Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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.
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.