Optimierung und detaillierte Dimensionierung der Rissumlenkung

Berechnen, Simulieren, Visualisieren Optimierung und detaillierte Dimensionierung der Rissumlenkung

16.01.2008Autor / Redakteur: C. Mattheck, K. Bethge, I. Tesari, C. Wissner, R. Kappel, O. Kraft / Karl-Ullrich Höltkemeier

Die hier vorgestellte Vorgehensweise kann Risse effektiv stoppen. Ihre Grenzen, insbesondere die minimale Länge des Aikido-Risses, sind uns noch unbekannt. Die Kerbspannungen können durch Kombination der Kerbe mit „Aikido-Rissen“ nach außen transportiert und dort durch Formoptimierung entschärft werden. Die Optimierung und detaillierte Dimensionierung der Rissumlenkung soll auf unserem nächsten Seminar zur Bauteiloptimierung am 21.10.2008 vorgestellt werden.

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Es ist eine alte Technik, Ermüdungsrisswachstum durch Wegbohren der Rissspitze zu verzögern. Hier wird eine Idee von Prof. Mattheck verifiziert, die Risse durch Umlenkung in eine Druckzone laufen lässt. Zusammengedrückte Rissspitzen sind harmlos und die Umlenkungskontur wird durch Formoptimierung praktisch kerbspannungsfrei gemacht.

Die Vorgehensweise wird mit der Methode der Schubvierecke und der Zugdreiecke hergeleitet. Die Darstellung erfolgt in selbsterklärenden Abbildungen.

Bild 1:

Weggebohrte Risse haben an der Bohrung noch Kerbspannungen von denen neue Risse starten können. Aufgeschweißte Zugbrücken setzen die Rissspitze unter Druck, müssen aber optimierte Anbindungen haben, sonst können sie abreißen.

Bild 2:

Eine symmetrisch in Form der Zugdreiecke umgelenkte Rissspitze eines Innenrisses unter Zugbelastung hat kaum Kerbspannungen und die umgelenkten Enden laufen in schubinduzierte Druckzonen.

Bild 3:

Die Methoden der Zugdreiecke und Schubvierecke werden in diesen beiden Büchlein erklärt. In der englischen Variante aus Dezember 2007 findet sich auch ein Anhang über „Optimierung durch Erosion“.

Bild 4:

Der Nachweis, dass die umgelenkte Rissspitze zusammengedrückt wird, wurde erbracht durch:

A: das Verformungsverhalten einer Moosgummiplatte mit Innenriss,

B: eine Finite-Elemente-Analyse,

C: eine erhöhte statische Bruchlast an Polystyrol-Prototypen

Bild 5:

Auch eine vergleichende FEM-Analyse zeigt die deutliche Minderung des Zugspannungsmaximums, das man an der Endbohrung erkennt.

Bild 6:

Auch eine einseitige kerbspannungsarme Umlenkung der Spitze eines Innenrisses unter Zugbelastung lässt das umgelenkte Ende in eine Druckzone laufen.

Bild 7:

Verbieten funktionelle Gründe eine Formoptimierung – z.B. am Kreisloch darf die Kreiskontur nicht verändert werden – so kann man durch diese Rissanordnung die Kerbspannungen vom Loch weg nach außen lenken und dort durch Formoptimierung des Rissbogens mit Zugdreiecken wie in Bild 2 entschärfen. A: Verifikation mit Moosgummiplatte, B: Die vergleichende FEM- Rechnung beschreibt eine Reduktion der Kerbformzahl von 2,58 auf 1,73

C. Mattheck, K. Bethge, I. Tesari, C. Wissner, R. Kappel, O. Kraft - Forschungszentrum Karlsruhe GmbH in der Helmholtz-Gemeinschaft, Institut für Materialforschung II D- 76021 Karlsruhe

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