Prognose der Schädigung und des Versagens anisotroper duktiler Metalle: Experimente, Modellbildung und numerische Simulationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch aktuelle Entwicklungen im Leichtbau werden an die verwendeten Materialien sehr hohe Anforderungen gestellt. Insbesondere bei mehrdimensional beanspruchten Leichtbauwerkstoffen müssen daher detaillierte Kenntnisse über deren Eigenschaften vorhanden sein, um eine belastbare Vorhersage der Sicherheit von Bauteilen treffen zu können. Hierzu wurden biaxiale Experimente mit neu entwickelten Probekörpern und korrespondierende numerische Simulationen durchgeführt, um detaillierte Erkenntnisse über Schädigungs- und Versagensmechanismen von plastisch anisotropen, duktilen Metallbauteilen, die aus dünnen gewalzten Blechen herausgeschnitten werden, zu gewinnen. Basierend auf hieraus erhaltenen Ergebnissen wurde ein Schädigungs- und Versagensmodell weiterentwickelt, das für eine große Bandbreite von Spannungszuständen sowie für unterschiedliche Belastungsrichtungen bezogen auf die Walzrichtung angewendet werden kann. Aus experimentellen Beobachtungen ist bekannt, dass bei zugdominierten Belastungen die Schädigungen vor allem durch Porenwachstum und deren Zusammenschluss hervorgerufen wird, während bei schub- und druckdominierten Beanspruchungen in erster Linie Mikroscherrisse die Schädigung verursachen. Daher ist es von außerordentlicher Bedeutung, den gesamten Schädigungsvorgang im eingesetzten Werkstoff bis zum endgültigen Versagen verstehen und analysieren zu können, um daraus ein realistisches, akkurates und effizientes numerisches Simulationsmodell zu entwickeln. Zur Analyse der vom Spannungszustand und von der Belastungsrichtung abhängigen Schädigungs- und Versagensprozesse wurden neue Experimente entwickelt, bei denen die kreuzförmigen Probekörper in zwei Richtungen mit unterschiedlichen Lastverhältnissen beansprucht werden können. Um gewünschte Spannungszustände hervorzurufen, mussten im zentralen Probenbereich spezielle Geometrien entworfen werden. Dazu wurden zwei unterschiedliche Probekörper (X0- und H-Probe) ausgewählt, mit denen durch Variation der Lastverhältnisse eine große Bandbreite von Spannungszuständen in kritischen Probenbereichen, in denen Schädigungen und das Versagen erwartet werden, abgedeckt werden konnte. Parallel wurde ein Kontinuumsschädigungsmodell weiterentwickelt, wobei insbesondere die vom Spannungszustand und der Belastungsrichtung abhängigen, die Schädigung beschreibenden Funktionen ermittelt werden konnten. Damit war es möglich, das in den Experimenten beobachtete Verhalten der Probekörper numerisch zu simulieren. Bei der Bearbeitung der beiden Förderperioden des Projektes ist das effiziente Zusammenspiel von Experimenten und numerischen Simulationen deutlich geworden, das eine umfassende Analyse des Deformations-, Schädigungs- und Versagensverhaltens von Werkstoffen und Bauteilen ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Analysis of Damage and Failure in Anisotropic Ductile Metals Based on Biaxial Experiments with the H-Specimen. Experimental Mechanics, 62(2), 183-197.
Brünig, M.; Koirala, S. & Gerke, S.
-
Biaxial Experiments and Numerical Analysis on Stress-State-Dependent Damage and Failure Behavior of the Anisotropic Aluminum Alloy EN AW-2017A. Metals, 11(8), 1214.
Brünig, Michael; Gerke, Steffen & Koirala, Sanjeev
-
Biaxiale Experimente zum Schädigungsverhalten anisotroper duktiler Metalle. In: Berichte der 54. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit, DVM-Bericht 254, Berlin 2022, 63-72 (ISSN 2366-4797).
M. Brünig, S. Koirala & S. Gerke
-
Experimentelle Untersuchungen zum Schädigungs- und Versagensverhalten von Aluminium (EN AW-2017A) unter zyklischer Scherbelastung. In: Berichte der 54. Tagung des DVM- Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit, DVM-Bericht 254, Berlin 2022, 165-174 (ISSN 2366-4797).
S. Gerke, S. Koirala, M. Knuth & M. Brünig
-
New Biaxial Specimens and Experiments to Characterize Sheet Metal Anisotropy and Damage. The 19th International Conference on Experimental Mechanics, 7. MDPI.
Gerke, Steffen; Koirala, Sanjeev & Brünig, Michael
-
A stress-state-dependent damage criterion for metals with plastic anisotropy. International Journal of Damage Mechanics, 32(6), 811-832.
Brünig, Michael; Koirala, Sanjeev & Gerke, Steffen
-
Analysis of Damage and Fracture in Anisotropic Sheet Metals Based on Biaxial Experiments. Advanced Structured Materials, 105-114. Springer Nature Switzerland.
Brünig, Michael; Koirala, Sanjeev & Gerke, Steffen
-
Analysis of effects of material anisotropy on ductile damage using microscopic unit‐cell model. PAMM, 23(4).
Koirala, Sanjeev; Gerke, Steffen & Brünig, Michael
-
Experimental and numerical studies on damage and failure behavior of anisotropic ductile metals. PAMM, 23(1).
Koirala, Sanjeev; Gerke, Steffen & Brünig, Michael
-
Micro-mechanical numerical analysis on ductile damage in multiaxially loaded anisotropic metals. Computational Mechanics, 73(2), 223-232.
Brünig, Michael; Koirala, Sanjeev & Gerke, Steffen
