Strukturintegrität von beanspruchten Strukturen: Fortschrittliche nicht-lineare Methodik

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Simulation eines Tiefziehversuchs: Rundplatte mit einem Oberflächenriss, Werkstoff Ti-6Al-4V

Strukturintegrität von beanspruchten Strukturen: Fortschrittliche nicht-lineare Methodik

Der bruchmechanische Nachweis nach dem Konzept der Versagensbewertungsdiagramms (Failure Assessment Diagram, FAD) setzt einerseits das Vorliegen genauer Berechnungsmethoden für die Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchungsparameter und andererseits experimenteller sowie numerischer Validierungen des Bewertungskonzeptes voraus. Das FAD-Konzept wurde als Bestandteil verschiedener Regelwerke hauptsächlich an ferritischen Stählen validiert. Seine Anwendung auf andere metallische Werkstoffe ist deshalb mit Unsicherheiten verbunden. Im Rahmen des Programms ESA-TRP „Structural Integrity of Pressurized Structures − Advanced Non-Linear Methodology“ wurde schwerpunktmäßig das Versagen dünnwandiger Bauteile aus Aluminium- und Titanlegierungen sowie deren Schweißnähte untersucht.  

Mit einer Reihe von Versuchen an rissbehafteten Proben, u.a. mit begleitenden optischen Dehnungsmessungen, sowie deren numerischen Simulationen lassen sich für die untersuchten Werkstoffe (Ti-6Al-4V, Al2219-T87) sowie Plattendicken von ca. 1 bis 6 mm bruchmechanische Kennwerte bei Rissinitiierung sowie stabilem Risswachstum, sog. Risswiderstandskurven, realistisch bestimmen. Eine anschließende analytische Versagensbewertung auf Basis des FAD-Konzeptes sowie der experimentell ermittelten Werkstoffkennwerte liefert konservative Ergebnisse. Insbesondere für die duktile Aluminiumlegierung Al2219-T87 sowie deren FSW (Friction Stear Welding = Reibrührschweißen) - Verbindungen wird die Versagenslast deutlich unterschätzt. Zur Verbesserung der Genauigkeit der analytischen Bewertungsmethoden wurden eine Korrektur der plastischen Grenzlast bei mehrachsiger Belastung, eine alternative Definition des Cut-Off-Kriteriums sowie ein dehnungsbasiertes Verfahren als Alternative der Mismatch-Option im FAD vorgeschlagen.

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Flachzugprobe mit einem Oberflächenriss: optische Dehnungsmessungen an der Rückseite zur Bestimmung der Rissinitiierung sowie der stabilen Rissausbreitung nach dem Wanddurchbruch; Werkstoff Al2219-T87 FSW

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