laten beoordelen of onderzoeken of een bestaand ontwerp kan worden geoptimaliseerd? Bekijk de mogelijkheden voor een FEM-analyse.

 

Ga terug