Festigkeitsoptimierte und bruchsichere Gestaltung von Bauteilen

Das Arbeitsgebiet "Festigkeitsoptimierte und bruchsichere Gestaltung von Bauteilen" unterteilt sich in:

• Sonderforschungsbereich TRR30: Risswachstum in gradierten Materialien und Strukturen
   
• Numerische Simulation von Risswachstumsvorgängen
   
• Experimentelle Untersuchungen des Ermüdungsrisswachstums
   
• Numerische Untersuchungen zur Wirkung von Betriebsbelastungen
   
• Strukturmechanik
   

und behandelt die Dimensionierung und Optimierung von Bauteilen und Strukturen auch im Hinblick auf die praxisorientierte Weiterentwicklung bestehender Finite-Elemente-Standardsoftware und deren effiziente Nutzung in vielen Anwendungen.

Das Ausbreitungsverhalten von Ermüdungsrissen ist in vielen Fällen für Bauteile und technische Strukturen lebensdauerbestimmend. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass zur Vermeidung von Schadensfällen zuverlässige Simulationsmethoden von entscheidender Bedeutung sind. Daher wird die Entwicklung von Programmen zur Numerischen Simulation von Risswachstumsvorgängen insbesondere unter Ermüdungsbelastung vorangetrieben. Dabei sind Simulationsprogramme sowohl für 2D- als auch für 3D-Rißausbreitungsvorgänge entwickelt worden.

Bei der Entwicklung solcher Simulationsprogramme sind im Wesentlichen zwei Aufgabenstellungen zu betrachten. Zum einen ist es notwendig, geeignete Konzepte für die Berechnung von Risswachstum und -richtung zu konzipieren. Zum anderen ist es erforderlich, eine geometrische Netzadaption (u. U. mit lokaler Netzgenerierung) für die notwendige Anpassung des Rissfortschritts an die lokalen Beanspruchungsgrößen im Rissnahfeld zu implementieren.

Ablauf bei numerischer Simulation mittels der Fininte-Elemente-Methode

Während des Einsatzes von Bauteilen und Strukturen entstehen durch schwingende Belastungen mit plötzlichem Belastungswechsel Ermüdungsrisse. Um aus sicherheitstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine optimale Bauteilbemessung zu ermöglichen, sind grundlegende experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der plötzlichen Belastungswechsel auf das Ermüdungsrisswachstum während des Einsatzes notwendig.

Dazu zählen z.B. Untersuchungen zur Wirkung von einzelnen Überlasten, Überlastkombinationen und Blocklasten in unterschiedlichen Belastungssituationen (Mixed-Mode), um so die tatsächlichen Betriebsbelastung während eines Versuchs zu simulieren.
Darüber hinaus werden in der Fachgruppe Angewandte Mechanik elastisch-plastische FE-Simulationen durchgeführt, um die auftretenden Reihenfolgeeffekte erklären zu können.

Probe mit Überlasten

Ein wesentliches Ziel bruchmechanischer  Forschungsarbeiten ist es, verlässliche Bruchkriterien zu entwickeln, welche für die Analyse und Vorhersage der Rissausbreitung unter allgemeiner Belastung (Zug, Schub, Biegung, und Torsion) in Bauteilen beliebiger geometrischer Form entscheidend sind, um die Integrität bzw. Sicherheit technischer Strukturen (Verkehrsmittel, Brücken, Kraftwerkskomponenten, usw.) zu gewährleisten. Dadurch können Kosten gespart werden sowie Katastrophen vermieden und die Umwelt geschützt werden. 

FEM-Modell für virtuelle Rissschließungsintegral Methode