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Beschreibung der effektiven zyklischen Beanspruchungssituation im Nahfeld einer Rissspitze für elastisch-plastisches Materialverhalten

Garnadt, Florian (2023)
Beschreibung der effektiven zyklischen Beanspruchungssituation im Nahfeld einer Rissspitze für elastisch-plastisches Materialverhalten.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026457
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Beschreibung der effektiven zyklischen Beanspruchungssituation im Nahfeld einer Rissspitze für elastisch-plastisches Materialverhalten
Language: German
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Vormwald, Prof. Dr. Michael
Date: 21 December 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xviii, 112 Seiten
Date of oral examination: 6 December 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026457
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The increased requirements in the mechanical engineering industry with respect to an optimal utilisation of the potentials of construction materials are accompanied by the development of concepts for the lifetime assessment of components. The assessment of cracks plays a key role in this. In addition to the initiation of cracks as a damage criterion, the growth of cracks up to technically relevant sizes can be included in the evaluation according to damage-tolerant design philosophies. The description of crack growth is therefore of central importance for the lifetime assessment of components. The focus of this dissertation is on metallic materials that show pronounced elastic-plastic behaviour. The work follows the philosophy that the stress near the crack tip controls the mechanisms of cyclic crack propagation and that the crack propagation rate is determined by this. However, depending on the geometry and stress situation of a structure to be evaluated, the task of determining this local stress acting at the crack tip is not trivial. As the literature shows, various parameters, such as the J-integral, are available to quantify the intensity of the near field. A global approach often described in the literature to determine a parameter following the J-integral for cyclic loading under consideration of crack closure represents the starting point of the work carried out. On the one hand, the motivation of this dissertation is to overcome the limitations of this approach and, on the other hand, to provide a physical interpretation of the parameter. The work includes the simulation of a cyclically stressed structure with crack by the finite element analysis to analyse the properties of different evaluation methods. In addition, a further development of local methods is taking place in order to be able to adequately consider cyclic loading and crack closure. As the investigations show, the objectives can be achieved by applying the domain integral method as well as the concept of configurational forces if a separate consideration of the ascending and descending hysteresis branch takes place. For this purpose, all field quantities for the ascending hysteresis branch have to be referenced to the crack opening point and for the descending hysteresis branch to the upper load reversal point. The effective value of the cyclic J-integral is obtained by integration up to the point of crack closure. The results of all analysed local methods are path-independent to a good approximation by this procedure and therefore agree approximately with the result of the global approach. By means of the concept of configurational forces and the analysis of different possible relevant plastic zones, it is shown that the cyclic effective J-integral can be interpreted as the driving force for the movement of the crack tip in combination with the active plastic zone. The dissertation highlights this interpretation in the context of small scale yielding conditions and addresses the challenges and possible solutions in the case of large scale yielding conditions. Furthermore, the results show that the calculated cyclic effective J-integrals are suitable to describe the loading situation in the near-field of the crack tip. Within this work, a local concept has been developed which allows the calculation of an intensity parameter for cyclic loading of a crack in an elastic-plastic material. Thus, without being subject to the limitations of the global approach, the growth of cracks in metallic materials can in principle be described for any geometries and loading scenarios.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-264571
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW)
Date Deposited: 21 Dec 2023 13:07
Last Modified: 22 Dec 2023 07:31
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26457
PPN: 514248793
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