TY - THES

T1 - Bruchmechanische Bewertung defektbehafteter Gussbauteile mittels numerischer und analytischer Methoden

AU - Pusterhofer, Stefan

N1 - gesperrt bis 05-09-2023

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Die Ermüdungsfestigkeit von Gussbauteilen wird wesentlich durch innenliegende Imperfektionen, wie beispielsweise Poren oder intermetallische Phasen, sowie durch die Kerbschärfe der Gusshaut beeinflusst. Diese wirken wie geometrische Kerben und verursachen eine lokale Spannungsüberhöhung, welche unter zyklischer Beanspruchung zu einer Schädigung des Materials durch Initiierung eines Ermüdungsrisses führen können. Für die Charakterisierung derartiger geometrischer Ungänzen hat sich vor allem das Konzept nach Murakami bewährt, wobei die 2D-projizierte Defektkontur normal zur Beanspruchungsrichtung als ebener Riss betrachtet und durch einen Spannungsintensitätsfaktor bewertet wird. In der analytischen Berechnung der Spannungssingularität fließt ein dimensionsloser Geometriefaktor ein, welcher die Form und Lage des rissähnlichen Defektes berücksichtigt. Ebenso ist eine fundierte Evaluierung des bruchmechanischen Materialverhaltens hinsichtlich des Aufbaus von Rissschließeffekten und Wachstums notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von numerischen Analysen mit Hilfe der Softwarepakete ABAQUS und FRANC3D, eine Parameterstudie für eine bruchmechanische Bewertung von Gussdefekten zu liefern. Anhand umfangreicher numerischer Studien werden analytische Lösungen von Geometriefaktoren für einfachere Anwendungsfälle ergänzt, wobei zusätzliche Form- und Lageparameter für die Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren berücksichtigt werden. Es konnte festgestellt werden, dass vor allem der Abstand zur Oberfläche einen wesentlichen Einfluss auf die maximale vorliegende Spannungssingularität an der Rissfront aufweist. Daraus folgt, dass eine Vernachlässigung des Randeinflusses zu einer nicht-konservativen Abschätzung der Rissinitiierung führen kann. Ein weiterer Teil der Untersuchungen ist die Auswertung von bruchmechanischen Versuchen an SENB-Proben zur Erfassung der Materialparameter. Die Variation der Aufbaulänge der rauhigkeits- und oxidinduzierten Rissschließeffekte zeigt, dass eine Vernachlässigung dieser Mechanismen in einer ebenfalls nicht-konservativen Lebensdauervorhersage resultiert. Durch die Analyse von Initialrissen gleicher Fläche, jedoch unterschiedlicher Form- und Lage, konnte die Auswirkung auf das Risswachstum bewertet werden. Aus der Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse geht hervor, dass die Defektkontur nicht nur einen Einfluss auf die Rissinitiierung, sondern auch auf die Lebensdauer hat, wodurch die in dieser Arbeit umfassend numerisch evaluierten Geometriefaktoren einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Genauigkeit bruchmechanischer Auslegung liefern.

AB - Die Ermüdungsfestigkeit von Gussbauteilen wird wesentlich durch innenliegende Imperfektionen, wie beispielsweise Poren oder intermetallische Phasen, sowie durch die Kerbschärfe der Gusshaut beeinflusst. Diese wirken wie geometrische Kerben und verursachen eine lokale Spannungsüberhöhung, welche unter zyklischer Beanspruchung zu einer Schädigung des Materials durch Initiierung eines Ermüdungsrisses führen können. Für die Charakterisierung derartiger geometrischer Ungänzen hat sich vor allem das Konzept nach Murakami bewährt, wobei die 2D-projizierte Defektkontur normal zur Beanspruchungsrichtung als ebener Riss betrachtet und durch einen Spannungsintensitätsfaktor bewertet wird. In der analytischen Berechnung der Spannungssingularität fließt ein dimensionsloser Geometriefaktor ein, welcher die Form und Lage des rissähnlichen Defektes berücksichtigt. Ebenso ist eine fundierte Evaluierung des bruchmechanischen Materialverhaltens hinsichtlich des Aufbaus von Rissschließeffekten und Wachstums notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von numerischen Analysen mit Hilfe der Softwarepakete ABAQUS und FRANC3D, eine Parameterstudie für eine bruchmechanische Bewertung von Gussdefekten zu liefern. Anhand umfangreicher numerischer Studien werden analytische Lösungen von Geometriefaktoren für einfachere Anwendungsfälle ergänzt, wobei zusätzliche Form- und Lageparameter für die Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren berücksichtigt werden. Es konnte festgestellt werden, dass vor allem der Abstand zur Oberfläche einen wesentlichen Einfluss auf die maximale vorliegende Spannungssingularität an der Rissfront aufweist. Daraus folgt, dass eine Vernachlässigung des Randeinflusses zu einer nicht-konservativen Abschätzung der Rissinitiierung führen kann. Ein weiterer Teil der Untersuchungen ist die Auswertung von bruchmechanischen Versuchen an SENB-Proben zur Erfassung der Materialparameter. Die Variation der Aufbaulänge der rauhigkeits- und oxidinduzierten Rissschließeffekte zeigt, dass eine Vernachlässigung dieser Mechanismen in einer ebenfalls nicht-konservativen Lebensdauervorhersage resultiert. Durch die Analyse von Initialrissen gleicher Fläche, jedoch unterschiedlicher Form- und Lage, konnte die Auswirkung auf das Risswachstum bewertet werden. Aus der Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse geht hervor, dass die Defektkontur nicht nur einen Einfluss auf die Rissinitiierung, sondern auch auf die Lebensdauer hat, wodurch die in dieser Arbeit umfassend numerisch evaluierten Geometriefaktoren einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Genauigkeit bruchmechanischer Auslegung liefern.

KW - Gussbauteile

KW - Defekte

KW - Rissfortschrittsanalyse

KW - numerische Simulation

KW - Cast components

KW - defects

KW - crack propagation analysis

KW - numerical simulation

U2 - 10.34901/mul.pub.2023.276

DO - 10.34901/mul.pub.2023.276

M3 - Masterarbeit

ER -