Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Paper des Monats
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Eingeladener Vortrag
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The determination of the fatigue life in technical alloys containing large and small defects must rely on a propagation model which accounts for short and long crack growth. Recently an analytical model which incorporates propagation in the short crack regime and plastic correction for the crack driving force has been presented by two of the authors.
This work is intended to show further validation of the model, taking into account data sets for different materials with different testing conditions.
Despite the assumptions about missing parameters, the value of which had to be taken from the literature, the predictions showed a fairly good approximation of the fatigue lives. A possible interpretation of the results in terms of multiple crack initiation and propagation at higher loads is proposed.
Analytical flaw assessment
(2018)
The paper provides a review on analytical flaw assessment methods with the focus on fracture under monotonic loading and fatigue crack propagation. The first topic comprises linear elastic as well as elastic-plastic fracture mechanics approaches. It essentially follows their historical development. Topics which are separately discussed are reference/Limit loads, the treatment of secondary stresses, strength mismatch, constraint, unstable crack propagation (monotonic R-curve analyses) and statistical aspects. With respect to fatigue crack propagation the analytical treatment of crack closure and constraint and the Determination of the cyclic elastic-plastic crack driving force is discussed. Finally, cyclic Rcurve analyses are briefly addressed.
Analytische bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen (IBESS-A3)
(2016)
Ziel des DFG-AiF-Forschungsclusters IBESS war die Entwicklung einer Methodik zur bruchmechanischen Ermittlung von Wöhlerkurven in Schweißverbindungen. Dem vorliegenden Teilprojekt A3 kamen dabei zwei Aufgaben zu: die Entwicklung einer analytischen bruchmechanischen Methodik und die Koordinierung des insgesamt acht Partner umfassenden Clusters. Dieser Bericht fasst die Ergebnisse der erstgenannten Aufgabe zusammen. Die bruchmechanische Methode ist durch folgende Aspekte charakterisiert. (a) Sie beschreibt sowohl Kurz- als auch Langrisswachstum. Ersteres umfasst mechanisch und physikalisch kurze Risse. Mechanisch kurze Risse weisen Abmessungen in der Größenordnung der plastischen Zone auf, weshalb sie zwar bruchmechanisch, nicht jedoch auf der Basis des linear-elastischen K-Konzepts charakterisiert werden können. Im Projekt wurde entsprechend eine Methode zur Bestimmung eines „plastizitätskorrigierten“ zyklischen K-Faktors entwickelt, die auf dem zyklischen J-Integral beruht. Physikalisch kurz bedeutet, dass die Rissschließeffekte im Ausgangsstadium der Rissentwicklung zunächst noch nicht vorhanden sind, dann jedoch graduell aufgebaut werden, bis sie mit Erreichen des Langrissstadiums eine risstiefenunabhängig konstante Größe erreichen. Beschrieben wird dieser Effekt durch die Anwendung der sogenannten zyklischen R-Kurve, der Funktion des Schwellenwerts gegen Rissausbreitung von der Risstiefe. Mittels Rissarrestbetrachtungen des kurzen Risses werden (b) die Ausgangsrissgröße für die weitere Bruchmechanikanalyse und (c) die für N = 107 definierte Dauerfestigkeit der Bauteile bestimmt. Die Analyse erfolgt (d) statistisch, Schwankungen der lokalen Nahtgeometrie entlang des Nahtübergangs über ein Modell äquidistanter Abschnitte einbezogen werden. (e) Eigenspannungen werden sowohl im unbehandelten Schweißzustand als auch nach zyklischer Belastung berücksichtigt. Das Modell wird an insgesamt 33 Wöhlerkurven validiert, die an drei Schweißverbindungsformen (Stumpfstoß, Kreuzstoß, Längssteife) mit je zwei unterschiedlichen Ausführungen, zwei Werkstoffen (S355NL und S960QL), sowie im spannungsarmgeglühten und ungeglühten Zustand experimentell ermittelt wurden.
The application of fracture mechanics to the determination of the fatigue behavior of weldments is discussed with the focus on classic fatigue, i.e., the overall fatigue life and the fatigue strength in terms of an S-N curve and the endurance limit. The following issues are addressed: specific features of short fatigue crack propagation, an adequate initial crack size, multiple crack propagation and its statistical treatment as well as welding residual stresses. As an example, an approach of the authors is applied to the determination of FAT classes for a butt weld with varying weld toe geometry.
The two-part paper series provides an overview on the state-of-the-art in the application of engineering fracture mechanics to weldments limited to butt and fillet welds with crack initiation at weld toes. In the present second part, one focus is on welding residual stresses, their characteristics and stability under cyclic loading and their effect on structural integrity. Subsequently, features will be addressed which are essential for applying fracture mechanics to overall fatigue life and fatigue strength considerations of weldments. These comprise fatigue life relevant initial crack sizes and multiple crack initiation and Propagation due to various stress peaks along the weld toe. A concept is briefly introduced which covers all these aspects.
The paper deals with the prediction of the fatigue Limit of notched specimens. Some authors in the literature have shown that this issue can be solved by employing an approach based on critical distances, others used elastic fracture mechanics. In this paper the fatigue limit of notched specimens is given by the non-propagating condition of mechanically small surface cracks. According to the so-called cyclic R-curve method, the crack driving force of a growing small crack is compared to its resistance force, which incorporates the gradual build-up of crack closure. The fatigue limit is determined by that applied nominal stress, for which the tangency condition of crack driving and resistance force is satisfied. The approach has been modified to incorporate plasticity effects in the mechanically short crack Regime and it has been applied to a mild and a high-strength steel, in case of an infinite plate with circular hole under remote tensile stress. The method has been successfully applied to the evaluation of fatigue notch-sensitivity in case of surface roughness.
A discussion is provided on demands that must be met in order to apply fracture mechanics to the determination of overall fatigue lifetime and strength, i.e., S-N curves and fatigue limits. These comprise the determination of the cyclic crack driving force for all stages of fatigue crack propagation, in particular for the short crack stage where the crack driving force has to be determined for elastic-plastic deformation and the gradual build-up of the crack closure phenomenon. Special emphasis is put on a fatigue damage relevant specification of the initial crack size. Different approaches in the literature are discussed. Another important aspect is the adequate treatment of multiple crack propagation. Finally, the discussion is illustrated by an example of a butt weld made of a medium strength steel.
Approximation of the crack driving force for cracks at notches under static and cyclic loading
(2017)
The work deals with the efficient calculation of the elastic-plastic crack driving force (J-integral for monotonic loading andΔJ-integral under cyclic loading) for short cracks at notches as essential parameter for the reliable static and fatigue assessment of notched structures. The J- or ΔJ-integral is calculated based on analytical solutions for stress intensity factors, estimated by means of well-known weight function solutions in the case of cracks under power-law stress distributions. A plasticity-correction function is applied to the stress intensity factors to obtain the final expression of the crack driving force. The comparison between analytical solutions and finite element calculations in case of cracks at the weld toe in welded joints shows good agreement.
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.