Prognose des Versagens von Aluminiumbauteilen unter dynamischer Belastung
Final Report Abstract
Durch aktuelle Entwicklungen im Leichtbau werden an die verwendeten Materialien sehr hohe Anforderungen gestellt. Insbesondere bei dynamisch beanspruchten Leichtbauwerkstoffen müssen daher detaillierte Kenntnisse über deren Eigenschaften vorhanden sein, um eine belastbare Vorhersage der Sicherheit von Bauteilen treffen zu können. Hierzu wurde ein auf dynamische Problemstellungen erweitertes Schädigungs- und Versagensmodell entwickelt, das für eine große Bandbreite von Spannungszuständen und Verzerrungsgeschwindigkeiten angewendet werden kann. Abhängig vom Werkstoff und Belastungsprozess eines Bauteils treten unterschiedliche Formen der Materialschädigung auf. Daher wurde das den Beginn einer Materialschädigung vorhersagende Kriterium so erweitert, dass unterschiedliche mikromechanische Mechanismen wie Entstehung und Wachstum von Poren, Entstehung und Fortpflanzung von Mikrorissen sowie Entwicklung von Mikroscherrissen im phänomenologischen Kontinuumsmodell simuliert werden können. Zur Berücksichtigung der bei dynamischen Deformationsprozessen auftretenden verzerrungsgeschwindigkeitsund temperaturabhängigen Effekte wurden verallgemeinerte Funktionen für die Vergleichsspannungen formuliert, die eine effiziente und akkurate Modellierung des in Experimenten beobachteten Verhaltens erlauben. Mit dem zugehörigen Gesetz für das Anwachsen der makroskopischen Verzerrungen infolge der mikromechanischen Schädigungsvorgänge war es möglich, das inelastische Last-Verschiebungsverhalten von unterschiedlich gekerbten Zug- und Scherproben numerisch zu simulieren und einige, in Versuchen nur schwer zu messende oder zu beobachtende Effekte aufzuzeigen. Darüber hinaus wurde ein Kriterium vorgeschlagen, das für allgemeine Spannungszustände das Entstehen eines Makrorisses im geschädigten Material prognostiziert. Mit diesem thermodynamisch fundierten Kontinuumsmodell ist es nun möglich, in einem Bauteil unter dynamischer Lasteinwirkung den gesamten inelastischen Deformationsprozess inklusive der Entwicklung der auftretenden Schädigungsvorgänge bis hin zum endgültigen Riss numerisch zu simulieren. Bei der Durchführung und Auswertung von statischen und dynamischen Experimenten ist es häufig nur sehr schwer möglich, Schädigungsparameter zu messen. Diese können aber aus numerischen Simulationen dieser Experimente sowie aus Modellrechnungen auf mikromechanischer Ebene gewonnen werden. Bei der Bearbeitung der ersten Projektphasen ist deutlich geworden, dass derzeit kaum dynamische Standardexperimente zur Identifikation ratenabhängiger Materialparameter in Schädigungs- und Versagensmodellen vorliegen. Die Etablierung solcher Experimente mit den zugehörigen Probekörpern zur Charakterisierung schädigender Materialeigenschaften bis hin zum Versagen ist jedoch notwendig, um schnell und einheitlich in Werkstoffmodellen enthaltene Parameter bestimmen zu können. Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass die Schädigungs- und Versagensvorgänge stark vom Spannungszustand (Triaxialität) abhängen, so dass diese Standardexperimente bei verschiedenen Spannungstriaxialitäten für unterschiedliche Deformationsgeschwindigkeiten zu entwickeln sind. Basierend auf numerischen Vorstudien wurden neue Split-Hopkinson-Bar-Experimente und zugehörige Probekörper entwickelt, die die Identifikation von in Schädigungs- und Versagensmodellen enthaltenen Parameter für unterschiedliche Deformationsgeschwindigkeiten und bei einer großen Bandbreite von Spannungstriaxialitäten ermöglicht. So wurden in dynamischen Druckversuchen kleine zylindrische oder ringförmige Proben verwendet. Zur Analyse des Einflusses von positiven Spannungstriaxialitäten auf das dynamische Schädigungs- und Versagensverhalten wurde ein M-förmiger Probekörper entwickelt, der im dynamischen Druckversuch im kritischen Bereich auf Zug beansprucht wird. Die Ergebnisse dieser Experimente mit dem neuen Probekörper wiesen jedoch starke Streuungen auf, die durch herstellungsbedingte geometrische Imperfektionen insbesondere im filigranen kritischen Bereich zurückzuführen sind. Daher werden zur Untersuchung von positiven Spannungstriaxialitäten dynamische Zugversuche mit dem Split-Hopkinson-Bar vorgeschlagen, wobei auch unterschiedlich gekerbte Probekörper verwendet werden sollten. Anhand der durchgeführten Experimente und dazu korrespondierender numerischer Simulationen war es möglich, die im verallgemeinerten Kontinuumsmodell vorhandenen Materialparameter für metallische Werkstoffe für einen begrenzten Bereich der Spannungstriaxialitäten zu identifizieren.
Publications
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