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Leben mit Rissen - Bruchmechanische Berechnungsmethoden

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Bauteilversagen durch instabiles Risswachstum vermeiden – stabiles Risswachstum zur Erhöhung der Sicherheit und Lebensdauer vorhersagen.​

​Die Idee der schadenstoleranten Bemessung, ursprünglich motiviert aus dem Flugzeugbau, hat sich mittlerweile in vielen weiteren Branchen als nützliches Auslegungskonzept etabliert. Anders als bei der „klassischen“ Festigkeitsbetrachtung mit Spannungen und Dehnungen geht man in der Bruchmechanik von unvollkommener Werkstoffausbildung (z.B. durch Poren, Lunker, Einschlüsse) oder richtigen Rissen aus. Man nimmt Fehler im Bauteil bei der Bewertung in Kauf, weil diese nicht sicher ausgeschlossen werden können, oder mittels Prüfmethoden tatsächlich nachgewiesen wurden. Die Bruchmechanik bildet diese Fehler als Risse im Bauteil ab und stellt Werkzeuge zur Vorhersage deren Verhalten bei Belastung zur Verfügung. Damit sind Aussagen zur Betriebssicherheit (z.B. stabiles oder instabiles Risswachstum, Restlebensdauer) und die weiteren Maßnahmen (z.B. Revisionszyklen) möglich. Hilfestellung bei der Anwendung und Interpretation bietet die FKM-Richtlinie zum bruchmechanischen Festigkeitsnachweis.

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 die wichtigsten bruchmechanischen Kenngrößen kennen. Ein Highlight dabei sind unter anderem die in den jüngsten Releases immer weiter entwickelten Möglichkeiten der automatischen Rissfortschrittsanalyse. 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

Grundlagen der Bruchmechanik und grundsätzliche Rissmodellierung

M1: Wissen was dahintersteckt

  • 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: Verbindung eines nicht durchgeschweißten T-Stoßes

M3: Linear-Elastische Bruchmechanik

  • ​Linear-elastisches Materialverhalten
  • Berechnung der Energiefreisetzungsrate mit dem Rissschließintegral (VCCT Methode)
  • Berechnung der Spannungsintensitätsfaktoren (K-Faktoren)
  • Überlegungen zur Größe der plastischen Zone an der Rissspitze
  • Übung: Angerissenes Blatt Papier

M4: Oberflächenrisse in ANSYS Mechanical

  • ​Anwendbare Werkstoffgesetze und Elementformulierungen
  • Diskretisierung an der Rissspitze
  • Erhöhung der Ergebnisgenauigkeit mit der Unstructured Mesh Method (UMM)
  • Handhabung verschiedener Rissformen in ANSYS Mechanical
  • Abbildung von Oberflächenrissen
  • Übung: Modellierung und Auswertung der K-Faktoren eines halb-elliptischen Oberflächenrisses in 3D
  • Demo: Modellierung und Bewertung beliebig geformter Oberflächenrisse

Tag 2

Erweiterte Rissmodellierung mit ANSYS Mechanical

M5: Beliebige Rissformen abbilden

  • ​Rissbereich innerhalb der Geometrieerstellung definieren (Shared Topology)
  • Manuelle Rissspitzenvernetzung mit Contour-Bändern
  • Übung: Bauteil mit Eckanriss

M6: Belastete Rissflanken und fortschrittliche Vernetzungsoptionen

  • Rissteilmodell per Mesh-Assembly und Node Merge vervollständigen
  • Randbedingungen auf Rissflanken aufprägen
  • Übung: Bauteil mit innenliegendem Riss

M7: Elastisch-Plastische Bruchmechanik

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

M8: Debonding Verhalten mit dem Cohesive Zone Modell (CZM)

  • ​Versagensentwicklung entlang einer Grenzschicht bei geklebten Strukturen
  • Resttragfähigkeit der angerissenen Bauteilstruktur
  • Demo: Ablösungsverhalten an einem geklebten, doppelwandigen Kragarm

Tag 3

Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis und Risswachstumssimulation

M9: Statischer Festigkeitsnachweis nach FKM Richtlinie

  • ​Festigkeitsnachweis für statische Lasten (Failure Assessment Diagram - FAD-Konzept)
  • Bestimmung des Plastifizierungsgrads
  • Übung: Betrachtung einer angerissenen Scheibe

M10: Zyklischer Festigkeitsnachweis nach FKM Richtlinie

  • ​Festigkeitsnachweis für zyklische Lasten
  • Rissfortschritt mittels Paris-Law abschätzen
  • Restlebensdauer: Bestimmung von Rissverlängerung und Risswachstumsrichtung bei zyklischer Belastung
  • Übung: Ermüdungsbruch eines Zugstabs unter wechselnder Beanspruchung

M11: Risswachstum mit SMART

  • ​Empfehlungen für die Modellvorbereitung
  • Simulation des Risswachstums bei unbekannter Ausbreitungsrichtung mit der SMART-Technologie (Separating, Morphing, Adaptive and Remeshing Technology)
  • Definition des Anfangsrisses und Definition der Rissausbreitung

M12: Risswachstum mit XFEM

  • ​Simulation des Risswachstums bei unbekannter Ausbreitungsrichtung mit XFEM (eXtended Finite Element Method)
  • Musterbeispiel zur Definition eines Anfangsrisses durch die bestehende Vernetzung
  • Übung: Ermüdungsrissfortschritt eines Zugstabs, automatisiert mit dem XFEM-Konzept

ERGÄNZENDE VERANSTALTUNGEN