Vorhersage von Risspfaden ohne manuelle Neuvernetzung

Simulationen des Ermüdungsrisswachstums sind traditionell iterativ und arbeitsintensiv. Jeder Schritt des Risswachstums erfordert eine Aktualisierung der Geometrie, eine Neuvernetzung, die Übertragung von Zustandsgrößen und manuelle Eingriffe. Dieses Verfahren verlangsamt den Entwicklungsprozess, insbesondere wenn mehrere Geometrievarianten oder Lastfälle untersucht werden.

Bei Problemen der linear-elastischen Bruchmechanik unter zyklischer Belastung benötigen Ingenieure:

1. Eine genaue Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren

2. Eine zuverlässige Vorhersage des Risspfads

3. Eine automatische Netzanpassung im Bereich der Rissfront

4. Minimale manuelle Eingriffe durch den Anwender

Die in Abaqus/Standard 2026 verfügbare Funktion für Ermüdungsrisswachstum mit adaptiver Neuvernetzung auf Basis von Tetraederelementen adressiert genau diesen Engpass.

Kombination des Paris-Gesetzes mit der bruchmechanischen Konturintegralmethode

Die Methode kombiniert klassische Bruchmechanik mit automatischer Neuvernetzung. Die Risswachstumsrate wird mithilfe des Paris-Gesetzes berechnet:

[ da/dN = C(ΔK)^m ]

Dabei wird ΔK mithilfe der Konturintegralmethode an der Rissfront bestimmt.

Nach jedem Risswachstumsschritt:

1. wird die Rissfront aktualisiert,

2. wird automatisch ein neues Tetraedernetz erzeugt,

3. wird das Netz an die aktualisierte Rissgeometrie angepasst,

4. wird der nächste Ermüdungsschritt berechnet.

Da die Methode auf linear-elastisches Ermüdungsrisswachstum beschränkt ist, ist zwischen den einzelnen Schritten keine Übertragung von Zustandsgrößen erforderlich. Dadurch wird der Workflow erheblich vereinfacht.

Modifizierter Compact-Tension-Versuch mit gekrümmtem Risspfad

Zur Demonstration dieser Funktion wird eine modifizierte Compact-Tension-Probe auf Grundlage von Miranda et al. (2003) analysiert. Eine zusätzliche Bohrung wird eingebracht, um den Verlauf der Rissausbreitung zu beeinflussen.

Abbildung 1: Eine modifizierte Compact-Tension-Probe (Abmessungen in mm) unter zyklischer Belastung

Die Geometrie der beschriebenen Probe umfasst:

1. Eine Standard-Compact-Tension-Probe mit einer primären Risskerbe

2. Eine zusätzliche Bohrung mit einem Durchmesser von 7 mm seitlich des Risspfads

3. Eine zyklische Zugbelastung mit einem Spannungsverhältnis von R = 0,1

4. Zwei Konfigurationen, CT1 und CT2, bei denen die Bohrung in leicht unterschiedlichen vertikalen Abständen zur Kerbwurzel positioniert ist

Die relative Position der Bohrung bestimmt, ob der Riss von der Bohrung abgelenkt wird oder sich auf sie zubewegt.

CT1-Fall: Rissablenkung von der Bohrung weg

In der CT1-Konfiguration breitet sich der Riss zunächst in Richtung der Bohrung aus. Bei Annäherung führt die Umverteilung der Spannungsintensität dazu, dass der Riss von der Bohrung weg abgelenkt wird.

Abbildung 2: Vergleich des mittels Finite-Elemente-Simulation vorhergesagten Risspfads mit der experimentellen Messung für die modifizierte Compact-Tension-Probe CT1

Die numerische Vorhersage stimmt sehr gut mit dem experimentell beobachteten Rissverlauf überein.

Zur besseren Visualisierung der Rissentwicklung:

Abbildung 3: Animation der Rissausbreitung in der modifizierten Compact-Tension-Probe CT1.

Abbildung 4: Animation einer Detailansicht der Rissausbreitung in der modifizierten Compact-Tension-Probe CT1.

CT2-Fall: Rissanziehung und Eindringen in die Bohrung

In der CT2-Konfiguration führt die Position der Bohrung zu einer anderen Spannungsumverteilung. Der Riss breitet sich in Richtung der Bohrung aus und mündet schließlich in diese.

Abbildung 5: Vergleich des mittels Finite-Elemente-Simulation vorhergesagten Risspfads mit der experimentellen Messung für die modifizierte Compact-Tension-Probe CT2

Die Simulation reproduziert den experimentell beobachteten Anziehungseffekt.

Zur Visualisierung:

Abbildung 6: Animation der Rissausbreitung in der modifizierten Compact-Tension-Probe CT2.

Wie automatisiertes Risswachstum Engineering-Workflows verbessert

Diese Funktion macht Folgendes überflüssig:

1. Manuelles Fortschreiben der Rissfront

2. Erneute Vernetzung zwischen den einzelnen Risswachstumsschritten

3. Individuelle Skripte zur Aktualisierung der Geometrie

4. Wiederholtes manuelles Preprocessing durch den Anwender

Sie ermöglicht:

1. Vollständig automatisierte Untersuchungen des Ermüdungsrisswachstums

2. Schnelle Bewertung geometrischer Varianten

3. Frühzeitige Validierung der Dauerfestigkeit

4. Zuverlässigere Vorhersage von Risspfaden in komplexen Geometrien

Für Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Offshore-Technik, Schwermaschinenbau und Energietechnik verkürzt dies die Simulationsdurchlaufzeiten und erhöht die Robustheit von Workflows zur bruchmechanischen Bewertung.

Adaptive Simulation des Ermüdungsrisswachstums in der Praxis

Für einen effektiven Einsatz dieser Funktion:

1. Definieren Sie ein linear-elastisches Materialmodell.

2. Verwenden Sie die Konturintegralmethode zur Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren.

3. Aktivieren Sie die adaptive Neuvernetzung mit Tetraederelementen.

4. Definieren Sie die Ermüdungsparameter gemäß dem Paris-Gesetz.

5. Validieren Sie das Modell anhand bekannter Benchmark-Geometrien.

Die korrekte Definition der Bruchkriterien und der Einstellungen für die Neuvernetzung ist entscheidend für eine stabile Konvergenz.

Bruchsimulationen mit der richtigen Konfiguration beschleunigen

Adaptives Ermüdungsrisswachstum erfordert mehr als nur die Aktivierung einer Funktion. Entscheidend sind eine korrekte bruchmechanische Modellierung, eine geeignete Strategie zur Netzsteuerung, eine zuverlässige Validierungsmethodik und die Abstimmung auf Ihren Dauerfestigkeitsprozess.

4RealSim liefert SIMULIA-Abaqus-Lizenzen und unterstützt Unternehmen bei der Implementierung automatisierter Workflows für Bruchsimulationen, von der Reproduktion erster Benchmark-Modelle bis hin zur Integration in produktive Dauerfestigkeitsprozesse.

Wenn Sie Abaqus für die Simulation von Ermüdungsrisswachstum evaluieren oder manuelle Verfahren zur Rissausbreitung durch einen robusten automatisierten Workflow ersetzen möchten, kontaktieren Sie 4RealSim unter marketing@4realsim.com oder nutzen Sie das Kontaktformular, um Softwarebeschaffung und technische Unterstützung bei der Implementierung zu besprechen.

Referenzen

Miranda, A., M. Meggiolaro, J. Castro, L. Martha und T. Bittencourt, „Fatigue Life and Crack Path Predictions in Generic 2D Structural Components“, Engineering Fracture Mechanics, Bd. 70, 2003.

Dieser Artikel basiert auf öffentlich zugänglichen Informationen von Dassault Systèmes SIMULIA.