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SFB/Transregio 285

B04 - Risswachstum in gefügten Strukturen

Der Einsatz neuartiger Herstellprozesse erfordert die Auslegung der Bauteile hinsichtlich der statischen Festigkeit, der Dauerfestigkeit, der Rissempfindlichkeit und der Risswachstumslebensdauer. Dazu sind Rissausbreitungsuntersuchungen rissbehafteter Strukturen erforderlich. Ausgangspunkt für diese Untersuchungen sind Schädigungen infolge des Fügeprozesses sowie Anrisse, die während des Betriebs infolge von Ermüdung und/oder Korrosion entstehen. Mechanische Fügeverbindungen sind insbesondere durch Kontakt zwischen den Fügeteilen, hohe Spannungskonzentrationen, heterogene Materialzustände, Eigenspannungen und mehrachsige, außerphasige Spannungszustände gekennzeichnet. Diese Faktoren können ebenfalls die Ausbreitung eines Risses beeinflussen. Gleichzeitig liegt durch die Wandlungsfähigkeit der Prozessketten ein breites Spektrum an Material-Geometrie- bzw. Hilfsfügeteil-Werkzeug-Kombinationen vor. Das Teilprojekt B04 hat zum Inhalt ausgehend von technischen Anrissen das Risswachstum unter Berücksichtigung der genannten Faktoren und der Wandlungsfähigkeit der Prozessketten, die bei mechanisch gefügten Strukturen auftreten, zu untersuchen.

Ziele des Teilprojekts sind dabei die Charakterisierung des bruchmechanischen Eigenschaftsprofils mechanisch gefügter Strukturen sowie die durchgängige Beschreibung des Rissausbreitungsvorgangs und das Eintreten des instabilen Versagens unter Berücksichtigung der lokalen Spannungs- und Materialzustände. Durch die synergetische Nutzung der Methodenkompetenzen „experimentelle Risswachstumsuntersuchungen“, „theoretisch-analytische Modellierung des Risswachstums“ und „numerische Simulation des Risswachstums“ ist es möglich, eine umfassende und tragfähige Betrachtung des bruchmechanischen Verhaltens im Einsatz befindlicher gefügter Strukturen vorzunehmen und einen Beitrag zur ganzheitlichen Beschreibung der Fügbarkeit unter Berücksichtigung der wandlungsfähigen Prozessketten zu leisten. Dazu werden die bruchmechanischen Materialkennwerte der Ausgangswerkstoffe, der umgeformten Fügeteile und der gefügten Strukturen erforscht. Zusätzlich werden die wesentlichen werkstoff- und prozessseitigen Einflussfaktoren sowie deren Auswirkungen auf das Rissausbreitungsverhalten identifiziert.  Bruchmechanische Konzepte zur Vorhersage des Risswachstums sind u.U. um diese Erkenntnisse für mechanisch gefügte Strukturen zu erweitern. Zudem wird das von der FAM entwickelte Simulationsprogramm ADAPCRACK3D angepasst, sodass das Risswachstum ausgehend von einer Fehlstelle automatisiert simuliert und die Restlebensdauer für mechanisch gefügte Strukturen bestimmt werden kann. Die Untersuchungen des Risswachstums sollen Hinweise zur Gestaltung der Fügeverbindung und zur Bedeutung der wesentlichen werkstofflichen, geometrischen und prozessgrößenbezogenen Schwankungen liefern, die aufgrund der Wandlungsfähigkeit der Fügeprozesse notwendig sind, um die Ausbreitung eines Risses und instabiles Versagen bei mechanisch gefügten Strukturen zu vermeiden.

Risswachstum

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Veröffentlichungen


Liste im Research Information System öffnen


Experimental and numerical preliminary investigations of the base material and preformed components regarding fatigue crack growth in joined structures

D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer. Experimental and numerical preliminary investigations of the base material and preformed components regarding fatigue crack growth in joined structures. In: Material Science and Engineering Congress - MSE2020, Darmstadt, 2020.


Numerical and Experimental Fracture Mechanical Investigations of Clinchable Sheet Metals Made of HCT590X

D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer, Key Engineering Materials (2021), 883, pp. 127-132

DOI


Holistic investigation chain for the experimental determination of fracture mechanical material parameters with special specimens

D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer, Production Engineering (2021)

DOI




Fracture mechanical investigation of preformed metal sheets using a novel CC-specimen

D. Weiß, B. Schramm, in: Procedia Structural Integrity, Elsevier BV, 2022, pp. 879-885

DOI


Clinching of Aluminum Materials – Methods for the Continuous Characterization of Process, Microstructure and Properties

R. Kupfer, D. Köhler, D. Römisch, S. Wituschek, L. Ewenz, J. Kalich, D. Weiß, B. Sadeghian, M. Busch, J.T. Krüger, M. Neuser, O. Grydin, M. Böhnke, C.R. Bielak, J. Troschitz, Journal of Advanced Joining Processes (2022), 5, 100108

Clinching as a mechanical joining technique allows a fast and reliable joining of metal sheets in large-scale production. An efficient design and dimensioning of clinched joints requires a holistic understanding of the material, the joining process and the resulting properties of the joint. In this paper, the process chain for clinching metal sheets is described and experimental techniques are proposed to analyze the process-microstructure-property relationships from the sheet metal to the joined structure. At the example of clinching aluminum EN AW 6014, characterization methods are applied and discussed for the following characteristics: the mechanical properties of the sheet materials, the tribological behavior in the joining system, the joining process and the resulting material structure, the load-bearing behavior of the joint, the damage and degradation as well as the service life and crack growth behavior. The compilation of the characterization methods gives an overview on the advantages and weaknesses of the methods and the multiple interactions of material, process and properties during clinching. In addition, the results of the analyses on EN AW 6014 can be applied for parameterization and validation of simulations.


Further Development of 3D Crack Growth Simulation Program to Include Contact Loading Situations

T.D. Joy, D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer, Applied Sciences (2022), 12(15), 7557

Crack growth in structures depends on the cyclic loads applied on it, such as mechanical, thermal and contact, as well as residual stresses, etc. To provide an accurate simulation of crack growth in structures, it is of high importance to integrate all kinds of loading situations in the simulations. Adapcrack3D is a simulation program that can accurately predict the propagation of cracks in real structures. However, until now, this three-dimensional program has only considered mechanical loads and static thermal loads. Therefore, the features of Adapcrack3D have been extended by including contact loading in crack growth simulations. The numerical simulation of crack propagation with Adapcrack3D is generally carried out using FE models of structures provided by the user. For simulating models with contact loading situations, Adapcrack3D has been updated to work with FE models containing multiple parts and necessary features such as coupling and surface interactions. Because Adapcrack3D uses the submodel technique for fracture mechanical evaluations, the architecture of the submodel is also modified to simulate models with contact definitions between the crack surfaces. This paper discusses the newly implemented attribute of the program with the help of illustrative examples. The results confirm that the contact simulation in Adapcrack3D is a major step in improving the functionality of the program.


Influence of plane mixed-mode loading on the kinking angle of clinchable metal sheets

D. Weiß, B. Schramm, G. Kullmer, in: Procedia Structural Integrity, Elsevier BV, 2022, pp. 139-147

DOI


A Review on the Modeling of the Clinching Process Chain - Part III: Operational Phase

B. Schramm, S. Harzheim, D. Weiß, T.D. Joy, M. Hofmann, J. Mergheim, T. Wallmersperger, Journal of Advanced Joining Processes (2022), 100135

DOI


Development of a method for the separate measurement of the growth of internal crack tips by means of the potential drop method

G. Kullmer, D. Weiß, B. Schramm, Engineering Fracture Mechanics (2022), 108899

DOI


Fracture mechanical evaluation of the material HCT590X

B. Schramm, D. Weiß, Materials Testing (2022), 64(10), pp. 1437-1449

For a reliable, strength-compliant and fracture-resistant design of components and technical structures and for the prevention of damage cases, both the criteria of strength calculation and fracture mechanics are essential. In contrast to strength calculation the fracture mechanics assumes the existence of cracks which might further propagate due to the operational load. First, the present paper illustrates the general procedure of a fracture mechanical evaluation of fatigue cracks in order to assess practical damage cases. Fracture mechanical fundamentals which are essential for the calculation of the stress intensity factors <jats:italic>K</jats:italic> <jats:sub>I</jats:sub> and the experimental determination of fracture mechanical material parameters (e.g. threshold Δ<jats:italic>K</jats:italic> <jats:sub>I,th</jats:sub> against fatigue crack growth, crack growth rate curve) are explained in detail. The subsequent fracture mechanical evaluation on the basis of the local stress situation at the crack tip and the fracture mechanical material data is executed for different materials and selected crack problems. Hereby, the main focus is on the material HCT590X as it is the essential material being investigated by TRR285.</jats:p>


A Review on the Modeling of the Clinching Process Chain - Part I: Design Phase

B. Schramm, S. Martin, C. Steinfelder, C.R. Bielak, A. Brosius, G. Meschut, T. Tröster, T. Wallmersperger, J. Mergheim, Journal of Advanced Joining Processes (2022), 6, 100133

DOI


A Review on the Modeling of the Clinching Process Chain - Part II: Joining Process

B. Schramm, J. Friedlein, B. Gröger, C.R. Bielak, M. Bobbert, M. Gude, G. Meschut, T. Wallmersperger, J. Mergheim, Journal of Advanced Joining Processes (2022), 100134

DOI


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Kontakt

Dr.-Ing. Britta Schramm

Sonderforschungsbereich Transregio 285

Teilprojekt B04

Britta Schramm
Telefon:
+49 5251 60 5327

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Prof. Dr.-Ing. Gunter Kullmer

Sonderforschungsbereich Transregio 285

Teilprojekt B04

Gunter Kullmer
Telefon:
+49 5251 60 5320
Büro:
IW1.878

Kontakt

M. Sc. Deborah Weiß

Sonderforschungsbereich Transregio 285

Teilprojekt B04

Deborah Weiß
Telefon:
+49 5251 60 4389

Kontakt

Tintu David Joy, M. Sc.

Sonderforschungsbereich Transregio 285

Teilprojekt B04

Tintu David Joy