Garnadt, Florian (2023)
Beschreibung der effektiven zyklischen Beanspruchungssituation im Nahfeld einer Rissspitze für elastisch-plastisches Materialverhalten.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026457
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Mit den gestiegenen Anforderungen im Maschinenbau hinsichtlich einer optimalen Ausnutzung der Potentiale von Konstruktionswerkstoffen geht die Entwicklung von Konzepten zur Lebensdauerbewertung von Komponenten einher. Die Bewertung von Rissen spielt dabei eine übergeordnete Rolle. Neben der Initiierung von Rissen als Schadenskriterium kann nach schadenstoleranten Auslegungsphilosophien das Wachstum von Rissen bis zu technisch relevanten Größen in die Bewertung miteinbezogen werden. Die Beschreibung von Risswachstum ist daher für die Lebensdauerbewertung von Komponenten von zentraler Bedeutung. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf metallischen Werkstoffen, die ein ausgeprägtes elastisch-plastisches Verhalten aufweisen. Die Arbeit folgt der Philosophie, dass die Beanspruchung in der Nähe der Rissspitze die Mechanismen der zyklischen Rissausbreitung kontrollieren und durch diese die Rissfortschrittsrate determiniert ist. Allerdings ist je nach Geometrie und Beanspruchungssituation einer zu bewertenden Struktur die Aufgabe der Ermittlung dieser lokalen, an der Rissspitze wirkenden Beanspruchung nicht trivial. Wie die Literatur zeigt, stehen verschiedene Parameter, wie z.B. das J-Integral, zur Quantifizierung der Intensität des Nahfelds zur Verfügung. Ein in der Literatur häufig beschriebener globaler Ansatz, um einen Parameter in Anlehnung an das J-Integral für zyklische Beanspruchungen unter Berücksichtigung von Rissschließen zu ermitteln, stellt den Ausgangspunkt der durchgeführten Arbeiten dar. Die Motivation dieser Dissertation ist zum einen die Einschränkungen dieses Ansatzes zu überwinden und zum anderen eine physikalische Interpretation des Parameters zu liefern. Die Arbeiten umfassen die Simulation einer zyklisch beanspruchten Struktur mit Riss durch die Finite Elemente Methode zur Analyse der Eigenschaften verschiedener Auswertungsmethoden. Zudem findet eine Weiterentwicklung von lokalen Methoden statt, um zyklische Beanspruchungen und Rissschließen adäquat berücksichtigen zu können. Wie die Untersuchungen zeigen, lassen sich die Ziele durch die Anwendung der Gebietsintegralmethode sowie des Konzepts der Konfigurationskräfte erreichen, falls eine separate Betrachtung des auf- und absteigenden Hysteresehalbasts stattfindet. Dazu sind alle Feldgrößen für den aufsteigenden Hysteresehalbast auf den Rissöffnungszeitpunkt und für den absteigenden Hysteresehalbast auf den oberen Lastumkehrpunkt zu referenzieren. Der Effektivwert des zyklischen J-Integrals ergibt sich durch Integration bis zum Rissschließzeitpunkt. Die Ergebnisse aller analysierten lokalen Methoden sind durch dieses Vorgehen in guter Näherung wegunabhängig und stimmen daher mit dem Ergebnis des globalen Ansatzes näherungsweise überein. Mittels des Konzepts der Konfigurationskräfte und der Analyse verschiedener möglicher relevanter plastischer Zonen zeigt sich, dass sich das zyklische effektive J-Integral als treibende Kraft für die Bewegung der Rissspitze in Kombination mit der aktiven plastischen Zone interpretieren lässt. Die Dissertation beleuchtet diese Interpretation vor dem Hintergrund von small scale yielding Bedingungen und geht auf die Herausforderungen und mögliche Lösungen im Fall von large scale yielding Bedingungen ein. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die berechneten zyklischen effektiven J-Integrale zur Beschreibung der Beanspruchungssituation im Nahfeld der Rissspitze geeignet sind. Innerhalb dieser Arbeit ist somit ein lokales Konzept entstanden, welches die Berechnung eines Intensitätsparameters für zyklische Beanspruchungen eines Risses in einem elastisch-plastischen Material ermöglicht. Dadurch kann, ohne den Einschränkungen des globalen Ansatzes zu unterliegen, prinzipiell für beliebige Geometrien und Beanspruchungsszenarien das Wachstum von Rissen in metallischen Werkstoffen beschrieben werden.

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