Entwicklung und Anwendung des gekoppelten Schädigungsmodells im Falle der Ultra-Low Cycle Fatigue Belastungen

Novokshanov, Denis; Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor); Feldmann, Markus (Thesis advisor); Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird das Thema Ultra Low Cycle Fatigue (ULCF) in Bezug auf experimentelle Untersuchungen an gekerbten Labor-Kleinproben und an Bauteilen (L-Bogen der Pipeline) sowie hinsichtlich der Modellierung der ULCF Schädigung mit Hilfe eines schädigungsmechanischen Modells bearbeitet. Bei der ULCF Belastung von gekerbten Kleinproben werden zwei unterschiedliche Versagensmechanismen identifiziert: Versagenstyp I - disperse Schädigung des Kontinuums durch Bildung und Wachstum von Kavitäten, Versagenstyp II - lokalisierte Schädigung im Form eines Risses von der Oberfläche ausgehend mit ausgeprägtem Rissschließeffekt. Die experimentellen Ergebnisse, insbesondere die Anzahl der Zyklen bis zum Bruch in Abhängigkeit der Dehnungsamplitude, werden mit Hilfe der erweiterten Manson-Coffin Gleichung charakterisiert. Die lokal aufgelösten Dehnungen unter ULCF Belastung werden mit Hilfe der FEM-Analyse ermittelt und berücksichtigen die Variation der wichtigsten Einflussfaktoren wie die Auswahl des Plastizitätsmodells, die Festlegung der Kalibrierungsstrategie in Anlehnung auf die nominellen Materialeigenschaften sowie die Festlegung der FEM-Plattform. Für die Abbildung der ULCF Versagensprozesse wurde ein gekoppeltes schädigungsmechanisches Materialmodell (ULCF-CDM) entwickelt. Das Modell wurde für den Abaqus/Standard Solver in Form einer UMAT Subroutine implementiert. Für die Abbildung der Schädigung wurde ein Versagenskriterium zusammen mit dem optimierten Schädigungsentwicklungsgesetz verwendet. Das Modell wurde sowohl an den Kleinproben als auch an den Bauteilen erfolgreich angewendet. Die Formulierung des Berechnungsschemas des ULCF-CDM Modells spielt dabei eine wichtige Rolle. Die Entwicklung der Schädigung wird dynamisch innerhalb eines Inkrements berücksichtigt und nimmt sowohl auf die berechneten Spannungen als auch auf die Materialsteifigkeit des Materialmodells direkten Einfluss. Für die Optimierung der FEM-Modellierung der Bauteile im Falle der ULCF Belastung wurde eine Referenzbauteilstrategie entwickelt. Mit Hilfe dieser Strategie kann der Aufwand für die Abbildung des Verhaltens eines Bauteils unter ULCF Belastung mit Hilfe des FEM Modells erheblich reduziert werden. Die Ermittlung der Materialparameter erfolgt direkt anhand der experimentellen Ergebnisse der Bauteile durch eine Inversanalyse. Die vorgeschlagenen Lösungen können auf weitere Bereiche der schädigungsmechanischen Modellierung übertragen werden.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

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