Bruchmechanik
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: fracture mechanics Kategorie: 
Level 3 Mechanik
Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Fließbruchmechanik, Auszug: "Die Bruchmechanik befasst sich mit dem Versagen
rissbehafteter Bauteile bzw. der Ausbreitung von
Rissen unter statischen und dynamischen
Belastungen bis zum Bruch. Sie beinhaltet
Elemente der Werkstoffkunde, der
Elastomechanik und der Plastomechanik."
Inhaltsverzeichnis |
Simulation
Bruchmechanik betrifft Anwendungen in der Strukturmechanik. Mikroskopisch wird die Rissentstehung und Rissausbreitung durch Werkstoffwissenschaft, Materialphysik untersucht. Es kann abgeleitet werden, dass beim Riss (also dem Trennen des Materials) eine neue Oberfläche entsteht und hierfür aus der Oberflächenenergie eine Arbeit berechnet werden kann. Die Oberflächenenergie (γ, SI-Einheit: [J/m2]) ist eine Materialeigenschaft. Dies wird hier NICHT weiter detailliert.
Makroskopisch werden Methoden der Kontinuumsmechanik verwendet. Dabei wird das Material als rissbehaftetes Kontinuum abgebildet. Kriterium für den Bruchbeginn ist eine Bruchkenngröße, die einen experimentell ermittelten Wert erreicht oder überschreitet. Dies ist die Basis der weiteren Anmerkungen.
Simulationen auf dem Gebiet der Bruchmechanik haben das Ziel,
- 1. für ein Bauteil unter der Annahme von postulierten Rissen zu untersuchen, ob diese Risse sich ausbreiten können (dies ist das Gebiet der linearen Bruchmechanik: sie verwendet die lineare Elastizitätstheorie (LEBM) und wird auch als Sprödbruchmechanik bezeichnet) oder
- 2. für einen erkannten Riss zu untersuchen, ob er ungeändert bleibt, sich schrittweise fortsetzen wird oder spontan zum Durchreißen führen kann (dies ist das Gebiet der nichtlinearen Bruchmechanik: hierzu zählen die elasto-plastische Bruchmechanik (EPBM) und die Kriechbruchmechanik (KBM)) oder
- 3. für einen wachsenden Riss zu untersuchen, welchen Verlauf er nehmen wird (Rissfortschritts-Berechnung). Rissfortschritt kann simuliert werden durch Lösen von Knotenverbindungen, mit Kontaktformulierungen oder Interfaceelementen, durch Elementausfall, durch geeignete Werkstoffgesetze (Plastizität, Gurson,…), durch spezielle Elemente mit inneren Freiheitsgraden zur Abbildung von Diskontinuitäten (X-FEM) und mit Unterstützung von adaptiver Vernetzung.
Neue Methoden der Simulation im Rissbereich sind das CTOA-Konzept (crack tip opening angle), Cohesive-Zone-Materialien und Materialmodelle für duktile Schädigung (Gurson Materialmodell).
Selbststudium
In dem Artikel Nachweis der Festigkeit für Bauteile mit Defekten (CADFEM Infoplaner 2010-2, Seite 48-51) wird ein Überblick über die Grundlagen gegeben.
Geschichte der Bruchmechanik
Galileo Galilei (1564-1642): 1638 Überlegungen zum Bruch von Balken
A. A. Griffith (1893-1963): 1920 Energetisches Bruchkonzept
W. Weibull (1887-1979): 1939 Statistische Theorie des Bruchs
G. R. Irwin (1907-1988): 1951 Spannungsintensitätsfaktoren und K-Konzept
A.H. Cottrell und A.A. Wells: 1963 Crack Tip Opening Displacement
J. Rice: 1968 J-Integral als bruchmechanischer Parameter
A.L. Gurson: 1977 Materialmodell mit Schädigungseinfluss
T. Belytschko: 1999 Konzept der Extended Finite-Elemente-Methode (XFEM)
Weiterführende Literatur
Einen Beitrag zur bruchmechanischen Aspekten in der Simulation finden Sie in
dieser Publikation von C. Versch, TU Darmstadt. Die Veröffentlichung finden Sie im CADFEM Journal/Infoplaner 2010-2, Seite 48-51, der CADFEM GmbH.
Weiterhin finden Sie hier eine Veröffentlichung zur Ermittlung von Spannungsintensitätsfaktoren. Die Veröffentlichung finden Sie im CADFEM Journal/Infoplaner 2011-1, Seite 21, der CADFEM GmbH.
Anderson, T.L. (2005): Fracture Mechanics – Fundamentals and Applications, CRC
Gross, D., Seelig, Th. (2006): Bruchmechanik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2006
