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Leben mit Rissen - Bruchmechanische Berechnungsmethoden

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Bauteilversagen durch unkontrolliertes Risswachstum vermeiden - Bruchmechanische Analyse zur Erhöhung der Sicherheit und Lebensdauer

Die Idee der Schadenstoleranz-Methode, ursprünglich motiviert aus dem Flugzeugbau, hat sich mittlerweile in vielen weiteren Branchen als nützliches Auslegungskonzept etabliert. Kernaussage bei der Schadenstoleranz ist die Tolerierung und Inkaufnahme von Werkstofftrennungen (z.B. Risse) in einem Bauteil bis zu einer definierten Schadensgröße und Anzahl. Die Bruchmechanik stellt für diese Auslegungsphilosophie das geeignete Handwerkszeug zur Verfügung. 

ZIELGRUPPE

​Das Seminar richtet sich an Berechnungsingenieure und Konstrukteure, die im Rahmen ihrer Produktentwicklung mit Hilfe einer bruchmechanischen Analyse die Stabilität von Rissen im Bauteil unter statischen und zyklischen Lasten beurteilen und nachweisen möchten. Auch jenseits der Idealvorstellung einer 100% schadensfreien Struktur sind auf diesem Weg mittels FE Analyse klare Aussagen zur Bauteilfestigkeit möglich.

IHR NUTZEN

​Für die Abbildung von Rissen im Bauteil gibt es in ANSYS Mechanical verschiedene Möglichkeiten. In diesem Seminar lernen Sie neben den Methoden zur Modellierung von Rissen und deren Wachstum die wichtigsten bruchmechanischen Kenngrößen kennen. Unter Anwendung des bruchmechanischen Festigkeitsnachweises beurteilen Sie die Stabilität der Risse und erhalten so wertvolle Informationen zur Restlebensdauer Ihres Produktes bzw. zur Festlegung notwendiger Inspektionsintervalle.

Agenda

Tag 1

M1: Wissen was dahinter steckt

  • ​Bauteilversagen beherrschen
  • Rissbildung und Risswachstum
  • Fragestellungen, die mittels der Bruchmechanik beantwortet werden können
  • Einteilungen in der Bruchmechanik
  • Spannungsfeld an der Rissspitze
  • Übung: 2D Analyse mit Riss

M2: Kenngrößen in der Bruchmechanik

  • Lebenszyklus eines Bauteils​
  • Arten der Rissöffnung
  • Verschiedene Kenngrößen für die bruchmechanische Bewertung (z.B. Energiefreisetzungsrate, Spannungsintensitätsfaktoren, J-Integral, Vollplastische Traglast
  • Übung:  Verbindungen zwischen Bauteilen anhand eines nicht durchgeschweißten T-Stoßes

M3: Linear-elastische Bruchmechanik

  • ​Linear-elastisches Materialverhalten
  • Berechnung der Energiefreisetzungsrate mit der VCCT Methode
  • Berechnung der Spannungsintensitätsfaktoren (K-Faktoren)
  • Überlegungen zur Größe der plastischen Zone an der Rissspitze
  • Übung: Angerissenes Blatt Papier
  • Übung: Modellierung und Auswertung der K-Faktoren eines halb-elliptischen Oberflächenrisses in 3D

M4: Modellbildung und Vernetzung

  • Anwendbare Werkstoffgesetze und Elementformulierungen sowie ​Diskretisierungen an der Rissspitze
  • Erhöhung der Ergebnisgenauigkeit mit der Unstructured Mesh Method (UMM)
  • Möglichkeiten und Handhabung verschiedener Rissformen in ANSYS Mechanical
  • Abbildung von Oberflächenrissen
  • effiziente Definition von beliebigen und innenliegenden Rissen
  • Demo: Modellierung und Bewertung beliebig geformter Oberflächenrisse
  • Übung: Modellbildung und Bewertung eines innenliegenden Risses

Tag 2

M5: Elastisch-plastische Bruchmechanik

  • Kenngrößen bei nichtlinearem Materialverhalten (Crack Tip Opening Displacement und -Angle, J-Integral)
  • Motivation und Bestimmung des J-Integrals und zugehörige Solvereinstellungen
  • Bewertung des stabilen Risswachstums unter statischer Last mittels Risswiderstandskurven
  • Übung: CT-Probe unter monoton steigender Last

M6: Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis nach FKM Richtlinie

  • ​Festigkeitsnachweis für statische und zyklische Lasten (FAD-Konzept bzw. Ermüdungsrisswachstum)
  • Sequenz zur Bewertung des Risswachstums: Bestimmung von Rissverlängerung UND Risswachstumsrichtung (manuell oder automatisiert in ANSYS Mechanical mit dem SMART- sowie XFEM-Konzept)
  • Übung: Ermüdungsbruch eines Zugstabs unter wechselnder Beanspruchung: manuell und mit dem SMART-Konzept

M7: Debonding Verhalten mit dem Cohesive Zone Modell (CZM)

  • ​Beschreibung der Versagensentwicklung entlang einer Grenzschicht z.B. bei geklebten Strukturen
  • Resttragfähigkeit der angerissenen Bauteilstruktur
  • Übung: Ablösungsverhalten an einem geklebten, doppelwandigem Kragarm

M8: Risswachstum mit XFEM

  • ​Simulation des Risswachstums bei unbekannter Ausbreitungsrichtung mit der Methode der eXtended Finite Elements
  • Definition des Anfangsrisses durch die bestehende Vernetzung
  • Demo: Abknickender Riss an einem Getriebezahn (2D)
  • Übung: Ermüdungsbruch eines Zugstabs unter wechselnder Beanspruchung, automatisiert mit dem XFEM-Konzept (3D)

TEILNEHMERHINWEIS

​Das Seminar wird ab dem 01.01.2019 auf 3 Tage erweitert, bitte berücksichtigen Sie das bei Ihrer Buchung!

ERGÄNZENDE VERANSTALTUNGEN