TY - THES A1 - Thumser, Rayk T1 - Simulation des Rissfortschritts in autofrettierten und nicht autofrettierten Bohrungsverschneidungen auf der Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik T1 - Crack Growth Simulation on Autofrettaged and Not Autofrettaged Cross Borings on the Basis of Linear Elastic Fracture Mechanics N2 - Die betriebsfeste Auslegung von Hochdruckbauteilen ist technisch-wirtschaftlich notwendig. In dieser Arbeit werden die wissenschaftlichen Grundlagen dafür erarbeitet. Die technische Entwicklung der Hochdruckbauteile führt insbesondere bei Dieselmotoren zu stetig steigenden Drücken und damit zu einer wachsenden Herausforderung bei der Festigkeitsauslegung. Bei Hochdruckbauteilen sind die Möglichkeiten der Schwingfestigkeitssteigerung, z. B. durch Wanddickenvergrößerung oder durch den Einsatz höherfester Werkstoffe, begrenzt. Eine breite industrielle Anwendung findet derzeit die Autofrettage. Bei diesem Verfahren erzeugt eine einmalige statische Überlast tief in das Bauteil reichende Druckeigenspannungsfelder, die zu einer erheblichen Schwingfestigkeitssteigerung, insbesondere in der Rissfortschrittsphase, führen. Zuverlässige Lebensdauervorhersageverfahren für diese Phase existieren derzeit nicht. Sie werden in der vorliegenden Arbeit entwickelt und anhand experimenteller Ergebnisse verifiziert. Für das Berechnungsverfahren fand ein ingenieurmäßiger Ansatz Verwendung. Darin sollten zwar alle relevanten Effekte abgebildet werden, jedoch Komplexität und Modellierungsaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen. Sie umfassen die Berechnung der Autofrettageeigenspannungen, der Spannungsintensität, des Rissöffnungs- und Rissschließverhalten und des Rissfortschrittes. Das Modul Eigenspannungsberechnung für die Autofrettage basiert auf der Superposition von Autofrettagebe- und -entlastung und ermöglicht die notwendige Berücksichtung des Bauschinger-Effektes. Spannungsintensitäten werden mit einer 3D-Gewichtsfunktion für einen ebenen Riss unter Mode I Beanspruchung ermittelt, weil aufgrund der Symmetrie der meisten Hochdruckbauteile das stabile Langrisswachstum ausschließlich unter Mode I Beanspruchung stattfindet. Die Rissöffnungs- und -schließeffekte werden über Näherungsformeln abgebildet. In der Anwendung dieser Näherungsformeln hat sich die Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. durch den Vergleich mit von rechnerischen mit experimentellen Lebensdaueren als am Besten geeignet erwiesen. Bei dem untersuchten Werkstoff 42CrMo4 spielen die Reihenfolgeeffekte eine untergeordnete Bedeutung und werden deshlab nicht modelliert. Für die Rissfortschrittsbeziehung konnte auf die Formulierung der Paris-Erdogan Beziehung für effektive Schwingweiten zurückgegriffen werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen, aber in dieser Zusammenstellung ein neuer Ansatz. Da die Einzelmodule nur in geringem Umfang zu verifizieren sind, kann das Berechnungsverfahren nur in seiner Gesamtheit durch den Vergleich von experimentellen zu vorhergesagten Lebensdauern und Dauerfestigkeiten überprüft werden. In verschiedenen Sensitivitätsanalysen konnten für die Berechnungsparameter Rissöffnungsbeziehung, Anfangsrisslänge, Bruchzähigkeit, Rissfortschrittsgleichung und Schwellwert der Spannungsintensität der Einfluss auf die berechnete Rissfortschrittslebensdauer und -dauerfestigkeit aufgezeigt werden. So hat der Schwellwert der Spannungsintensität einen geringen Einfluss auf die Vorhersage der Rissstillstandsdauerfestigkeit autofrettierter Kreuzbohrungen, weil der Rissöffnungsdruck sehr nahe am Maximaldruck ist. Eine andere Sensitivitätsanalyse zeigt beispielsweise, dass sich die längsten Rissfortschrittslebensdauern bei Verwendung der Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. ergeben, weil diese Beziehung die größten Rissöffnungsdrücke vorhersagt. Für die Verifikation des Berechnungsverfahrens sind Innendruckschwellversuche an insgesamt 14 Versuchsreihen mit Kreuzbohrungen durchgeführt worden. Die allgemeine Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens konnte durch die Anwendung auf Kreuzbohrungen aus den Forschungsvorhaben Autofrettage I-III, auf Railstücke und auf Hochdruckverteilerleisten nachgewiesen werden. Auch hier stützt sich die Verifikation auf umfangreiche experimentelle Ergebnisse. Die statistische Auswertung des Verhältnisses der vorhergesagten zu experimentellen Lebensdauern und Schwingfestigkeiten aller untersuchten Bohrungsverschneidungen zeigt eine gute mittlere Vorhersagegüte bei geringer Streuung. Damit ist die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Lebensdauervorhersagemethode nachgewiesen. N2 - From a technical and economical point of view it is necessary to examine the operational life of high strength components. This work will develop scientific bases for it. The technical development of high pressure components in particular for diesel engines leads to ever increasing pressures and thereby becoming a growing challenge in the evaluation of the design strength. The possibilities of increasing fatigue in high components such as an increase in wall thickness or the use of higher materials strengths is limited. The Autofrettage is currently widely used in the industry. This procedure creates a single static overload deep into the component reaching pressure residual stress fields which lead to a significant increase in fatigue, especially in the crack growth. Currently reliable lifetime prediction methods for this phase do not exist. They are presented in this work and developed the basis of verified experimental results. An engineering approach was used for the calculation procedures. However the aim is to show all relevant effects without introducing a complex model. The selected modules are calculated after analysis of the literature. This includes the calculation of Autofrettage stress, the stress intensity, the crack opening and closing behaviour of the crack growth. The residual stress calculation module for Autofrettage is based on the superposition of Autofrettage load as well as discharge and makes it possible to consider the Bauschinger effect. Stress intensities are identified with a 3-D weight function for a plane crack under mode I stress because due to the symmetry of the highest pressure components the stable long crack growth only takes place under stress mode I. The crack opening and closing effects are reproduced with approximation equations. In the application of this approximation, the crack opening relations by Ibrahim et. al. has proven to be best suitable when comparing the arithmetic with the experimental lifes. In the analyzed material 42CrMo4 overload and underload effects play a minor role and are thus not modelled. The phrasing of the Paris-Erdogan relationship for effective stress intensity factor was used for the crack growth relationship. The calculation modules are selected after analyzing the literature; however this configuration in this context it represents a new approach. Since the individual modules can merely be verified on a small scale, the calculation method can only be checked in its entirety by the comparison of experimental to predicted life and fatigue. The influence on the calculated crack growth life and fatigue can be shown in various sensitivity analyses when taken the following calculation parameters into account: crack opening relation, crack start length, fracture toughness, crack growth equation and threshold. Thus, the threshold of the stress intensity has little influence on the prediction cracks fatigue stoppage of auto-fretted cross bores as the crack opening force is very close to the maximum pressure. For example another sensitivity analysis shows that the longest crack growth longevity result when using the crack opening relations by Ibrahim et. al. as this relation predicts the crack opening pressures. In total 14 test series of cross borings were carried out for the verification of the calculation procedure for the threshold of the inner pressure experiments. The general applicability of the calculation process was demonstrated through the application of cross-drilling from the research projects Autofrettage I-III on Rail pieces and high pressure distribution parts. Once again, the verification is based on extensive experimental results. The statistical analysis of the ratio of predicted to experimental lifes and fatigue strength of all investigated crossbores shows a suitable prediction quality for mean value with low dispersion. This demonstrates the performance of the proposed life prediction method. KW - Bruchmechanik KW - Linearelastische Bruchmechanik KW - Autofrettage KW - Hochdruck KW - Fraktographie KW - Ermüdung KW - Ermüdung bei hohen Lastspielzahlen KW - Ermüdung b KW - fatigue KW - linear elastic fracture mechanics KW - autofrettage KW - local approach Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20090609-14729 SN - 978-3-86068-389-7 ER - TY - THES A1 - Abebe, Beka Hailu T1 - Fatigue Life Assessment of Diesel Engine Pump Part N2 - The intention of this thesis is first, to determine material constants of ductile cast irons (EN-GJS-400-15,EN-GJS-500-7, EN-GJS-600-3) for estimating fatigue damage. These constants are obtained from experimental results. These results are stress versus strain tests, strain versus crack initiation life tests,and consequently, Smith, Watson and Topper damage parameter, PSWT can be calculated. Using data fitting, the constants can be estimated, thus Uniform Material Law for ductile cast irons is fulfilled. Endurance limit stress is obtained based on research report termed Synthetic Wöhler Lines(SWL).It is found out that the endurance limit stress is a function of yield limit stress. Endurance life cycle is set as three millions for the three materials. Secondly, fatigue life assessment is done for diesel engine pump part made of the three ductile cast irons. Finite element calculation is done to get elastic stress concentration factor, Kt, and plastic notch factor Kp. Neuber ´s rule is used to determine local stress at notch subjected to constant amplitude load test and variable amplitude loading. The constant amplitude loading is conducted at a stress ratio of R=0 on the pump part. The test results show that fatigue life assessment based on the material constants is accurate. On the basis of the accuracy of constant amplitude test results, it is possible to determine for fatigue life for variable amplitude loading which is the real loading on the pump part. The variable amplitude loading is normally standardized for computational efficiency. This standardized loading is termed as CORAL (COmmon RAil Loading) sequence. CORAL is used to calculate fatigue life of pump part and is inputted to a Fatigue Life Evaluation computer program. This program uses rain flow cycle counting method. It can be concluded that the material constants for ductile cast irons fit well which is proved by experimental tests by constant amplitude loading on pump part. Then life prediction can be done for the typical pump loading, standardized variable amplitude loading known as CORAL KW - Materialermüdung KW - Fatigue KW - CORAL KW - ductile cast iron KW - diesel engine pump part Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20081027-14331 ER - TY - THES A1 - Diemar, Andreas T1 - Simulation des Einsatzhärtens und Abschätzung der Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Bauteile T1 - Simulation of case hardening and fatigue limit estimation of case hardened components N2 - Die vorliegende Arbeit besitzt zwei Schwerpunkte. Zum einen wird das Einsatzhärten von Bauteilen basierend auf vorhandenen Materialmodellen simuliert. Zum anderen wird ein Konzept zur Abschätzung der Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Bauteile vorgestellt, in dem wesentliche Ergebnisse der Wärmebehandlungssimulation als neue Ausgangsgrößen verwendet werden. Damit konnte erstmals ein geschlossenes werkstoffmechanisches Dauerfestigkeitskonzept für einsatzgehärtete Bauteile erarbeitet werden. Für die Analyse beliebiger Bauteilgeometrien ist eine Implementation der Materialmodelle in die FEM notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das FE-Programm ABAQUS verwendet. Speziell für dieses FE-Programm wurde innerhalb dieser Arbeit das Subroutine-System ANTRI zur Simulation des Einsatzhärtens und Abschätzung der Dauerfestigkeit für einsatzgehärtete Bauteile entwickelt. Zur Verifikation des Subroutine-Systems ANTRI wurden experimenteller Ergebnisse aus der Literatur herangezogen. Für alle untersuchten Beispiele wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen experimentell ermittelten Daten und simulierten Daten festgestellt. N2 - This thesis has two focuses. On the one hand, case hardening of components is simulated on the basis of existing material models. On the other hand, a concept is presented to evaluate the fatigue limit of case hardened components. In this concept the results of heat treatment simulation are used as new initial parameters. For the first time a complete (material-mechanical) concept for the fatigue limit of case hardened components is presented. For the analysis of any component geometry, an implementation of material models in FEM is necessary. The FE-program ABAQUS has been used in the frame of this thesis. The ANTRI subroutine system has been developed especially for this program to simulate case hardening and the evaluation of the fatigue limit for case hardened components. Experimental results found in publications have been used to verify the ANTRI subroutine system. A very good match has been observed between the data obtained through experiments and the simulated ones. KW - Wärmebehandlung KW - Mehrachsige Beanspruchung KW - Einsatzhärten KW - Aufkohlung KW - Phasenumwandlung KW - Eigenspannung KW - Plastizität KW - Dauerfestigk KW - transformationsinduzierte Plastizität KW - Fehlstellenmodell KW - Statistischer Größeneinfluss KW - transformation plasticity KW - weakest-link model KW - statistic size effect Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20080213-12945 ER - TY - THES A1 - Bolle, Guido T1 - Zur Bewertung des Belastungsgrades biegebeanspruchter Stahlbetonkonstruktionen anhand von Last-Verformungs-Informationen T1 - Assessment of the loading state of reinforced concrete structures subject to bending based on load-deformation-information N2 - Die Beurteilung des Beanspruchungsgrades während eines Versuchs zur experimentellen Tragsicherheitsbewertung erfolgt auf Grundlage der zeitgleich dargestellten Beanspruchungs-Verformungsbeziehung. Für ein frühzeitiges Erkennen von Strukturveränderungen (Rißbildung/Plastizierung) eignen sich jedoch insbesondere Energiebetrachtungen während der verschiedenen Versuchsphasen, da diese das Zusammenspiel von Einwirkung und Tragwerksreaktion vollständig widerspiegeln und auch geringe irreversible Strukturänderungen immer mit Energiedissipation verbunden sind. In der Arbeit wird der Versuchsgrenzlastindikator deltaS (normierte Strukturveränderungsenergie) vorgestellt. Dieser Parameter erfaßt nur die bei Belastungsversuchen interessanten Strukturveränderungen und ermöglicht damit eine objektive Beurteilung des eingereichten Beanspruchungsgrades und eine zuverlässige Identifikation der Versuchsgrenzlast. Anhand von Versuchen im Labor und am realen Bauwerk wird die Anwendung des Indikators erläutert und seine Eignung nachgewiesen. N2 - The evaluation of the loading state during a test for experimental assessment of the load bearing capacity happens based on the coincident in time visualised load-deformation-relation. To recognise irreversible changes of the structure(crack formation / plastic deformation) at an early stage, especially the observation of the energy dissipation during the different test phases is suitable, because it mirrors the complete combination of action and reaction of the structure and low irreversible changes of the structure are connected with energy dissipation too. In this paper the ultimate test load indicator deltaS (normalised energy dissipation by irreversible structural changes)is introduced. This parameter registers only the irreversible changes of the structure, which are of interest during a load test and allows the objective assessment of the reached loading state and the reliable identitfication of the ultimate test load. Based on in-lab tests and on tests of real structures the application of the indicator is explained and its suitability is proved. KW - Stahlbetonkonstruktion KW - Tragverhalten KW - Traglast KW - Deformationsverhalten KW - Energiedissipation KW - Stahlbeton KW - Indikator KW - Belastungsversuch KW - Versuchsmethode KW - energy-dissipation KW - reinforced-concrete KW - indicator KW - load-test KW - test-method Y1 - 1999 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040212-245 ER -