Characterization of fatigue crack growth with the configurational force concept

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertation

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer neuen Art der Charakterisierung des Risswachstums in elastoplastischen Materialien unter zyklischer Belastung. Hierzu wird das Konzept der konfigurellen Kräfte (concept of configurational forces) verwendet. Ermüdungsrisswachstum, d.h. Risswachstum unter zyklischer Belastung, ist der am häufigsten auftretende Schadensmechanismus. Um die Lebensdauer von zyklisch belasteten Bauteilen abzuschätzen, ist es notwendig, die Wachstumsrate von Ermüdungsrissen vorherzusagen. Die Bestimmung der Risswachstumsraten im Bereich der Kurzzeitfestigkeit (low-cycle fatigue) oder für kurze Ermüdungsrisse ist für die Praxis von großer Bedeutung. Dafür kann aber nicht die konventionelle Spannungsintensitätsschwingweite DeltaK verwendet werden, weil die Voraussetzungen für die linear elastische Bruchmechanik nicht gegeben sind. Stattdessen wird das experimentelle zyklische J-Integral DeltaJ^exp angewandt. Allerdings basiert das konventionelle J-Integral auf der Deformationstheorie der Plastizität, die aber aufgrund der nichtproportionalen Belastungsbedingungen bei zyklischer Belastung und Rissfortschritt nicht verwendet werden darf. Dies hat zu starken Bedenken an der Gültigkeit von DeltaJ^exp zur Charakterisierung der Risswachstumsrate bei der Ermüdung geführt. Das Konzept der konfigurellen Kräfte bietet eine elegante Lösung für dieses Problem, da es die Herleitung eines J-Integrals für „reale“ elastoplastische Materialien mit inkrementeller Plastizitätstheorie ermöglicht. Dieses neue J-Integral, J^ep, hat––im Unterschied zum klassischen J-Integral––die physikalische Bedeutung einer wahren treibenden Kraft in elastoplastischen Materialien und ist auch unter stark nichtproportionalen Belastungsbedingungen anwendbar. Allerdings muß man berücksichtigen, dass J^ep vom Integrationsweg abhängt. Das Ziel dieser Dissertation ist herauszufinden, wie man J^ep für die Bestimmung der treibenden Kraft eines Ermüdungsrisses anwenden kann. Dazu wird aus der Variation von J^ep in einem vollständigem Lastzyklus ein zyklischer J-Integralterm DeltaJ^ep bestimmt. Die Wegabhängigkeit von J^ep wird mittels Analyse der Verteilung der konfigurellen Kräfte in zweidimensionalen Bruchmechanikproben mit langen Rissen unter zyklischer Mode I Belastung untersucht. Die konfigurellen Kräfte und die J^ep-Werte werden mit einer Post-Processing Routine nach einer konventionellen Finiten Elemente Analyse berechnet. Stationäre und wachsende Risse werden betrachtet. Verschiedene Lastverhältnisse, vom Zugschwell- bis zum Zug-Druckbereich, werden untersucht. Die Belastungshöhe wird variiert, um den Einfluss der Größe der plastischen Zone auf die Eigenschaften von DeltaJ^ep zu studieren. Die Ergebnisse liefern die Grundlage für die physikalisch korrekte Anwendung des J‑Integrals zur Beschreibung der Risswachstumsrate bei Ermüdung im Bereich der nichtlinearen Bruchmechanik. Es wird gezeigt, dass das experimentelle zyklische J-Integral DeltaJ^exp, welches seit langem stark umstritten ist, für stationäre Ermüdungsrisse korrekt ist. Es ist aber nicht ganz korrekt, wenn der Ermüdungsriss wächst. Zusätzlich wird gezeigt, dass der neue Parameter, DeltaJ^ep, auch die Risswachstumsverzögerung nach einer einzelnen Überlast mit hoher Genauigkeit beschreiben kann. Darüber hinaus erhält man sogar neue Erkenntnisse über den wichtigsten Mechanismus für den Überlasteffekt, was noch immer ein brisantes Thema unter Ermüdungsexperten ist.

Details

Titel in ÜbersetzungCharakterisierung von Ermüdungsrisswachstum mittels Konzept der konfigurellen Kräfte
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2015