13. Gewichtsfunktion Analysen von Rissbrücken, kohäsivem Modell und Rissöffnungsstress

Das Kapitel beleuchtet die Anwendung der Gewichtsfunktionmethode (WFM) zur Analyse von Rissbrückenmodellen, Kohäsivzonenmodellen und Rissöffnungsstress. Es wird die Bedeutung der Rissüberbrückung zur Erhöhung der Bruchzähigkeit von Materialien hervorgehoben. Die quantitative Bestimmung der Überbrückungswirkung auf die Verbesserung der Bruchzähigkeit ist von praktischer Bedeutung, insbesondere bei der Analyse von Ermüdungszyklusbelastungen. Das Kohäsivzonenmodell wird häufig zur Analyse der Bruchprozesszone und des Risswachstumsverhaltens verwendet, da es die endliche Festigkeit von Materialien berücksichtigt. Bei Metallmaterialien führt die plastische Verformung an der Rissspitze zu einem Phänomen, das als durch Plastizität induzierte Rissschließung bezeichnet wird. Die genaue Bestimmung der Rissöffnungsbeanspruchung ist entscheidend für die Vorhersage der Ermüdungsrisswachstumsrate und der Lebensdauer der rissigen Struktur. Das Kapitel zeigt, wie die WFM effizient und genau für die Berechnung des Spannungsintensitätsfaktors (SIF) und der Rissöffnungsverschiebung (COD) für Risse, die beliebigen Belastungen ausgesetzt sind, eingesetzt werden kann. Es wird die Anwendung der WFM auf verschiedene Rissmodelle demonstriert, einschließlich des Rissüberbrückungsmodells, des Kohäsivzonenmodells und des Rissschließungsmodells. Diese Modelle werden in unterschiedlichen Ingenieurbereichen verwendet, ihre mathematischen Essenzen sind jedoch dieselben. Der Schlüssel liegt in der Bestimmung des SIF und der COD für Risse, die einer Überbrückungs-/Kohäsivspannung auf einer Teilfläche des Risses ausgesetzt sind. Das Kapitel bietet eine detaillierte Analyse der verschiedenen Überbrückungsmechanismen und deren Einfluss auf die Initiierung und Ausbreitung von Mikrorissen. Es wird gezeigt, wie das Risswachstumsverhalten, die Restfestigkeit, die Bruchzähigkeits-R-Kurve und der Größeneffekt der Struktur durch die Verwendung des Überbrückungs-/Kohäsivmodells vorhergesagt werden können. Die Gewichtsfunktionmethode wird als effizientes und genaues Werkzeug zur Lösung dieser Modelle hervorgehoben. Das Kapitel schließt mit der Anwendung der WFM auf das Newman-Rissschließungsmodell und die Bestimmung der Rissöffnungsbeanspruchung für verschiedene Rissgeometrien. Es wird gezeigt, wie die WFM zur Vorhersage der Lebensdauer von Ermüdungsrissen unter komplexer Belastung verwendet werden kann.