TY - THES

T1 - Implementierung des lokalen Rissschließverhaltens in die numerische Rissfortschrittssimulation

AU - Gaugelhofer, Anna Juliana

N1 - nicht gesperrt

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Imperfektionen, welche sowohl im Volumen, als auch an der Oberfläche metallischer Komponenten auftreten können, rufen bei Belastung des Bauteils Spannungskonzentrationen hervor und stellen dadurch Initiationsstellen für Risse dar. Diese wirken sich negative auf die Lebensdauer von Bauteilen aus. In der industriellen Praxis erfolgt die Bewertung rissbehafteter Komponenten vielfach auf Basis der linear elastischen Bruchmechanik. Da Rissfortschrittsversuche zeitaufwändig und auch kostenintensiv sind, rücken numerische Rissfortschrittssimulationen in den Fokus industrieller Bemessungsprozesse.Die im Rahmen dieser Masterarbeit entwickelte Simulationskette bietet die Möglichkeit, lokales Rissschließverhalten einer zwei- und dreidimensionalen Rissgeometrie numerisch zu berechnen. Als Basis dafür dient die modifizierte NASGRO Gleichung, die das Kurzrisswachstum in der Berechnung der Rissfortschrittsrate berücksichtigt. Zur Validierung dieser Simulationskette wurden neun SENB Proben bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen von R = -1, 0 und 0,5 einem Rissfortschrittsversuch unterzogen. Die bruchmechanischen Materialparameter dienen als Inputparameter der Simulationskette und können über eine implementierte Benutzeroberfläche eingegeben werden. Die Simulationskette bietet hierbei nicht nur die Möglichkeit der automatisierten Berechnung von Spannungsintensitätsfaktoren und Rissfortschrittsraten, sondern auch die Durchführung von Parameterstudien an unterschiedlichen Rissgeometrien.Der Vergleich mit den realen Versuchen zeigt, dass die Simulation eine realistische Abschätzung bezogen auf den Rissfortschritt ermöglicht. Da es bei der Probenvorbereitung oft zu schiefen Rissfronten kommt, wurde eine Parameterstudie über den Einfluss der Schieflage von SENB-Anrissen auf den Rissfortschritt durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass der Einfluss der Winkellage im Langrissbereich durch einen sich einstellenden Ausgleich dieser kaum mehr vorhanden ist. Im Gegensatz dazu ist dieser im Kurzrissbereich ausgeprägter, was dazu führt, dass der Langrissschwellwert früher erreicht wird. Zur statistischen Anwendbarkeit wurden für die SENB-Versuche im Rahmen des CD-Labors für Fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung generalisierte bruchmechanische Materialparameter ermittelt. Es wurde festgestellt, dass es durch die Normalisierung der Bruchmechanikparameter zu konservativen Abschätzungen kommt, insbesondere bei negativen Spannungsverhältnissen. Die Integration des lokalen Rissschließens in der Bruchmechaniksimulation ermöglicht die numerische Lebensdauerberechnung defektbehafteter Gussbauteile.

AB - Imperfektionen, welche sowohl im Volumen, als auch an der Oberfläche metallischer Komponenten auftreten können, rufen bei Belastung des Bauteils Spannungskonzentrationen hervor und stellen dadurch Initiationsstellen für Risse dar. Diese wirken sich negative auf die Lebensdauer von Bauteilen aus. In der industriellen Praxis erfolgt die Bewertung rissbehafteter Komponenten vielfach auf Basis der linear elastischen Bruchmechanik. Da Rissfortschrittsversuche zeitaufwändig und auch kostenintensiv sind, rücken numerische Rissfortschrittssimulationen in den Fokus industrieller Bemessungsprozesse.Die im Rahmen dieser Masterarbeit entwickelte Simulationskette bietet die Möglichkeit, lokales Rissschließverhalten einer zwei- und dreidimensionalen Rissgeometrie numerisch zu berechnen. Als Basis dafür dient die modifizierte NASGRO Gleichung, die das Kurzrisswachstum in der Berechnung der Rissfortschrittsrate berücksichtigt. Zur Validierung dieser Simulationskette wurden neun SENB Proben bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen von R = -1, 0 und 0,5 einem Rissfortschrittsversuch unterzogen. Die bruchmechanischen Materialparameter dienen als Inputparameter der Simulationskette und können über eine implementierte Benutzeroberfläche eingegeben werden. Die Simulationskette bietet hierbei nicht nur die Möglichkeit der automatisierten Berechnung von Spannungsintensitätsfaktoren und Rissfortschrittsraten, sondern auch die Durchführung von Parameterstudien an unterschiedlichen Rissgeometrien.Der Vergleich mit den realen Versuchen zeigt, dass die Simulation eine realistische Abschätzung bezogen auf den Rissfortschritt ermöglicht. Da es bei der Probenvorbereitung oft zu schiefen Rissfronten kommt, wurde eine Parameterstudie über den Einfluss der Schieflage von SENB-Anrissen auf den Rissfortschritt durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass der Einfluss der Winkellage im Langrissbereich durch einen sich einstellenden Ausgleich dieser kaum mehr vorhanden ist. Im Gegensatz dazu ist dieser im Kurzrissbereich ausgeprägter, was dazu führt, dass der Langrissschwellwert früher erreicht wird. Zur statistischen Anwendbarkeit wurden für die SENB-Versuche im Rahmen des CD-Labors für Fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung generalisierte bruchmechanische Materialparameter ermittelt. Es wurde festgestellt, dass es durch die Normalisierung der Bruchmechanikparameter zu konservativen Abschätzungen kommt, insbesondere bei negativen Spannungsverhältnissen. Die Integration des lokalen Rissschließens in der Bruchmechaniksimulation ermöglicht die numerische Lebensdauerberechnung defektbehafteter Gussbauteile.

KW - Bruchmechanik

KW - Risswachstumssimulation

KW - lokale Rissschließeffekte

KW - Stahlguss

KW - fracture mechanics

KW - crack growth simulation

KW - local crack closure effect

KW - cast steel

M3 - Masterarbeit

ER -