Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
FenicsXConcrete
(2023)
In this talk, a numerical study of the heat accumulation during LPBF based manufacturing of 316L steel parts is presented. For the simulation, a computationally efficient FEM model is used, where several layers are simultaneously exposed to a volumetric heat source. For the validation of the model, the temperature field from simulation is compared with emissivity-corrected temperature measurements, which are obtained using thermography during experiments.
Am Beispiel eines abgesetzten zylindrischen Bauteils (Achsschenkel) werden Probleme der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung diskutiert. Als Basis-philosophie wird ein Fail Safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) angesetzt. Die Forderung ist, dass sich der Achsschenkel, bevor er bricht, in einem Ausmaß plastisch verformen kann, bei dem der Fahrer bemerkt, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Um das zu gewährleisten, muss der Werkstoff einen bestimmten Riss-widerstand aufweisen. Dazu werden im hier vorgestellten ersten Teil des Projektes mittels FEM Rissspitzenbeanspruchungen in Abhängigkeit von der Auslenkung des Zylinders und angenommener Rissgrößen ermittelt. Diese finden als Zielgrößen in der weiteren Analyse Anwendung. Da eine einfach umzusetzende Lösung angestrebt wird, werden zusätzlich analytische Rechnungen an Ersatzgeometrien (halbunendliche Platte und Vollzylinder), aber mit den realen Spannungen am Bauteil durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Ergebnisse wegen des Steifigkeitsunterschieds zwischen Bauteil und Ersatzgeometrie unvertretbar konservativ sind. Alternativ wird ein hybrides Konzept vorgestellt, für das die Modellparameter mittels FEM bestimmt werden. Es liefert sehr genaue Ergebnisse. Im Rahmen der analytischen Rechenvorschrift können die Lösungen auf andere Werkstoffe übertragen werden, ohne dass zusätzliche FEM-Analysen notwendig sind.
Am Beispiel eines abgesetzten zylindrischen Bauteils (Achsschenkel) werden Probleme der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung diskutiert. Als Basis-philosophie wird ein Fail Safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) angesetzt. Die Forderung ist, dass sich der Achsschenkel, bevor er bricht, in einem Ausmaß plastisch verformen kann, bei dem der Fahrer bemerkt, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Um das zu gewährleisten, muss der Werkstoff einen bestimmten Riss-widerstand aufweisen. Dazu werden im hier vorgestellten ersten Teil des Projektes mittels FEM Rissspitzenbeanspruchungen in Abhängigkeit von der Auslenkung des Zylinders und angenommener Rissgrößen ermittelt. Diese finden als Zielgrößen in der weiteren Analyse Anwendung. Da eine einfach umzusetzende Lösung angestrebt wird, werden zusätzlich analytische Rechnungen an Ersatzgeometrien (halbunendliche Platte und Vollzylinder), aber mit den realen Spannungen am Bauteil durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Ergebnisse wegen des Steifigkeitsunterschieds zwischen Bauteil und Ersatzgeometrie unvertretbar konservativ sind. Alternativ wird ein hybrides Konzept vorgestellt, für das die Modellparameter mittels FEM bestimmt werden. Es liefert sehr genaue Ergebnisse. Im Rahmen der analytischen Rechenvorschrift können die Lösungen auf andere Werkstoffe übertragen werden, ohne dass zusätzliche FEM-Analysen notwendig sind.
Die numerische Simulation hilft, Probleme bei additiven Bauprozessen früh zu erkennen und Optimierungspotentiale auszuschöpfen. Ziel ist, im additiven Auftragschweißen (DED) die Zahl der nötigen Versuche durch Vorhersagen zu verringern und Prozessgrößen zu visualisieren. Eine besondere Anwendung der Simulation ist die Generierung verzugskompensierter Geometrien: Durch die Berechnung des Bauteilverzugs kann die Geometrie vor dem Bauen so verändert werden, dass sie mit Verzug die gewünschte Toleranz erreicht. So kann Zerspanvolumen und Aufmaß reduziert werden.
An ultrasonic vibration post-treatment procedure was suggested for additively manufac-tured lattices. The aim of the present research was to investigate mechanical properties andthe differences in mechanical behavior and fracture modes of Ti6Al4V scaffolds treated withtraditional powder recovery system (PRS) and ultrasound vibration (USV). Scanning electronmicroscopy (SEM) was used to investigate the strut surface and the fracture surface mor-phology. X-ray computed tomography (CT) was employed to evaluate the inner structure,strut dimensions, pore size, as well as the surface morphology of additively manufacturedporous scaffolds. Uniaxial compression tests were conducted to obtain elastic modulus,compressive ultimate strength and yield stress. Finite element analysis was performedfor a body-centered cubic (BCC) element-based model and for CT-based reconstructiondata, as well as for a two-zone scaffold model to evaluate stress distribution during elasticdeformation. The scaffold with PRS post treatment displayed ductile behavior, while USVtreated scaffold displayed fragile behavior. Double barrel formation of PRS treated scaffoldwas observed during deformation. Finite element analysis for the CT-based reconstructionrevealed the strong impact of surface morphology on the stress distribution in comparisonwith BCC cell model because of partially molten metal particles on the surface of struts,which usually remain unstressed.
In the present work an approach is presented which combines various aspects of the former models with probability considerations. It is used to simulate the impact of more than one billion Alumina particles onto a steel substrate. This approach permits the simulation of an entire erosion experiment on an average PC within about six hours.
Typical transport packages used in Germany are equipped with wooden impact limiting devices. In this paper we give an overview of the latest status regarding the development of a finite element material model for the crush of spruce wood. Although the crush of wood – mainly in longitudinal direction – is a phenomenon governed by macroscopic fracture and failure of wood fibres we smear fracture and failure mechanisms over the continuous voume. In first step we altered an existing LS-DYNA material model for foams, which considers an ellipse shaped yield surface written in terms of the first two stress invariants. The evolution of the yield surface in the existing model depends on the volumetric strain only. For the use with spruce wood, we modified the existing material model to consider the deviatoric strain for the evolution of the yield surface as well. This is in accordance with the results of crush tests with spruce wood specimens, where the crushing deformation was rather deviatoric for uniaxial stress states and rather volumetric for multiaxial stress states We rate the basic idea of this approach to be reasonable, though other problems exist regarding the shape of the yield surface and the assumption of isotropic material properties. Therefore we developed a new transversal isotropic material model with two main directions, which considers different yield curves according to the multiaxiality of the stress state via a multi-surface yield criterion and a non-associated flow rule. The results show the ability to reproduce the basic strength characteristics of spruce wood. Nevertheless, problems with regularization etc. show that additional investigations are necessary.
Typical transport packages used in Germany are equipped with wooden impact limiting devices. In this paper we give an overview of the latest status regarding the development of a finite element material model for the crush of spruce wood. Although the crush of wood – mainly in longitudinal direction – is a phenomenon governed by macroscopic fracture and failure of wood fibres we smear fracture and failure mechanisms over the continuous voume. In first step we altered an existing LS-DYNA material model for foams, which considers an ellipse shaped yield surface written in terms of the first two stress invariants. The evolution of the yield surface in the existing model depends on the volumetric strain only. For the use with spruce wood, we modified the existing material model to consider the deviatoric strain for the evolution of the yield surface as well. This is in accordance with the results of crush tests with spruce wood specimens, where the crushing deformation was rather deviatoric for uniaxial stress states and rather volumetric for multiaxial stress states We rate the basic idea of this approach to be reasonable, though other problems exist regarding the shape of the yield surface and the assumption of isotropic material properties. Therefore we developed a new transversal isotropic material model with two main directions, which considers different yield curves according to the multiaxiality of the stress state via a multi-surface yield criterion and a non-associated flow rule. The results show the ability to reproduce the basic strength characteristics of spruce wood. Nevertheless, problems with regularization etc. show that additional investigations are necessary.
In-line laser thermography for crack detection at elevated temperature: A Numerical modeling study
(2016)
The detection and characterization of cracks prior to damage is a technologically and economically highly significant task and is of very importance when it comes to safety-relevant structures. The evaluation of a components life is closely related to the presence of cracks in it. Laser thermography has already high capability for the detection of surface cracks and for the characterization of the geometry of artificial surface flaws in metallic samples. Crack detection in metallic samples at high temperature is highly significant in present manufacturing scenario. During the casting process of billets, surface cracks form, due to the suboptimal cooling rates. These cracks reduce value of the billet and must be removed using machining process after cooling. This secondary process increases cost of manufacturing. In this work we developed a heat transfer model for laser thermography to study the thermal contrast variation with increase in surface temperature using finite element method (FEM). Here we are mainly concentrating the capability of the scanning laser thermography in crack detection which are in elevated temperature and numerical modeling study of thermal contrast variation of crack with respect increase in metal surface temperature. This study is important to prove the capability of laser thermography for crack detection in elevated temperature. Since we are using High power CW Laser to local heating of the metal surface which can give relatively high thermal contrast even at elevated temperature compare to other heating source. Here we are modeled and simulated 2D laser scanning across a surface breaking crack and developed an algorithm to produce the vicinity of crack. The algorithm we developed applied for various surface temperature data. And validated the credibility of the algorithm with experimental data.
Joining of dissimilar material has become highly popular research subject in the automobile industry due to the reduced weight and thereby increasing the fuel efficiency. Infrared thermography can be used as a natural tool to measure the temperature near the welding region and correlate the distribution of temperature to the weld quality. In the present work the quality of the dissimilar welded sample is identified using the temperature distribution in the vicinity of the weld pool region. A numerical model for CMT continues welding process has been modeled and simulated for the first time and compared with the experimental measurement.
Strain hardening ultra high performance fibre reinforced cementitious composites (UH-PFRCC) exhibit increased strength, ductility, and energy absorption capacity when compared to their quasi-brittle, unreinforced counterparts. A mesoscale finite element model can depict the underlying causes for the structural response of UHPFRC and thus help to optimize the fibre content, the fibre dimensions, and the fibre orientation.
Furthermore, it facilitates the investigation of strain rate effects in UHPFRCC under dynamic loading. The mesoscale model can either be used directly or as a representative volume element for a macroscale model.
This work proposes a two-dimensional and a three- dimensional mesoscale finite element model to simulate the structural response of strain hardening UHPFRCC. The mesoscale model employs an implicit gradient enhanced damage model, proposed by Peerlings et al., for the cement matrix and a local bond stress-slip model, proposed by Elige-hausen, Popov, and Bertero, for the bond between the cement matrix and the steel fibres. The steel fibres are modeled discretely as one-dimensional truss elements that are coupled to the cement matrix via bond elements. The implementation of hooked end fibres is realized in the constitutive equations of the bond elements.
The tensile stress-strain response of UHPFRCC is a consequence of local matrix cracking and bond failure. Both phenomena can be depicted when modeling the cement matrix, the steel fibres, and the fibre-to-matrix bond explicitly. In this work, the parameters for the constitutive equations of each constituent are determined through uniaxial Tension tests, bending tests, and fibre pullout tests. Additionally, UHPFRCC specimens are simulated with the same parameters and compared to experimental results.
Experimental study and numerical simulation of hot crack formation for novel laser weldability test.
(2015)
Laser beam welding is a widely established manufacturing process in several industries. The solidification cracking seriously effecting the safety of welded joints could arise during the beam welding of stainless steels caused by high solidification rates. In this study the controlled tensile weldability test (CTW) was used to investigate the solidification cracking susceptibility the fully austenitic stainless steels CrMnNi (1.4376), CrNi (1.4301), CrNiMo (1.4404) and CrNiSi (1.4828) during laser beam welding. The test facility allows welding of specimens with simultaneous application of tensile load along or cross to the welding direction while the speed of tensile force application is either constant or increases linearly. The tensile force increment and/or the displacement are set by means of a CNC controller. Trials were conducted by varying the ultimate tensile strain and cross-head speed while keeping the welding parameters constant. By observing the crack-no crack behaviour and estimating the generated crack length for each trail using a new optimized experimental procedure the influence of the two important conditions (the strain and the strain rate) for the formation of solidification cracks can be investigated, the critical values of strain and strain rate that are responsible for solidification cracking formation have been determined. In the present study a three-dimensional FEM using the contact element technique was developed to simulate the solidification cracking during laser full penetration welding under external load conditions for the steel 1.4376 in order to get a better understanding of the mechanisms of hot crack initiation and the theoretical results were compared to the experimental ones. By comparing the resulting solidification crack with simulated crack, it is possible to determine the critical condition of solidification crack formation in the region where the strains and the strain rates cannot be measured due to the high temperature. The results show a good agreement between numerical calculation and experiment. It is proposed that the solidification cracking susceptibility may be predicted by FEM analysis by using the correct mechanical and thermo-physical constants of the materials.
Duplex stainless steels have been used for a long time in the offshore industry, since they have higher strength than conventional austenitic stainless steels and they exhibit a better ductility as well as an improved corrosion resistance in harsh environments compared to ferritic stainless steels. However, despite these good properties the literature shows some failure cases of duplex stainless steels in which hydrogen plays a crucial role for the cause of the damage. Numerical simulations can give a significant contribution in clarifying the damage mechanisms. Therefore, a numerical model of a duplex stainless steel microstructure was developed enabling simulation of crack initiation and propagation in both phases. The phase specific stress strain analysis revealed that local plastic deformation occurs in both austenite and δ-ferrite already in the macroscopically elastic range. Altogether, phase specific hydrogen-assisted material damage was simulated for the first time taking into account all main factors influencing hydrogen assisted cracking process. The results agree well with experimental observations and thus allow a better insight in the mechanism of hydrogen-assisted material damage.
Die zerstörungsfreie Prüfung ist eine Aufgabe von großer Bedeutung, sowohl aus wirtschaftlicher Perspektive, als auch um die notwendige Sicherheit technischer Systeme gewährleisten zu können. Mit der Thermografie steht eine schnelle und berührungslose Prüftechnik zur Verfügung, die nicht zuletzt wegen der rapiden Entwicklung auf dem Gebiet der Infrarotkameras in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erfährt. Typischerweise werden thermografisch oberflächennahe, parallel zur Oberfläche ausgedehnte Defekte nachgewiesen. In dieser Arbeit werden zwei untypische Prüfprobleme gelöst. An Punktschweißverbindungen wird mit der Linsengröße eine Struktur in der Mitte der Probe mittels Blitzlichtthermografie indirekt vermessen. Hier können typische Fehlerbilder wie Klebverbindungen und Spritzer sicher erkannt werden, was statistisch abgesichert durch eine Serienmessung und den Vergleich mit zerstörender Prüfung gezeigt wird. Ein Beispiel für orthogonal zur Oberfläche orientierte Fehlstellen stellen Risse dar, wie sie beispielsweise in Schweißnähtenn häufig auftreten. Neben der Entwicklung eines Verfahrens zur Detektion von Rissen, welches auf kommerziell erhältlichen Geräten aufbaut, wurde in Experimenten und Finite-Elemente-Simulationen untersucht, inwieweit sich auch die geometrischen Eigenschaften bestimmen lassen. Mit einem Verfahren, das ebenso wie die Methode zur Prüfung der Schweißpunkte auf der Analyse zeitlich und räumlich integraler Größen basiert, die vom thermischen Widerstand abhängen, ist die gleichzeitige Bestimmung von Winkel und Tiefe möglich.