Entwicklung einer Prüfvorrichtung für räumliche Mixed-Mode-Beanspruchung

Abstract

Bei im Bauwesen üblichen Festigkeitsnachweisen werden die Defekte der Materialien nicht berücksichtigt, daher kann es passieren, dass Bauteile, die auf konventionellem Wege bemessen wurden, durch Bruch versagen. Bisherige Schadensfälle zeigten, dass das reale Bruchverhalten der Werkstoffe noch nicht genug erforscht wurde. Das Fachgebiet der Bruchmechanik beschäftigt sich mit dem Materialverhalten unter verschiedenen Bedingungen. Der Grundgedanke dieser Disziplin ist, dass jeder Bruch von einer Fehlstelle des Werkstoffs ausgeht. Durch Versuche wird bei unterschiedlichen Beanspruchungen die Rissausbreitung in den Materialien analysiert. In der vorliegenden Diplomarbeit wurden die theoretischen Grundlagen nach derzeitigem Wissensstand, bestehenden Konzepten der Bruchmechanik und den Vergleichsspannungshypothesen zusammengefasst. Der aktuelle Stand der Technik hat gezeigt, dass die räumliche Mixed-Mode-Beanspruchung noch wenig erforscht wurde. Somit stellte sich die Aufgabe eine Prüfvorrichtung zu planen, mit der eine dreidimensionale Rissbeanspruchung erzeugt werden kann. Der Riss eines zylindrischen Probekörpers soll durch zwei gegenüberliegende, zentrisch symmetrische Achtelkugeln räumlich belastet werden. Mit dieser konstruierten Prüfvorrichtung kann ein Werkstoff, mit einer vordefinierten Form in unterschiedliche Richtungen belastet werden und dadurch erhält man vergleichbare bruchmechanische Kennwerte. Durch eine konstant gehaltene Versuchsmethode sollen die Ergebnisse eine geringere Streuung aufweisen, dadurch ist die geplante Prüfvorrichtung für den Vergleich von verschiedenen Materialien gut geeignet. Durch eine experimentelle Ermittlung der bruchmechanischen Kennwerte können Bauteile beurteilt, die Gefährlichkeit von Rissbildungen und die erträglichen Belastungen nachgewiesen werden.

During strength verification the evolution of cracks is usually not taken into account. Therefore it can happen that the structures, which were designed on a conventional way, fail due to fracture. The previous cases of damage highlighted, that the fracture behavior of materials hasn't been investigated deeply enough. The field of fracture mechanics deals with the material behavior under different conditions. The main idea of this discipline is that all the cracks originate from one defect. Through experiments the crack propagation in the material can be analyzed. In the present thesis the theoretical background, the concepts of fracture mechanics and the hypothesis of strength criteria are summarized. The current state of technology shows, that the spacious mixed mode loading needs to be further investigated. Hereby the task presented itself to design a testing device, which makes a three dimensional crack loading possible. The crack of a cylindrical specimen is to be loaded three-dimensionally by means of two oppositely oriented centrosymmetric eighth globes. By the help of this testing device the material can be loaded in different directions with a predefined form so that comparable fracture mechanical properties can be measured. With a fixed experimental method the results show a low diversification, so the designed testing device is qualified for the comparison of different materials. After the experimental determination of the fracture mechanical values, the structural elements can be evaluated and the risk of crack development and the tolerable loads can be verified.