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Modellierung spröder Rissbildung an Spannungskonzentrationen mit der Bruchmechanik finiter Risse

Hebel, Jochen:
Modellierung spröder Rissbildung an Spannungskonzentrationen mit der Bruchmechanik finiter Risse.
Forschungsbericht // Studienbereich Mechanik, Technische Universität Darmstadt, 22 . Techn. Univ., Studienbereich Mechanik , Darmstadt . ISBN 978-3-935868-22-8
[Book], (2010)

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Dissertation Jochen Hebel, TU Darmstadt, 2010 - PDF
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Item Type: Book
Title: Modellierung spröder Rissbildung an Spannungskonzentrationen mit der Bruchmechanik finiter Risse
Language: German
Abstract:

Die Entwicklung hochbeanspruchter Strukturen erfordert leistungsfähige Bewertungskonzepte für konstruktiv oft unvermeidbare Spannungskonzentrationen als potentielle Ausgangspunkte für Rissbildung und anschließendes Versagen. Während klassische Versagenshypothesen zur Bewertung schwach inhomogener Spannungsfelder und klassische bruchmechanische Konzepte zur Bewertung hinreichend großer Risse gut geeignet sind, bieten sie jedoch keinen adäquaten Zugang zu theoretisch singulären Spannungskonzentrationen ohne Riss sowie zu diversen Skalierungsphänomenen der effektiven Festigkeit. Durch Kombination klassischer Versagenshypothesen mit einem energetischen Bruchkriterium im Rahmen der Konzeptes der Bruchmechanik finiter Risse ermöglicht ein unlängst vorgeschlagenes hybrides Versagensmodell einen allgemeineren Zugang zur spröden Rissbildung. Dadurch, dass sowohl die Anordnung ohne Riss als auch potentielle Risskonfigurationen untersucht werden müssen, wird die Auswertung analytisch anspruchsvoll und numerisch aufwendig. Bisher wurden nur für sehr spezielle Konfigurationen analytische und numerische Zugänge entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit hingegen wird ein sehr allgemeiner direkter numerischer Zugang bereitgestellt. Die ebene und quasi-räumliche Diskretisierung mit finiten Elementen für gerade, von einem Punkt ausgehende Risse ermöglicht die Auswertung des hybriden Versagensmodells am untersuchten Punkt für nahezu beliebige Beanspruchungen. Mittels einer Optimierungsprozedur wird die Bruchlast als Lösung eines nichtlinearen Optimierungsproblems bestimmt. Durch Vergleich mit der neuen direkten numerischen Formulierung konnten anhand von Kerbproblemen bekannte und neu entwickelte, auf asymptotischen Entwicklungen basierende Lösungen validiert werden. In vielen Fällen bieten sie eine numerisch effiziente Alternative. Auch der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen an Proben aus PMMA zeigte gute Übereinstimmung. Für das Problem der Bewertung von Randeffekten in CFK-Laminaten wird mit der neuen Formulierung ein leistungsfähiger Zugang bereitgestellt, wobei der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen gute Übereinstimmung zeigte. Weiterhin wurde das Modell zur Bewertung von Fügungen in Hochtemperatur-Brennstoffzellenstacks angewendet. Auch für diese realistische Bauteilsituation hat sich das neue Verfahren als ein sehr leistungsfähiges Werkzeug erwiesen, mit dem wesentliches Optimierungspotential aufgezeigt werden konnte.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The development of highly strained structures requires powerful assessment concepts for structurally inevitable stress concentrations being potential locations for crack formation succeeded by failure. While classical failure criteria are well suited for the assessment of weakly inhomogeneous stress fields and classical fracture mechanics approaches provide means for the treatment of sufficiently large existing cracks, theoretically singular stress concentrations without cracks as well as certain scaling phenomena of the effective strength are not described by the mentioned approaches. By combination of a classical failure hypothesis with an energetic fracture criterion, a recently proposed hybrid failure model provides a more general approach to brittle crack formation. As the perfect configuration as well as potential crack configurations need to be investigated, the evaluation is analytically demanding and numerically expensive. Existing analytical and numerical approaches only cover special configurations. This work provides a more general direct numerical approach. Plane and quasi-three-dimensional finite-element-discretisations of straight cracks emanating from the investigated point enable the evaluation of the model for almost arbitrary loading. The failure load is calculated by means of solution of the corresponding non-linear optimisation problem with an appropriate procedure. Existing and newly developed asymptotic solutions for notch problems have been validated by means of comparison with the new direct numerical formulation. In many cases, they provide a numerically efficient alternative. Comparison with experimental results for PMMA also showed good agreement. For the problem of the assessment of free-edge effects in CFRP-laminates, the new formulation provides an efficient approach exhibiting good agreement with experiments. Furthermore, the model has been applied to ceramic sealing joints in solid oxide fuel cell stacks. Even for this engineering application, the method has shown to be a very powerful tool revealing significant optimisation potential.English
Series Name: Forschungsbericht // Studienbereich Mechanik, Technische Universität Darmstadt
Volume: 22
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Techn. Univ., Studienbereich Mechanik
Uncontrolled Keywords: Sprödbruch, Rissbildung, Bruchmechanik finiter Risse, Spannungskonzentration, Kerbe, Laminat-Randeffekt, Fügung, Hochtemperatur-Brennstoffzelle
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Sprödbruch, Rissbildung, Bruchmechanik finiter Risse, Spannungskonzentration, Kerbe, Laminat-Randeffekt, Fügung, Hochtemperatur-BrennstoffzelleGerman
brittle fracture, crack formation, finite fracture mechanics, stress concentration, notch, laminate free-edge effect, joint, solid oxide fuel cellEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strukturmechanik
Date Deposited: 09 Nov 2010 10:01
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23046
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Diss., 2010]

License: Simple publication rights for ULB
Additional Information:

[Darmstadt, TU, Diss., 2010]

Referees: Becker, Prof. Dr.- Wilfried and Müller, Prof. Dr.- Ralf
Refereed: 27 April 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2304
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