Biaxiale Prüfung für Leichtbaustrukturen

Transkript

1 Folie 1 > J. Schneider, M. Besel Biaxiale Prüfung für Leichtbaustrukturen Werkstoff-Kolloquium 2012 J. Schneider, M. Besel, C. Sick, J. Schwinn

2 Folie 2 > J. Schneider, M. Besel Inhalt Biaxiale Prüfung Warum und wofür? Biaxiale Prüfanlage und Messtechnik Vorversuche an Kreuzprobe mit Kreisloch - Vergleich Soll und Ist im Experiment - Restfestigkeit Biax-Probe Fensterausschnitt - FE-Simulation der Rissausbreitung (exemplarisch) - Dehnungsfeld im Biax-Versuch Zusammenfassung & Ausblick

3 Folie 3 > J. Schneider, M. Besel Biaxiale Prüfung Warum und wofür? Vereinfachung: Der Flugzeugrumpf ist (in Reiseflughöhe) ein dünnwandiger, geschlossener Behälter unter erhöhtem Innendruck. p a p i p = p i p a Wirksame Spannungen Radial Längsrichtung Umfangsrichtung σ R p i σ L D 1 p 2 t 2 σ U p D 2 t Biaxialer Spannungszustand

4 Folie 4 > J. Schneider, M. Besel Biaxiale Prüfanlage und Messtechnik Maximale Probengröße inkl. Einspannbereich: 3,0 x 2,0 m² Maximale Lasten: 1000 kn Hauptachse 630 kn Nebenachse Schwerpunkte: Rissausbreitung, Ermüdung, Damage Tolerance

5 Folie 5 > J. Schneider, M. Besel Biaxiale Prüfanlage und Messtechnik DMS ARAMIS

6 Folie 6 > J. Schneider, M. Besel Soll und Ist im Experiment Platte mit Kreisloch Beantwortung folgender Kernfragen: (1) Wie genau können die Verschiebungen vorgegeben werden? (2) Wie genau lassen sich die lokalen Dehnungen in der Probe einstellen? (3) Wiedererkennung der Biaxialität im lokalen Dehnungsfeld (Rissspitze)? Gewählte Probe: Kreuzprobe mit Kreisloch

7 Folie 7 > J. Schneider, M. Besel Soll und Ist im Experiment Platte mit Kreisloch Versuchsvorbereitung: (1) FE-Modell einer Viertelprobe (2) Instrumentierung mit DMS (3) Stochastisches Muster für Dehnungsfeldbestimmung

8 Folie 8 > J. Schneider, M. Besel Soll und Ist im Experiment Platte mit Kreisloch Versuchsdurchführung:

9 Folie 9 > J. Schneider, M. Besel Soll und Ist im Experiment Platte mit Kreisloch Verschiebungsfeld: Verschiebung = 0 Probenmitte Uniaxiale Zuglast 53,7 kn Ungewollte Verschiebung der Probenmitte 0,03 0,06 mm. ABER: Prüflänge ca. 400 mm, freie Einspannlänge ca. 882 mm, d.h. der relative Fehler im Verschiebungsfeld ist klein!

10 Folie 10 > J. Schneider, M. Besel Soll und Ist im Experiment Platte mit Kreisloch Dehnungsfeld ohne Riss: 53,7 kn ARAMIS: ca. 0,24 % FEM: 0,223 0,246 %

11 Folie 11 > J. Schneider, M. Besel Soll und Ist im Experiment Platte mit Kreisloch Dehnungsfeld mit Riss: (1) Grundsätzlich gute Übereinstimmung zwischen gemessenem und mittels FEM berechnetem Dehnungsfeld (2) Rissspitzenfeld experimentell gut erfasst (3) Einfluss der Biaxialität auf das Rissspitzenfeld experimentell abbildbar

12 Folie 12 > J. Schneider, M. Besel Soll und Ist im Experiment Platte mit Kreisloch und Anriss plastisch elastisch

13 Biax-Probe mit Fensterausschnitt FE-Simulation der Rissausbreitung (exemplarisch) Vergleichsspannung Vergleichsspannungsintensitätsfaktor (Richard, 2005)

14 Folie 14 > J. Schneider, M. Besel Biax-Probe mit Fensterausschnitt Dehnungsfeld im Biax-Versuch

15 Folie 15 > J. Schneider, M. Besel Zusammenfassung & Ausblick Biaxiale Prüfung mit optischer Dehnungsfeldmessung Hochgenaue Vorgabe von Verschiebungsfeldern Platte mit Kreisloch: Gute quantitative Übereinstimmung der Dehnungen in Experiment und Simulation Einfluss der Biaxialität auf das Rissspitzenfeld experimentell gut erfassbar Numerische Simulation der Rissausbreitung unter biaxialer Beanspruchung MTEXT u.a. Rissausbreitung im Bereich von Cut-Outs in FSW-geschweißten Proben in anisotropen Werkstoffen Validierung der FE-Simulationsmodelle

16 Folie 16 > J. Schneider, M. Besel Vielen Dank an das BMWi für die finanzielle Unterstützung Wesentliche Teile der vorgestellten Arbeiten wurden durch das Luftfahrtforschungsprogramm IV im Rahmen des Projekts MTEXT (Manufacturing and Testing for Next Generation Metallic Fuselage Structures) im Vorhabensverbund ECO (Wirtschaftlicher Metallrumpf Generation Best-Eco-Mix) finanziert.