Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Absicherung, Entwicklung und Anwendung von Bewertungsverfahren des Rissverhaltens unter mehrachsigen bauteilnahen Beanspruchungssituationen

Um im Rahmen der Bauteilauslegung und des Service von technischen Komponenten zuverlässige Aussagen über die Restlebensdauer ableiten zu können, sind ausreichend abgesicherte Kenntnisse des Wachstumsverhaltens von Anrissen von entscheidender Bedeutung. Die zu betrachtenden potenziell kritischen Bauteilstellen sind in der Realität oftmals sowohl geometrisch komplex geformt, als auch bzgl. der äußeren Belastung einer regellosen Betriebsbeanspruchung ausgesetzt.

Gegenstand dieses Vorhabens ist daher eine systematische Absicherung, Entwicklung und Anwendung von Bewertungsverfahren des Rissverhaltens unter mehrachsigen bauteilnahen Beanspruchungssituationen, um zukünftig insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen eine präzisere Auslegung von Bauteilen und exaktere Definition von Inspektionsintervallen zu ermöglichen.

Dazu wird innerhalb des Vorhabens zunächst eine entsprechend breite experimentelle Datenbasis insbesondere an biaxial belasteten Kreuzproben erzeugt, welche die Untersuchung des Verhaltens von Anrissen unter mehrachsigen bauteilnahen Beanspruchungssituationen ermöglicht.

Ebenfalls wird erstmals ein optisches Dehnungsmesssystem entwickelt werden, welches sowohl eine biaxiale Dehnungsregelung als auch eine Aufzeichnung der relevanten Daten zum Studium des Rissverhaltens wie Rissfortschrittsrate, Rissschließverhalten und Rissausbreitungsrichtung ermöglicht.

Auf Basis dessen werden analytische und numerisch-basierte theoretische Modelle zur Beschreibung des Rissverhaltens unter mehrachsigen bauteilnahen Beanspruchungssituationen weiterentwickelt, praktisch nutzbar aufbereitet und in der Industrie getestet.

Das Vorhaben schafft somit ein zusammenhängendes und abgesichertes Basiswissen zur Bewertung des mehrachsigen Rissverhaltens für typische Werkstoffe und Beanspruchungsfälle.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben wurde das Risswachstumsverhalten unter dem Aspekt der mehrachsigen Beanspruchung eingehend und systematisch untersucht. Hierzu wurde eine umfassende Datenbasis über das Risswachstumsverhalten von global einachsig und biaxial belasteten Bruchmechanikproben unter Belastungen mit konstanter Amplitude, zusammengesetzer Belastung mit Überlastzyklen sowie unter statisch-zyklischer Belastung erarbeitet. Speziell zu diesem Zweck wurde eine erweiterte und neuartige optische Mess- und Regelungstechnik entwickelt, welche neben einem erhöhten Informationsgewinn der Experimente auch eine optische biaxiale Dehnungsreglung von Rissfortschrittsexperimenten ermöglicht. Mit der erarbeiteten Datenbasis konnte die Anwendungsgüte von gängigen ingenieurmäßigen Ansätzen zur Berechnung des Rissfortschritts speziell unter dem für die Anwendung wichtigen Fall der mehrachsigen Beanspruchung überprüft und weiterführende Optimierungsansätze ausgearbeitet werden. Mit den Ergebnisse kann die Anwendbarkeit der untersuchten Konzepte für mehrachsig beanspruchte Komponenten in einem entsprechenden Parameterbereich abgesichert und bestätigt werden. Mit den weiterführend ausgearbeiteten Ansätzen kann nun ebenfalls die Rissausbreitungsrichtung prinzipiell unter komplexen statisch-zyklischen Belastungen analysiert und vorhergesagt werden. Das optische Mess- und Regelungssystems kann vor allem in der Versuchsführung und Auswertung der Experimente zukünftig eingesetzt werden. Neben einer präziseren Versuchsführung von Rissfortschrittsexperimenten, zeichnet sich der optische Ansatz besonders durch eine wesentliche Erhöhung des Informationsgewinns von Rissfortschrittsexperimenten aus.