New biaxial experiments with flat metal specimens for development of damage and failure models
Final Report Abstract
Durch aktuelle Entwicklungen im Leichtbau werden an die verwendeten Materialien sehr hohe Anforderungen gestellt. Insbesondere bei mehrdi-mensional beanspruchten Leichtbauwerkstoffen müssen daher detaillierte Kenntnisse über deren Eigenschaften vorhanden sein, um eine belastbare Vorhersage der Sicherheit von Bauteilen treffen zu können. Hierzu wurden biaxiale Experimente mit neu entwickelten Probekörpern und korrespondierende numerische Simulationen durchgeführt, um detaillierte Erkenntnisse über Schädigungs- und Versagensmechanismen von duktilen Metallen zu gewinnen. Basierend auf hieraus erhaltenen Ergebnissen wurde ein Schädigungs- und Versagensmodell weiterentwickelt, das für eine große Bandbreite von Spannungszuständen angewendet werden kann. Aus experimentellen Beobachtungen ist bekannt, dass bei zugdominierten Belastungen die Schädigung vor allem durch Porenwachstum und deren Zusammenschluss hervorgerufen wird, während bei schub- und druckdominierten Beanspruchungen in erster Linie Mikroscherrisse die Schädigung verursachen. Daher ist es von außerordentlicher Bedeutung, den gesamten Schädigungsvorgang im eingesetzten Werkstoff bis zum endgültigen Versagen verstehen und analysieren zu können, um daraus ein realistisches, akkurates und effizientes numerisches Simulationsmodell zu entwickeln. Zur Analyse der vom Spannungszustand abhängigen Schädigungs- und Versagensprozesse wurden neue Experimente entwickelt, bei denen die kreuzförmigen Probekörper in zwei Richtungen mit unterschiedlichen Lastverhältnissen beansprucht werden können. Um gewünschte Spannungszustände hervorzurufen, mussten im zentralen Probenbereich spezielle Geometrien entworfen werden. Dazu wurden drei unterschiedliche Probekörper (Z-, X0- und H-Probe) ausgewählt, mit denen durch Variation der Lastverhältnisse eine große Bandbreite von Spannungszuständen in kritischen Probenbereichen, in denen Schädigungen und das Versagen erwartet werden, abgedeckt werden konnte. Parallel wurde ein Kontinuumsschädigungsmodell weiterentwickelt, wobei insbesondere die vom Spannungszustand abhängigen, die Schädigung beschreibenden Funktionen ermittelt werden konnten. Damit war es möglich, das in den Experimenten beobachtete Verhalten der Probekörper numerisch zu simulieren. Anhand der numerisch gewonnenen Daten konnte ein auf kritischen Schädigungsvariablen basierendes Risskriterium entwickelt werden, das die Prognose des Versagens von Bauteilen erlaubt. Bei der Bearbeitung der beiden Förderperioden des Projektes ist das effiziente Zusammenspiel von Experimenten und numerischen Simulationen deutlich geworden, das eine umfassende Analyse des Deformations-, Schädigungs- und Versagensverhaltens von Werkstoffen und Bauteilen ermöglicht.
Publications
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Biaxial experiments and numerical analyses on damage prediction in metal forming processes. Matec Web of Conferences 80, 2016
M. Brünig, S. Gerke, M. Schmidt
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Biaxial experiments and numerical simula-tions on damage and fracture mechanisms in ductile metals at different loading conditions. Procedia Structural Integrity 2, 2016, 3109-3116
M. Brünig, S. Gerke, M. Schmidt
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Biaxiale Experimente und numerische Simulationen zum Schädigungs- und Versagensverhalten duktiler Metalle. In: Berichte der 49. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit, DVM-Bericht 249, Berlin 2017, 179-188 (ISSN 2366-4797)
M. Brünig, S. Gerke, M. Schmidt
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Experiments and numerical simulation of stress-state-dependent damage in sheet metal forming. Journal of Physics: Conference Series 896, 2017, 012077
M. Brünig, S. Gerke, M. Schmidt
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Damage and failure at negative stress triaxialities: Experiments, modeling and numerical simulations. International Journal of Plasticity 102, 2018, 70-82
M. Brünig, S. Gerke, M. Schmidt
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Damage and fracture in ductile sheet metals: Experiments and numerical simulations with new biaxial specimens. In: H. Altenbach et al. (Eds.), Advances in Mechanics of Materials and Structural Analysis: In Honor of Reinhold Kienzler, Springer-Verlag, Berlin 2018, 99-116
S. Gerke, M. Schmidt, M. Dirian, M. Brünig
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Schädigungs- und Versagensverhalten duktiler Metalle: Neue biaxiale Versuchskörper. In: Berichte der 50. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit, DVM-Bericht 250, Berlin 2018, 29-38 (ISSN 2366-4797)
S. Gerke, M. Schmidt, M. Brünig
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The effect of negative stress triaxialities on ductile damage and fracture behavior in metal sheets, Structural Integrity Procedia 13, 2018, 91-96
M. Schmidt, S. Gerke, M. Brünig
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A fracture criterion for ductile metals based on critical damage parameters. Continuum Mechanics and Thermodynamics 33, 2021, 1011-1022
M. Brünig, M. Schmidt, S. Gerke
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Numerical analysis of stress-state-dependent damage and failure behavior of ductile steel based on biaxial experiments. Computational Mechanics 68, 2021, 487-497
M. Brünig, M. Schmidt, S. Gerke
