Werkstoffmechanische Prüfung der nächsten Generation: Rissfortschritt komplexer Rumpfstrukturen

Abstract

Ermüdungsrissfortschritt ist einer der herausforderndsten Schadensfälle strukturmechanischer Bauteile, welche nicht-konstanten Lasten ausgesetzt sind. Vor allem im Luftfahrtbereich, wo Materialien und Bauteile häufig nach dem “fail-safe”-Konzept ausgelegt sind, treten Ermüdungsrisse auf. Aus diesem Grund ist ein tiefgreifendes Verständnis über das Rissfortschrittsverhalten von Leichtbaumetallen wie Aluminiumlegierungen sicherheitsrelevant und unerlässlich. Die Methodik, das Rissfortschrittsverhalten eines Materials zu untersuchen, wurde seit Jahrzehnten wenig aktualisiert und beruht auf dem Konzept, einen theoretischen Spannungsintensitätsfaktor K in Abhängigkeit einer genormten Probengeometrie, der angreifenden zyklischen Last und der projizierten Risslänge zu berechnen. Diese konventionellen Rissfortschrittsexperimente gehen mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand einher. Zusätzlich resultieren die Versuche nur in einer einzigen materialabhängigen Kurve der Risslänge a als Funktion der Lastzyklen N (a-N) bzw. da/dN-DK. Daraus folgt ein niedriges Verhältnis des Ergebnis-Werts zum experimentellen Aufwand. In unserer Arbeit stellen wir eine moderne Methode für die werkstoffmechanische Prüfung anhand solcher Rissfortschrittsuntersuchungen vor. Dabei kombinieren wir digitale Bildkorrelation (DIC), KI-gestützte Risserkennungsmethoden sowie Robotik. Während des Rissfortschrittsexperiments wird der wachsende Ermüdungsriss permanent über ein 3D-DIC-System überwacht. Informationen über die Rissspitze werden an einen Roboter gesendet, dessen Aufgabe es ist, das besonders relevante Rissspitzenfeld hochaufgelöst zu untersuchen. Dafür ist der Roboter mit einem Mikroskop sowie einer Kamera für hochaufgelöste DIC (HR-DIC) ausgestattet. Zusammengefasst ermöglicht der Gesamtaufbau zusammen mit seinem digitalen Rückgrat einen autonomen Versuchsablauf. Hierbei wird das gesamte Verschiebungs- und Dehnungsfeld der untersuchten Probe auf zwei verschiedenen Skalen zeitdiskretisiert aufgezeichnet und automatisiert hinsichtlich bruchmechanischer Kenngrößen ausgewertet. Die neuartige Methodik wird an großen bi-axial belasteten Proben demonstriert. Die Kombination großer Proben und einer bi-axialen Belastung lassen einen dem Flugzeugrumpf nahen Belastungszustand untersuchen.