Deterministische und stochastische Systemidentifikation mit Methoden der linearen Algebra zur Formulierung von mathematischen Modellen im Lebensdauerzyklus von Bauwerken

Werden Bauwerke für eine begrenzte Lebensdauer ausgelegt, kann es sinnvoll sein, die Tragfähigkeit von Tragkonstruktionen zu überwachen, um Schäden zu vermeiden und eine sichere Funktionsweise zu gewährleisten. Die Überwachung, hier auf Basis von Schwingungen der Struktur, wird zumeist von einer rechnergestützten Messtechnik automatisch durchgeführt. Der Computer überprüft spezielle physikalische Kennwerte oder Kennfunktionen des Tragwerks auf Veränderungen. Eine Schädigung ruft eine Veränderung hervor. Aufgabe der Systemidentifikation ist es, eine solche Veränderung zu erkennen. Eine Modellbildung kann z.B. auf theoretischer Basis als Finite Element Modellierung, oder als Black Box Modellierung aus Messwerten mit der Methodik der deterministischen oder stochastischen Systemidentifikation vorgenommen werden. In diesem Aufsatz werden die Analyse allgemeiner deterministischer und stochastischer Erregungen und deren Schwingungsantworten zur Modellbildung und Systemidentifikation beschrieben. Als Anwendungsbeispiele für die Bauwerksüberwachung werden Methoden zur Schadens-Erfassung und -Lokalisation vorgestellt. Den Abschluss bilden Ausführungen zur numerischen Modellierung von Windlasten als stochastischen Prozess und der Kopplung dieser Modelle mit finiten Element-Modellen, um eine bessere Abschätzung der Lebensdauer eines Bauwerks schon im Entwurfsprozess zu ermöglichen

Verformungs- und Schädigungsverhalten der verbundstranggepressten, federstahldrahtverstärkten Aluminiumlegierung EN AW-6082

The aim of this work is the understanding of the deformation and damage behaviour of composite extruded unidirectionally spring steel wire reinforced EN AW-6082 under quasistatic and cyclic loadings. The acoustic emission analysis is used as an in-situ detection system to get more insight in the different deformation and damage mechanisms. Models which were applied, modified and developed as well as the simulation of the composite behavior allow to predict the composite behaviour

Verformungs- und Schädigungsverhalten der verbundstranggepressten, federstahldrahtverstärkten Aluminiumlegierung EN AW-6082

Im Zuge dieser Arbeit wird neben der Bestimmung der Grenzflächenhaftung zwischen den Komponenten die unterschiedlichen Verformungs- und Schädigungsmechanismen auf Probenebene unter quasi-statischer Zug- und Druckbelastung, zyklischer Ermüdungsbeanspruchung sowie ebenfalls das zyklische Rissausbreitungsverhalten auf Profilebene beschrieben und geklärt. Daraus abgeleitete Modelle sowie die Verwendung und Modifikation bereits vorhandener Modelle erlauben eine Abschätzung des Verbundverhaltens

Lebensdauer und Schädigungsentwicklung martensitischer Stähle für Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln bei Ermüdungsbeanspruchung im VHCF-Bereich

Low-pressure steam turbine blades are usually made of martensitic steels with Cr contents between 9 and 12%, which combine good corrosion resistance, high mechanical strength and sufficient ductility. The inhomogeneous flow field behind the vanes generates high-frequency oscillations above 1 kHz. In addition, the blades with lengths up to 1.5 m are operated at rotational speeds up to 3000 rpm, resulting in large centrifugal forces leading to the superposition of extremely high mean stresses. Also resonance oscillations during start-up and shutdown cannot be completely excluded. Currently, the components are designed using high safety factors against S-N curves with an assumed asymptotic fatigue limit above 107 load cycles. Nevertheless, fatigue cracks are observed even at high number of cycles, starting fromthe blade root without pre-damage by erosion or steam droplet impingement. While fatigue failure usually occurs at the surface, fatigue cracks at very high number of cycles (> 108) initiate at oxides or intermetallic inclusions below the surface. This transition between both failure mechanisms in the Very High-Cycle Fatigue (VHCF) regime is in the focus of numerous current research activities, because numbers of cycles above 108 can be attained in a viable period of time using the recently developed high-frequency testing techniques operated at 20 kHz. Also for wind turbines, gas turbines, bearings, springs, etc. VHCF issues become increasingly important.Within this work, the fatigue life and damage behavior of a martensitic Cr-steel during fatigue loading with and without high mean stresses at number of cycles to failure above 108 was analyzed. On the one hand, the studies gave insights into the relation between fatigue life and fatigue damage evolution of the investigated group of high-strength steels in the very high cycle fatigue regime (up to 2∙109). In particular, the influence of high mean stresses on the VHCF behavior (fracture origin, crack growth, fatigue life) which was not investigated in detail before is studied and the crack initiation and propagation mechanisms are analyzed by electron microscopy (SEM, TEM / FIB). With this, the work contributes to the reliable design of future low-pressure steam turbines. The results show that in particular non-metallic inclusionsin the steel cause fracture by fatigue cracks initiated in the volume under very high cycle fatigue conditions. This fatigue behavior can be described very well by means of fracture mechanics approaches over a wide range of load ratios

Experimental and Data-driven Workflows for Microstructure-based Damage Prediction

Materialermüdung ist die häufigste Ursache für mechanisches Versagen. Die Degradationsmechanismen, welche die Lebensdauer von Bauteilen bei vergleichsweise ausgeprägten zyklischen Belastungen bestimmen, sind gut bekannt. Bei Belastungen im makroskopisch elastischen Bereich hingegen, der (sehr) hochzyklischen Ermüdung, bestimmen die innere Struktur eines Werkstoffs und die Wechselwirkung kristallografischer Defekte die Lebensdauer. Unter diesen Umständen sind die inneren Degradationsphänomene auf der mikroskopischen Skala weitgehend reversibel und führen nicht zur Bildung kritischer Schädigungen, die kontinuierlich wachsen können. Allerdings sind einige Kornensembles in polykristallinen Metallen, je nach den lokalen mikrostrukturellen Gegebenheiten, anfällig für Schädigungsinitiierung, Rissbildung und -wachstum und wirken daher als Schwachstellen. Daher weisen Bauteile, die solchen Belastungen ausgesetzt sind, oft eine ausgeprägte Lebensdauerstreuung auf. Die Tatsache, dass ein umfassendes mechanistisches Verständnis für diese Degradationsprozesse in verschiedenen Werkstoffen nicht vorliegt, hat zur Folge, dass die derzeitigen Modellierungsbemühungen die mittlere Lebensdauer und ihre Varianz in der Regel nur mit unbefriedigender Genauigkeit vorhersagen. Dies wiederum erschwert die Bauteilauslegung und macht die Nutzung von Sicherheitsfaktoren während des Dimensionierungsprozesses erforderlich. Abhilfe kann geschaffen werden, indem umfangreiche Daten zu Einflussfaktoren und deren Wirkung auf die Bildung initialer Ermüdungsschädigungen erhoben werden. Die Datenknappheit wirkt sich nach wie vor negativ auf Datenwissenschaftler und Modellierungsexperten aus, die versuchen, trotz geringer Stichprobengröße und unvollständigen Merkmalsräumen, mikrostrukturelle Abhängigkeiten abzuleiten, datengetriebene Vorhersagemodelle zu trainieren oder physikalische, regelbasierte Modelle zu parametrisieren. Die Tatsache, dass nur wenige kritische Schädigungen bezogen auf das gesamte Probenvolumen auftreten und die hochzyklische Ermüdung eine Vielzahl unterschiedlicher Abhängigkeiten aufweist, impliziert einige Anforderungen an die Datenerfassung und -verarbeitung. Am wichtigsten ist, dass die Messtechniken so empfindlich sind, dass nuancierte Schwankungen im Probenzustand erfasst werden können, dass die gesamte Routine effizient ist und dass die korrelative Mikroskopie räumliche Informationen aus verschiedenen Messungen miteinander verbindet. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, einen Workflow zu etablieren, der den Datenmangel behebt, so dass die zukünftige virtuelle Auslegung von Komponenten effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger gestaltet werden kann. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein kombinierter experimenteller und datenverarbeitender Workflow vorgeschlagen, um multimodale Datensätze zu Ermüdungsschädigungen zu erzeugen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Auftreten von lokalen Gleitbändern, der Rissinitiierung und dem Wachstum mikrostrukturell kurzer Risse. Der Workflow vereint die Ermüdungsprüfung von mesoskaligen Proben, um die Empfindlichkeit der Schädigungsdetektion zu erhöhen, die ergänzende Charakterisierung, die multimodale Registrierung und Datenfusion der heterogenen Daten, sowie die bildverarbeitungsbasierte Schädigungslokalisierung und -bewertung. Mesoskalige Biegeresonanzprüfung ermöglicht das Erreichen des hochzyklischen Ermüdungszustands in vergleichsweise kurzen Zeitspannen bei gleichzeitig verbessertem Auflösungsvermögen der Schädigungsentwicklung. Je nach Komplexität der einzelnen Bildverarbeitungsaufgaben und Datenverfügbarkeit werden entweder regelbasierte Bildverarbeitungsverfahren oder Repräsentationslernen gezielt eingesetzt. So sorgt beispielsweise die semantische Segmentierung von Schädigungsstellen dafür, dass wichtige Ermüdungsmerkmale aus mikroskopischen Abbildungen extrahiert werden können. Entlang des Workflows wird auf einen hohen Automatisierungsgrad Wert gelegt. Wann immer möglich, wurde die Generalisierbarkeit einzelner Workflow-Elemente untersucht. Dieser Workflow wird auf einen ferritischen Stahl (EN 1.4003) angewendet. Der resultierende Datensatz verknüpft unter anderem große verzerrungskorrigierte Mikrostrukturdaten mit der Schädigungslokalisierung und deren zyklischer Entwicklung. Im Zuge der Arbeit wird der Datensatz wird im Hinblick auf seinen Informationsgehalt untersucht, indem detaillierte, analytische Studien zur einzelnen Schädigungsbildung durchgeführt werden. Auf diese Weise konnten unter anderem neuartige, quantitative Erkenntnisse über mikrostrukturinduzierte plastische Verformungs- und Rissstopmechanismen gewonnen werden. Darüber hinaus werden aus dem Datensatz abgeleitete kornweise Merkmalsvektoren und binäre Schädigungskategorien verwendet, um einen Random-Forest-Klassifikator zu trainieren und dessen Vorhersagegüte zu bewerten. Der vorgeschlagene Workflow hat das Potenzial, die Grundlage für künftiges Data Mining und datengetriebene Modellierung mikrostrukturempfindlicher Ermüdung zu legen. Er erlaubt die effiziente Erhebung statistisch repräsentativer Datensätze mit gleichzeitig hohem Informationsgehalt und kann auf eine Vielzahl von Werkstoffen ausgeweitet werden

Advances in Design by Metallic Materials: Synthesis, Characterization, Simulation and Applications

Very recently, a great deal of attention has been paid by researchers and technologists to trying to eliminate metal materials in the design of products and processes in favor of plastics and composites. After a few years, it is possible to state that metal materials are even more present in our lives and this is especially thanks to their ability to evolve. This Special Issue is focused on the recent evolution of metals and alloys with the scope of presenting the state of the art of solutions where metallic materials have become established, without a doubt, as a successful design solution thanks to their unique properties

Wärmebehandlung und Recken von verbundstranggepressten Luftfahrtprofilen

Beim Verbundstrangpressen von Luftfahrtprofilen der Legierungen EN AW-6056 und -2099, verstärkt mit Federstahl- oder Kobaltbasisdraht, ist das Verhalten bei Wärmebehandlung und Recken von Interesse. Durch das Strangpressen und die mehrfache Einschnürung des Drahts im Verbund weichen die Verbunde vom Modell ab. Die Grenzfläche wird durch die Wärmebehandlung zum Teil zerstört und beeinflusst so das Verbundverhalten. Eine Lebensdauerprognose der Verbunde unter Ermüdungsbeanspruchung ist möglich

Einfluss von Wärmebehandlung und Recken auf die mechanischen Kennwerte und Grenzflächeneigenschaften von verbundstranggepressten Luftfahrtprofilen

Beim Verbundstrangpressen von Luftfahrtprofilen der Legierungen EN AW-6056 und -2099, verstärkt mit Federstahl- oder Kobaltbasisdraht, ist das Verhalten bei Wärmebehandlung und Recken zu beachten. Durch das Strangpressen und die mehrfache Einschnürung der Drähte im Verbund weichen die Verbunde vom Modell ab. Die Grenzfläche wird durch die Wärmebehandlung zum Teil zerstört und beeinflusst so das Verbundverhalten. Eine Lebensdauerprognose der Verbunde unter Ermüdungsbeanspruchung ist möglich

Verbundstrangpressen mit modifizierten Kammerwerkzeugen : Werkstofftechnik, Fertigungstechnik, Simulation

In den vergangenen Jahrzehnten wurden mehrere Verfahrensvarianten des Verbundstrangpressens entwickelt, darunter das Verbundstrangpressen mit modifizierten Kammerwerkzeugen. Das Buch fasst den aktuellen Stand der Forschung zu dieser Technologie dar. Ingenieuren, Lehrenden und Studierenden der Umformtechnik sollen dabei vor allem die werkstoff- und fertigungstechnischen Fragestellungen des Verfahrens erläutert und bereits umgesetzte oder potenzielle Anwendungen vorgestellt werden

Einfluss herstellungs- und bearbeitungsinduzierter Fehlstellen auf das Festigkeitsverhalten kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe

Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, einen Beitrag zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Materialqualität von CFK, seiner Zerspanbarkeit und dem mechanischen Verhalten unter Berücksichtigung herstellungs- und bearbeitungsinduzierter Fehlstellen zu leisten. Dazu werden CFK-Laminate aus dem luftfahrttypischen Prepreg HexPly® M21/T800S gesamtheitlich entlang der kompletten Prozesskette vor, während und nach der Bohrbearbeitung betrachtet. Im ersten Schritt wird der Frage nachgegangen, welche Auswirkungen herstellungsinduzierte Poren auf die statische Festigkeit und Steifigkeit sowie die für die Zerspanung relevanten bruchmechanischen Eigenschaften haben. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse stellen die Grundlage für die Bewertung des Zerspanungsverhaltens auf Basis der beim Bohren eingebrachten Materialschädigung dar. Gleichzeitig erfolgt eine Evaluation und Weiterentwicklung der Methoden zur Schädigungsbewertung. Im letzten Schritt steht dann der Einfluss der bearbeitungsbedingten Schädigung auf das Festigkeits- und Ermüdungsverhalten der gebohrten Faserverbundlaminate im Vordergrund