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In this paper a practical way for fatigue life prediction of rubber products under multiaxial loads is shown. This is done by means of fracture mechanical concepts and the energy release rate as the failure criterion. Due to a FEA post-processor the potential energy release rate might be calculated at every material point supposed there was a crack. And therefore the risk of failure and with the help of a strain number curve the time to fatigue is able to be calculated by FEA. This concept is applied for an estimation of the life time of a test specimen with tensile loading from fatigue data of a shear loaded specimen of different design. This rather more theoretical concept of the energy release rate is complemented by experimental crack growth data by a Tear Fatigue Analyzer with its great advantage of reduction of testing time and costs compared to those of fatigue tests. For some materials a thorough characterization of crack growth and fatigue behavior is presented and is applied to estimate the time to fatigue by FEA for a real component under multiaxial loads.
The aim of this study was to develop a biomechanically validated finite element model to predict the biomechanical behaviour of the human lumbar spine in compression.
For validation of the finite element model, an in vitro study was performed: Twelve human lumbar cadaveric spinal segments (six segments L2/3 and six segments L4/5) were loaded in axial compression using 600 N in the intact state and following surgical treatment using two different internal stabilisation devices. Range of motion was measured and used to calculate stiffness.
A finite element model of a human spinal segment L3/4 was loaded with the same force in intact and surgically altered state, corresponding to the situation of biomechanical in vitro study.
The results of the cadaver biomechanical and finite element analysis were compared. As they were close together, the finite element model was used to predict: (1) load-sharing within human lumbar spine in compression, (2) load-sharing within osteoporotic human lumbar spine in compression and (3) the stabilising potential of the different spinal implants with respect to bone mineral density.
A finite element model as described here may be used to predict the biomechanical behaviour of the spine. Moreover, the influence of different spinal stabilisation systems may be predicted.
In this paper, the correlation of the cyclic J-integral, ΔJ, and the cyclic crack-tip opening displacement, ΔCTOD, is studied in the presence of crack closure to assess the question if ΔJ describes the crack-tip opening displacement in this case. To this end, a method is developed to evaluate ΔJ numerically within finite-element calculations. The method is validated for an elastic–plastic material that exhibits Masing behavior. Different strain ranges and strain ratios are considered under fully plastic cyclic conditions including crack closure. It is shown that the cyclic J-integral is the parameter to determine the cyclic crack-tip opening displacement even in cases where crack closure is present.
In this paper, an unconditionally stable algorithm for the numerical integration and finite-element implementation of a class of pressure dependent plasticity models with nonlinear isotropic and kinematic hardening is presented. Existing algorithms are improved in the sense that the number of equations to be solved iteratively is significantly reduced. This is achieved by exploitation of the structure of Armstrong-Frederik-type kinematic hardening laws. The consistent material tangent is derived analytically and compared to the numerically computed tangent in order to validate the implementation. The performance of the new algorithm is compared to an existing one that does not consider the possibility of reducing the number of unknowns to be iterated. The algorithm is used to implement a time and temperature dependent cast iron plasticity model, which is based on the pressure dependent Gurson model, in the finite-element program ABAQUS. The implementation is applied to compute stresses and strains in a large-scale finite-element model of a three cylinder engine block. This computation proofs the applicability of the algorithm in industrial practice that is of interest in applied sciences.
In this paper, the multiaxial formulation of a mechanism-based model for fatigue life prediction is presented whichcan be applied to low-cycle fatigue (LCF) and thermomechanical fatigue (TMF) problems in which high-cycle fa-tigue loadings are superimposed. The model assumes that crack growth is the lifetime limiting mechanism and thatthe crack advance in a loading cycleda/dNcorrelates with the cyclic crack-tip opening displacement ΔCTOD.The multiaxial formulation makes use of fracture mechanics solutions and thus, does not need additional modelparameters quantifying the effect of the multiaxiality. Furthermore, the model includes contributions of HCF on ΔCTODand assesses the effect of the direction of the HCF loadings with respect to LCF or TMF loadings inthe life prediction. The model is implemented into the finite-element program ABAQUS. It is applied to predictthe fatigue life of a thermomechanically loaded notched specimen that should represent the situation between theinlet and outlet bore holes of cylinder heads. A good correlation of the predicted and the measured fatigue lives isobtained.
Hot working tools are subjected to complex thermal and mechanical loads during service. Locally, the stresses can exceed the material’s yield strength in highly loaded areas. During production, this causes cyclic plastic deformation and thus thermomechanical fatigue, which can significantly shorten the lifetime of hot working tools. To sustain this high loads, the hot working tools are typically made of tempered martensitic hot work tool steels. While the annealing temperatures of the tool steels usually lie in the range of 400 to 600 °C, the steels may experience even higher temperatures during hot working, resulting in softening of the material due to changes in microstructure. Therefore, the temperature-dependent cyclic mechanical properties of the frequently used hot work tool steel 1.2367 (X38CrMoV5-3) after tempering are investigated in this work. To this end, hardness measurements are performed. Furthermore, the Institute of Forming Technology and Machines (IFUM) provides test results from cyclic tests at temperatures ranging from 20 °C (room temperature) to 650 °C. To describe the observed time- and temperature-dependent softening during tempering, a kinetic model for the evolution of the mean size of secondary carbides based on Ostwald ripening is developed. In addition, both mechanism-based and phenomenological relationships for the cyclic mechanical properties of the Ramberg- Osgood model depending on carbide size and temperature are proposed. The stress-strain hysteresis loops measured at different temperatures and after different heat treatments can be well described with the proposed kinetic and mechanical model. Furthermore, the model is suitable for integration in advanced mechanism-based lifetime models. However, since the Ramberg-Osgood model is not suitable for finite element implementation, a temperature-dependent incremental cyclic plasticity model is presented as well. Thus, softening due to particle coarsening can be applied in the finite element method (FEM). Therefore, a kinetic model is coupled with a cyclic plasticity model including kinematic hardening. The plasticity model is implemented via subroutines in the finite element program ABAQUS for implicit integration (subroutine called UMAT) and explicit integration (subroutine called VUMAT). The implemented model is used for the simulation of an exemplary hot working process to assess the effects of softening due to particle coarsening. It shows that the thermal softening at high temperatures, which occur over a long time at a mechanically highly loaded area, has a great influence. If this influence is not considered in tool design, an unexpected tool failure might occur bringing the production to a standstill.
Aluminiumgussbauteile spielen heutzutage in vielen Branchen, wie der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie eine wichtige Rolle. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht aus. Bei der Herstellung von Aluminiumgussbauteilen, kommt es prozessbedingt immer zu Defekten im Werkstoff. Mit Computer Tomographie Aufnahmen können diese Defekte zerstörungsfrei detektiert werden. Anschließend sollen die Defekte in Finite-Elemente-Methode Berechnungen berücksichtigt werden. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil bei der Schadensvorhersage dieser Bauteile.
In dieser Masterarbeit wurde zwei Programme entwickelt, welche das Mapping von Defekten aus CT-Aufnahmen eines Aluminiumgussbauteils auf ein LS-Dyna Netz ermöglichen. Dadurch können die Defekte und damit die Porosität eines Gussbauteils in der Festigkeitsberechnung berücksichtigt und die Schadensvorhersage verbessert werden. Die Programmierung erfolgte in Python.
Das weiterentwickelte Mapping-Programm benötigt zwei Input Dateien. Zum einen wird die Defektdatei aus den CT-Aufnahmen benötigt und zum anderen ein LS-Dyna Netz. Die komplexen Defektgeometrien werden in dem Mapping-Programm vereinfacht als umschließende Kugeln um den Defekt beschrieben. Diese Vereinfachung ist aufgrund der benötigten Rechenleistung notwendig. Anschließend prüft das Mapping-Programm alle Kollisionen zwischen Elementen des FE-Netzes und den Defekten und ermittelt für jedes Element ein Schnittvolumen. Aus dem Schnittvolumen und dem Elementvolumen wird die Porosität berechnet. Die Rechenzeit für ein Bauteil mit 107379 Elementen beträgt 480 Minuten.
Ein zweites, neu entwickeltes Programm ermöglicht das Mapping der wahren Porengeometrie auf FE-Netze. Durch die optimierte Porenbeschreibung wird eine höhere Genauigkeit beim Mapping der Defekte erreicht. Die Rechenzeit beträgt bei einem Bauteil mit 107379 Elementen lediglich 15 Minuten.
Ziel dieser Masterarbeit ist es, das Mapping-Programm zu optimieren, damit es neben Hexaedern weitere Elementtypen verarbeiten kann. Darüber hinaus sollte die Porenbeschreibung verbessert werden, um genauere Ergebnisse zu erhalten. Dafür wurde ein zweites Programm mit einer verbesserter Porenbeschreibung entwickelt, dass zudem deutlich geringere Rechenzeiten benötigt.
Da die Bleche in der automatisierten Umformtechnik stets mit Eigenspannungen und Verformungen angeliefert werden, ist dem eigentlichen Prozess ein Biegewechselrichten vorgestellt. Dadurch sollen vorhandene Eigenspannungen abgebaut und die Bleche gleichbleibende Eigenschaften, unabhängig vom Anlieferungszustand, bekommen. Ziel dieser Bachelorthesis ist es den Prozess des Biegewechselrichtens mit einem FEM-Programm zu modellieren. Hierzu ist es wichtig, die notwendigen Grundlagen im Bereich der Werkstoffmechanik, des Richtvorgangs, der FE-Methode und dem Umgang mit dem FE-Programm ABAQUS zu verstehen. Damit soll dann ein lauffähiges Modell mit ABAQUS erstellt werden und erste Untersuchungen über den Verlauf der Spannungen und Dehnungen im Werkstoff durchgeführt werden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Ermüdungs- und Schädigungsverhalten der in Verbrennungsmotoren eingesetzten Aluminiumgusslegierungen AlSi7Cu0,5Mg-T7 und AlSi12Cu3Ni2Mg-T7. Im Vergleich zur niederzyklischen sowie thermomechanischen Ermüdungsbeanspruchung führt die zusätzliche Überlagerung hochzyklischer Belastungen zu einer signifikanten Lebensdauerreduktion, die mit der Replika-Technik beobachteten Beschleunigung des Kurzrisswachstums erklärt werden kann. Frakto- und metallographische Untersuchungen zeigen, dass Rissinitiierung und Lebensdauerverhalten durch Gussdefekte sowie von belastungs- und temperaturabhängigen Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Die Lebensdauern werden mit einem mechanismenbasierten Risswachstumsmodell vorhergesagt. Dazu wird der Schädigungsparameter DTMF,brittle entwickelt, der die charakteristischen Schädigungsmechanismen berücksichtigt. Die Legierung AlSi12Cu3Ni2Mg-T7 wird abschließend mit der Finite-Elemente-Methode und mikrostrukturbasierten Zellmodellen untersucht. Mit den Simulationsergebnissen können die experimentell beobachteten Schädigungsmechanismen fundiert gestützt werden.
Der hier vorliegende Beitrag beschreibt erste Untersuchungsergebnisse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Entlastung der Kerbspannungen an Getriebewellen mit Durchdringungskerben. Es handelt sich bei den Kerben um eine Umlaufnut mit überlagerter Querbohrung und um einen Wellenabsatz mit überlagerter Querbohrung. Die neu entwickelte Entlastungskerbe erweitert die üblichen Möglichkeiten zur Entlastung von Durchdringungskerben und ermöglicht bedeutende Spannungsreduktionen bis etwa 48% bei Biegung oder Zug/Druck. Die Entlastung bei Torsionsbelastung beträgt maximal etwa 18%. Es wurden Spannungsdiagramme der variierten Entlastungsnutparameter erstellt und Formeln zur näherungsweisen Berechnung der zu erwartenden Spannungen in der Durchdringungskerbe und in der Entlastungsnut ermittelt, zudem werden Empfehlungen zur Gestaltung der Entlastungskerbe gegeben. Dieser Beitrag bietet eine Grundlage zur weiteren Untersuchung zum Thema „räumliche Durchdringungskerben“ und deren Entlastung.