TY - THES

T1 - Numerische Simulation des Risswachstums mit dem Kohäsivzonenmodell: Untersuchungen für Stahl, Polyethylen und Polyethylenverbunde

AU - Janko, Marian

N1 - gesperrt bis 02-06-2015

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - In dieser Diplomarbeit wird mithilfe des Kohäsivzonenmodells im Finite-Elemente-Programm ABAQUS Risswachstum in Stahl, Polyethylen und Polyethylenverbunden simuliert und analysiert. Bei dem Kohäsivzonenmodell handelt es sich um einen bruchmechanischen Ansatz, der zur numerischen Simulation von Risswachstum verwendet wird. Zwei wesentliche Parameter sind dabei die Kohäsivenergie und die Kohäsivfestigkeit. Um die Anwendbarkeit und Aussagekraft des Ansatzes zu überprüfen, wird Risswachstum in einem Stahl simuliert, für den bereits experimentelle Daten vorliegen. Diese Simulation zeigt sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Bei der Optimierung des Modells kam es durch starke Verformungen im Bereich der Rissspitze zu Problemen bei der Initiierung des Risswachstums, welche sich bei den Simulationen mit den beiden untersuchten Polyethylentypen nicht ergaben. Es zeigte sich, dass die unterschiedlichen Relationen der Kohäsivfestigkeit zum Werkstoffgesetz der beiden untersuchten Materialgruppen dafür verantwortlich sind. Die erforderliche Kohäsivfestigkeit wird im Stahl im Gegensatz zu den Polyethylentypen erst bei sehr großer Dehnung erreicht. Durch eine Verdreifachung der verwendeten Kohäsivzonenelemente konnte dieses Problem gelöst werden. Die Polyethylentypen (PE1, PE2), in denen Risswachstum simuliert wurde, unterscheiden sich im Werkstoffgesetz, der Kohäsivenergie und der Kohäsivfestigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass das PE1 größeren Widerstand gegen die Initiierung von Risswachstum leistet als PE2. Dies ist hauptsächlich auf die höhere Kohäsivenergie des PE1 zurückzuführen. Zur Charakterisierung des Risswachstums in Polyethylenverbunden wurde ein Bimaterialmodell erstellt, wobei die Grenzfläche zwischen den beiden Polyethylentypen normal zur Rissausbreitungsrichtung steht und als perfekt angenommen wird. Werden die Polyethylentypen dabei so kombiniert, dass der ursprüngliche Riss in PE1 liegt und in Richtung PE2 wächst, tritt unter Belastung starkes, abruptes Risswachstum im Bereich der Grenzfläche auf. Bei umgekehrter Anordnung der Polyethylentypen tritt die Initiierung des Risswachstums früher ein, wobei der wachsende Riss unter steigender Belastung kurzzeitig an der Grenzfläche stoppt. Diese Untersuchungen zeigen, dass das Risswachstumsverhalten in diesen Polyethylenverbunden stark von deren Anordnung abhängt. Die Arbeit zeigt den starken Einfluss der Materialgesetze und Kohäsivzonenparameter der unterschiedlichen Werkstoffe auf die Modellierung, Initiierung und das Verhalten von Risswachstum in homogenen Materialien, sowie in Verbunden.

AB - In dieser Diplomarbeit wird mithilfe des Kohäsivzonenmodells im Finite-Elemente-Programm ABAQUS Risswachstum in Stahl, Polyethylen und Polyethylenverbunden simuliert und analysiert. Bei dem Kohäsivzonenmodell handelt es sich um einen bruchmechanischen Ansatz, der zur numerischen Simulation von Risswachstum verwendet wird. Zwei wesentliche Parameter sind dabei die Kohäsivenergie und die Kohäsivfestigkeit. Um die Anwendbarkeit und Aussagekraft des Ansatzes zu überprüfen, wird Risswachstum in einem Stahl simuliert, für den bereits experimentelle Daten vorliegen. Diese Simulation zeigt sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Bei der Optimierung des Modells kam es durch starke Verformungen im Bereich der Rissspitze zu Problemen bei der Initiierung des Risswachstums, welche sich bei den Simulationen mit den beiden untersuchten Polyethylentypen nicht ergaben. Es zeigte sich, dass die unterschiedlichen Relationen der Kohäsivfestigkeit zum Werkstoffgesetz der beiden untersuchten Materialgruppen dafür verantwortlich sind. Die erforderliche Kohäsivfestigkeit wird im Stahl im Gegensatz zu den Polyethylentypen erst bei sehr großer Dehnung erreicht. Durch eine Verdreifachung der verwendeten Kohäsivzonenelemente konnte dieses Problem gelöst werden. Die Polyethylentypen (PE1, PE2), in denen Risswachstum simuliert wurde, unterscheiden sich im Werkstoffgesetz, der Kohäsivenergie und der Kohäsivfestigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass das PE1 größeren Widerstand gegen die Initiierung von Risswachstum leistet als PE2. Dies ist hauptsächlich auf die höhere Kohäsivenergie des PE1 zurückzuführen. Zur Charakterisierung des Risswachstums in Polyethylenverbunden wurde ein Bimaterialmodell erstellt, wobei die Grenzfläche zwischen den beiden Polyethylentypen normal zur Rissausbreitungsrichtung steht und als perfekt angenommen wird. Werden die Polyethylentypen dabei so kombiniert, dass der ursprüngliche Riss in PE1 liegt und in Richtung PE2 wächst, tritt unter Belastung starkes, abruptes Risswachstum im Bereich der Grenzfläche auf. Bei umgekehrter Anordnung der Polyethylentypen tritt die Initiierung des Risswachstums früher ein, wobei der wachsende Riss unter steigender Belastung kurzzeitig an der Grenzfläche stoppt. Diese Untersuchungen zeigen, dass das Risswachstumsverhalten in diesen Polyethylenverbunden stark von deren Anordnung abhängt. Die Arbeit zeigt den starken Einfluss der Materialgesetze und Kohäsivzonenparameter der unterschiedlichen Werkstoffe auf die Modellierung, Initiierung und das Verhalten von Risswachstum in homogenen Materialien, sowie in Verbunden.

KW - Kohäsivzonenmodell Risswachstum Polyethylenverbunde

KW - cohesive zone model crack growth polyethylene composites

M3 - Masterarbeit

ER -