Jens Hoffmeyer

Notch stress and strain approximation procedures for application with multiaxial nonproportional loading

Abstract An extension of several algorithms is presented for estimating elastic-plastic notch stresses and strains for metallic materials under cyclic multiaxial nonproportional loading. The extension allows for using advanced models of incremental plasticity. The accuracy of the algorithms, i.e. the structural yield surface approach according to Köttgen et al. and the incremental Neuber approach according to Glinka et al., is shown by comparisons with finite element calculations and notch strain measurements. The accuracy of both approaches is comparable. The differences in predicted stress-strain paths are in the same order as those to measured and FE-calculated paths. These differences lead to a factor of up to two in calculated fatigue lives. Glinkas approach can be applied much more easily; Köttgens approach offers the opportunity for further improvements in accuracy.

Verformungsverhalten und rechnerische Abschätzung der Ermüdungslebensdauer metallischer Werkstoffe unter mehrachsig nichtproportionaler Beanspruchung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erstellung und Uberprufung eines Modells zur rechnerischen Lebensdauerabschatzung fur mehrachsig nichtproportionale Beanspruchung auf mechanismenorientierter Basis. Hierfur wird davon ausgegangen, dass die technische Anrisslebensdauer im Wesentlichen aus der Phase des Kurzrissfortschritts besteht. Das Wachstum des kurzen Risses wird unter Verwendung bruchmechanischer Ansatze berechnet. Als Beanspruchungsparameter dient das zyklische effektive J-Integral. Es wird ebenso wie das Rissschliesen mit Hilfe von Naherungsgleichungen berechnet. Zur Abbildung des Deformationsverhaltens wird ein Plastizitatsmodell verwendet, das auf dem Modell von Jiang [1993] basiert und zur Beschreibung der nichtproportionalen Zusatzverfestigung erweitert wurde. Auf experimenteller Seite werden Versuche an Rohr- und Kerbproben mit einem breiten Spektrum an verschiedenartigen Beanspruchungen durchgefuhrt. Die Ergebnisse der Versuche dienen der Verifikation des Modells und der Identifizierung von Schadigungsmechanismen. Deformation behaviour and numerical fatigue lifetime prediction of metallic materials under multiaxial nonproportional loading The development and evaluation of a model for lifetime prediction under multiaxial nonproportional loading is the aim of the current research project. It is assumed that the technical crack initiation life is consumed by short crack growth. This phenomenon is described using a fracture mechanics based approach. Herein, the effective cyclic J-integral is used as crack tip parameter. Crack opening levels and J-integral values are calculated applying approximation formulas. A plasticity model that is based on the Jiang model [Jia93] and extended to describe nonproportional hardening is used to predict the deformation behaviour. Experimental investigations on tubular and notched specimens with a wide range of different loading spectra serve for the verification of the model and for the identification of damage mechanisms.

Kurzrisswachstum bei mehrachsig nichtproportionaler Beanspruchung

Initiierung und Wachstum kurzer Ermudungsrisse werden bei nichtproportionaler Schwingbeanspruchung experimentell untersucht. Zur Modellierung dieses Vorgangs wird ein auf der Schwingbruchmechanik basierendes Konzept der kritischen Ebene angewendet. Dabei wird das Risswachstum unter Verwendung des zyklischen effektiven J-Integrals durch Integration eines entsprechend formulierten Risswachstumsgesetzes berechnet. Zur Abschatzung der Rissoffnungsbeziehungen kommen Naherungsgleichungen zum Einsatz. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten wird mit dem Plastizitatsmodell nach Jiang berechnet. Die gute Ubereinstimmung zwischen der Modellvorstellung und dem realen Schadigungsverhalten im Werkstoff wird durch die Gegenuberstellung von berechneten und experimentell bestimmten Risswachstumskurven, Anrisslagen und Wohlerlinien belegt. Short fatigue crack growth under multiaxial nonproportional loading Initiation and short fatigue crack growth have been investigated under nonproportional cyclic loading. A critical plane approach based on fracture mechanics is used for modelling the fatigue process. A Paris-type crack growth law, formulated using the effective cyclic J-integral as crack driving force parameter, is integrated to give crack growth curves. Crack opening stresses and strains are calculated with approximation equations. Jiangs plasticity model is used to predict the stress-strain path. The good agreement between model and real damage evolution is shown comparing experimentally determined crack growth curves, crack orientations, and life curves.