Structural Integrity Assessment by Models of Ductile Crack Extension in Sheet Metal

Abstract

Methods for analytical and numerical simulation of ductile crack extension are used for the prediction of tolerable loads and residual strength of a structure. They cover a wide range from relatively modest phenomenological approaches which allow quick and inexpensive analyses to elaborate micromechanical models, in particular an analytical flaw assessment model, a finite element model which uses the crack tip opening angle as controlling parameter, a cohesive zone model and a ductile damage model. The various phenomenological and micro-mechanical models constitute elements of an overall concept of damage analysis designated as Structural Integrity Assessment Method (SIAM). The contribution gives an overview over the respective concepts and equations and explains the application of these models by examples of numerical simulations of crack extension in metal sheets. The models are compared with respect to their capabilities, advantages, limitations and drawbacks. Zur Vorhersage von zulässigen Belastungen und der Restfestigkeit von Bauteilen werden verschiedene Verfahren zur analytischen und numerischen Simulation duktilen Risswachstums genutzt. Diese überdecken einen weiten Bereich von vergleichsweise einfach handhabbaren phänomenologischen Näherungen für schnelle und damit preiswerte Analysen bis hin zu komplizierten mikromechanischen Modellen. Im Einzelnen werden ein analytisches Fehlerbewertungsmodell, ein auf dem Rissspitzen-Öffnungswinkel als Steuerungsparameter basierendes Finite-Element-Modell, ein Kohäsivmodell und ein Modell duktiler Schädigung vorgestellt. Die verschiedenen phänomenologischen und mikromechanischen Modelle stellen Elemente eines übergreifenden Gesamtkonzeptes von Bewertungsverfahren für Strukturintegrität dar. Der Beitrag gibt einen Überblick über die jeweiligen Konzepte und Gleichungen und beschreibt die Anwendung dieser Modelle anhand von Beispielen der rechnerischen Simulation von Risswachstum in Blechen. Die Modelle werden hinsichtlich ihrer Möglichkeiten, Vorteile, Grenzen und Nachteile verglichen.