Experimentelle und numerische Untersuchung hochbeanspruchter Ermüdungsrisse im Luftfahrtbereich

Kurzfassung

Flugzeuge sind typische Leichtbaustrukturen, die in ihrem Betrieb wechselnden mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Die eingesetzten Aluminiumlegierungen werden dabei im Flugzeugrumpf mit bis zu etwa einem Drittel ihrer Fließgrenze belastet. Hierdurch ist unweigerlich die Entstehung von Rissen verbunden, welche jedoch beim Fail-Safe Konzept bei der Auslegung berücksichtigt werden. Die Rumpfstrukturen lassen dann auch Risse von mehreren hundert Millimetern Länge zu. Den Werkstoffen kommen jedoch dabei besondere Anforderungen an das Ermüdungsverhalten und der Schadenstoleranz zu, die es sowohl experimentell als auch numerisch zu erfassen gilt. Der Vortrag zeigt, wie diesbezüglich Rissfortschrittskurven an neuartigen 950 mm breiten, einachsig belasteten MT-Proben ermittelt werden können. Untersucht wurden gewalzte Bleche mit einer Dicke von 1,6 mm aus der Aluminiumlegierung AA2024-T3, welche typischerweise im Luftfahrtbereich eingesetzt wird. Unter zyklischer Beanspruchung und einer maximalen Spannung von 120 MPa wurden Lastverhältnisse von 0,1, 0,3 und 0,5 eingestellt. Da die Maximallast bei allen Versuchen konstant gehalten wurde, war auch die Ausdehnung der primären plastischen Zone stets identisch. Der Einflussbereich von primärer und zyklischer plastischer Zone erfolge durch zyklische Finite Elemente Berechnungen. Begleitet wurden die Versuche durch digitale Bildkorrelation (DIC) zur Ermittlung der tatsächlichen Rissspitzenbeanspruchungen mittels des Wechselwirkungsintegrals. Dabei wurden schließlich sehr hohe Spannungsintensitätsfaktoren von mehr als 100 MPa√m zusammen mit stabilen Rissfortschrittsgeschwindigkeiten >1 mm/Zyklus erreicht. Hierdurch stellte sich weitestgehend eine um 45° geneigte Scherbruchfläche ein. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass es während der Versuche zu Kontakt der Bruchflächen gekommen ist. Derartige Einflüsse konnten durch die DIC Auswertung kompensiert und schließlich die effektiven Rissbeanspruchungen ermittelt werden. Durch diese Kombination lassen sich somit hochbeanspruchte (Ermüdungs-) Risse sowohl kostengünstig als auch sehr detailliert untersuchen.