WO2023046751A1 - Verfahren zur ermittlung der bruchmechanischen beanspruchung mindestens eines risses bei belastung eines bauteils, computerprogrammprodukt und vorrichtung zur durchführung des verfahrens, sowie deren verwendung - Google Patents

Verfahren zur ermittlung der bruchmechanischen beanspruchung mindestens eines risses bei belastung eines bauteils, computerprogrammprodukt und vorrichtung zur durchführung des verfahrens, sowie deren verwendung Download PDF

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WO2023046751A1 PCT/EP2022/076222 EP2022076222W WO2023046751A1 WO 2023046751 A1 WO2023046751 A1 WO 2023046751A1 EP 2022076222 W EP2022076222 W EP 2022076222W WO 2023046751 A1 WO2023046751 A1 WO 2023046751A1
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component
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computer program
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Carl Heinrich WOLF
Sebastian HENKEL
Horst Biermann
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Technische Universität Bergakademie Freiberg
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the mechanical fracture stress of at least one crack when a component is loaded, and a device for performing the method and a computer program product and the use of the method, the computer program product and the device.
  • Fracture mechanics examines the failure of cracked components or the propagation of cracks under static and cyclic loads. Depending on the properties of the materials examined, different fracture mechanics concepts are used. Linear-elastic fracture mechanics (LEBM) is particularly suitable for brittle materials. Flow fracture mechanics (FBM), on the other hand, is mainly used with ductile materials. In addition to a distinction between the fracture-mechanical concepts, a distinction is made according to the stress. Uniaxial stresses on components are often examined using test specimens with standardized specimen designs.
  • JP 2015138020 A discloses a strain gauge assembly for measuring the stress intensity factor and a method for calculating the stress intensity factor.
  • the four strain gauges each have an arcuate shape and are spaced at two different distances along the radius from the Crack tip, arranged around the crack tip.
  • a strain gauge is integrated on one side and three fixed resistors on the other three sides.
  • the stress intensity factor K II is calculated using the strains of the strain gauges determined from the Wheatstone bridge circuit, a material constant J 1 and the geometry factors Q 1 and Q 2 .
  • the disadvantage is that it is difficult to measure the strain in the case of kinking or branching crack paths.
  • the strain gauges must be applied for each measuring point. Consequently, as the crack progresses, the strain gauges must be removed and reapplied. This requires flat surfaces in the area of the crack tip.
  • EP 1 088 213 B1 discloses a method for measuring the opening of the edges of a crack simultaneously with its growth. In each case, two continuous openings are provided next to the crack, through which parts of a light beam shine. The movements of the light rays shining through are picked up and measured using planar photodetectors.
  • CN111398057A discloses a method for determining stress intensity factors using digital image correlation (DIC) by evaluating displacement paths around the crack tip. In this case, an evaluation is carried out using J integrals.
  • the disadvantage of this method is that it can only be used for standard specimens under uniaxial stress and the stress P or ⁇ must be known.
  • JP 2002 350 310 A discloses a method for precisely calculating stress intensity factors by error estimation of stress intensity factors determined by FE calculation. For this purpose, the displacement field around the crack tip is evaluated.
  • the disadvantage here is that the stress intensity factors must already be known for this and the method is based on the results of the FE calculation.
  • the object of the invention is therefore to specify a method for determining the fracture-mechanical stress of a crack in a component, which overcomes the disadvantages of the prior art by doing without time-consuming FE calculations, an in situ determination of the fracture-mechanical stress more real devices and joint characterization of Mode I, Mode II, Mode III and Mixed Mode stress intensity factors.
  • the object is achieved with a method according to claim 1.
  • the object is achieved by a computer program product according to claim 8 and a device according to claim 11.
  • Advantageous configurations are specified in the dependent claims.
  • a method for determining the fracture-mechanical stress of at least one crack when a component is loaded comprises at least the following steps: a) providing the component to be examined, which has at least one crack, b) detecting at least a first state of the crack, c) transmitting the first state from step b) to a data processing device, d) determination of the crack tip, e) determination of the direction of propagation of the crack and transmission to the data processing device, f) positioning of virtual measuring marks on a straight line which is perpendicular to the direction of propagation of the crack and through the crack tip runs in such a way that the virtual measuring marks are on both sides and at the same distance from the direction of propagation of the crack and that the distance between the virtual measuring marks is in the range of 1 ⁇ m to 50 cm, g) application of a mechanical load to the component to be examined, h) experience determination of at least one further condition of the crack, i) transmission of the at least one further condition detected in step h) to the data processing device,
  • such a method enables the simple determination of fracture-mechanical stresses on a crack without knowledge of the acting forces.
  • the method according to the invention can advantageously be used for any components, regardless of their geometry and any type of stress.
  • the method according to the invention also advantageously enables the stress intensity factors to be determined without complex FE calculations.
  • such a method advantageously enables the calculation of the mode I, mode II and mode III stress intensity factors independently of one another, as well as the calculation of mixed-mode comparison stress intensity factors.
  • the method also enables the determination of the fracture-mechanical stress of multiple cracks, if multiple There are cracks in the component to be examined.
  • a component to be examined within the meaning of the invention comprises a real component and a specimen.
  • a real component can be present in the installed position at its place of use or separately.
  • a separate real component can be, for example, a shaft or an airplane in a test laboratory and a real component in the installation position at its installation site can be a bridge, for example.
  • a specimen means any specimen with different geometry that is suitable for fracture-mechanical investigations, e.g.
  • the component to be examined has a number of cracks.
  • the method according to the invention is to be used for each fracture-mechanically relevant crack.
  • the at least one first state of the crack and at least one further state of the crack are detected by means of at least one optical measuring system.
  • An optical measuring system for detecting a state of a crack, comprising at least one first and at least one further state includes a camera for recording static and/or moving images. The condition of the crack is recorded in the form of image and/or video data.
  • both two-dimensional and three-dimensional displacements can thus advantageously be determined.
  • the states of the at least one crack are recorded using a plurality of optical measuring systems, for example using two optical measuring systems.
  • the two optical measuring systems record the states of the crack from different angles in relation to a surface of the component to be examined.
  • a surface of the component means a surface of the component that delimits the component from the environment.
  • the at least one optical measuring system is part of a digital image correlation system (DIC) or a video extensometer.
  • the at least one first state and at least one further state of the crack are detected from at least one side of the component to be examined.
  • a side of the component to be examined means, for example, a front or a rear of the component.
  • a first state of the crack within the meaning of the invention means any state of the crack at the start of the method, ie at the start of the measurement.
  • a first state of the crack can be an unloaded or loaded state of the crack, the unloaded state of the crack corresponding to an unloaded state of the component to be examined and the loaded state of the crack to a loaded state of the component to be examined.
  • Another state of the crack means another state of the crack that differs from the first detected state of the crack, with various other detected states of the crack differing from one another, e.g.
  • steps a) and b) as well as g) and h) take place simultaneously.
  • steps a) and b) as well as g) and h) take place simultaneously.
  • the states detected in step c) and i) are transmitted by means of an interface for data transmission.
  • the transmission in steps c) and i) takes place in such a way that the detected states are temporarily stored, for example the states detected in the form of image or video data are temporarily stored.
  • the crack tip is determined in step d) by a user of the method according to the invention or in an automated manner, for example by a computer program product.
  • step d) is carried out before or after step b). If step d) is carried out before step b), the determination of the crack tip is advantageously carried out by the user directly on the component to be examined provided in step a), for example by defining the crack tip using pins or adhesive markers. This is advantageous if the condition of the crack is recorded by means of an optical measuring system which is part of a video extensometer.
  • step d) is carried out after step b), the user can advantageously determine the crack tip using the first state of the crack recorded in step b), for example using the image or video data recorded by means of the optical measuring system.
  • the propagation direction of the crack is determined in step e) by a user of the method according to the invention directly on the component to be examined or on the at least one first state of the crack detected in step b).
  • the crack propagation direction is determined by repeating steps b), c), and d) multiple times.
  • steps b), c) and d) are repeated, for example, seven times.
  • a fit function is then placed through the crack tip coordinates determined in the repetitions of step d).
  • the virtual measuring marks are applied in such a way that they are at a distance from one another in the range from 2 ⁇ m to 10 cm, preferably in the range from 2 ⁇ m to 1 cm, particularly preferably in the range from 2 ⁇ m to 5 mm.
  • two virtual measurement marks are positioned on a straight line which is perpendicular to the propagation direction of the crack determined in step e) and runs through the crack tip in such a way that the two virtual measurement marks are each at the same distance from the crack tip.
  • the two virtual measuring marks are arranged symmetrically to the crack tip on the straight line that runs through the crack tip perpendicular to the direction of propagation of the crack.
  • a virtual measuring mark within the meaning of the invention comprises a measuring mark defined by a user of the method according to the invention on the component to be examined, which is suitable for being detected by means of the optical measuring system and by a user of the method according to the invention or by a computer program product to the optical measuring system in the form of image and/or video data recorded the first state of the crack defined measuring mark.
  • two-dimensional and/or three-dimensional displacements are determined in step j).
  • both mode I, mode II and mode III and mixed mode stress intensity factors can advantageously be determined.
  • the steps are performed in the order a), b), c), d), e), f), g), h), i), j), k), l). This sequence is advantageous when the states of the crack are detected in steps b) and h) by means of an optical measuring system which is part of a digital image correlation system.
  • the steps are performed in the order a), d), e), f), b), c), g), h), i), j), k), l).
  • a mechanical load is applied in step g) in such a way that there is a change in the mechanical load on the component compared to the component to be examined provided in step a).
  • a mechanical load is applied to the component for the first time.
  • step g) the mechanical load is applied in step g) in such a way that at least one further loaded state that differs from the already loaded state in step a) is preferred the at least one further loaded state is increased compared to the loaded state in step a).
  • mechanical loads can be applied that do not differ from the previously applied mechanical load, ie static loads, or loads that are slightly higher than the previously applied load, ie quasi-static, or which change over time Change repetitions, that is, cyclic loads.
  • a mechanical load is applied by means of a device for applying a mechanical load.
  • a mechanical load can be applied in step g) by external influences, external influences including, for example, meteorological influences in the form of wind or storms.
  • the stress intensity factors are determined in step k) using known formulas I, II, where K I is the mode I stress intensity factor and K II is the mode II stress intensity factor with u x the displacement in the x direction determined in step j), u y the displacement in the y direction determined in step j), E the modulus of elasticity, ⁇ is the Poisson's ratio, l is the distance between the virtual measuring marks on a straight line perpendicular to the direction of crack propagation at the beginning of the measurement, ie in the recorded first state of the crack, ⁇ is the elastic constant and ⁇ is the angle to the direction of crack growth.
  • the mode III stress intensity factor is determined in step k) using the known formula III, where KIII indicates the mode III stress intensity factor with u z of the displacement in the z direction determined in step j).
  • KIII indicates the mode III stress intensity factor with u z of the displacement in the z direction determined in step j).
  • the person skilled in the art knows the corresponding formulas for determining the stress intensity factors, for example from [1].
  • the component to be examined is provided in step a) in the unloaded or loaded state.
  • An unloaded state means a state without an external mechanical load acting on the component
  • a loaded state means a state with an external mechanical load acting on the component.
  • a test specimen can be provided in the unloaded state and a real component in the loaded state, or vice versa.
  • step g In other words, in the loaded state, external mechanical loads act or have already acted on the component.
  • a uniaxial or multiaxial, static, quasi-static, cyclic or dynamic load is applied in step g).
  • This advantageously changes the mechanical load on the component, as a result of which the stress on the at least one crack changes and displacements of the virtual measurement marks occur, which are determined in step j) using the method according to the invention.
  • it is also advantageously possible to determine the fracture-mechanical stress of at least one crack for any mechanical stress that occurs, so that the method according to the invention can be used universally.
  • Uniaxial loading means loading from a constant direction, this uniaxial loading being static, ie by a constant force; quasi-static, ie by a constantly increasing force; dynamic, ie by a sudden increase in power; or cyclically, ie it can be caused by a force that changes over time.
  • a multi-axial load means a load from several directions, whereby this multi-axial load is applied statically, ie by a constant force; quasi-static, ie by a constantly increasing force; dynamic, ie by a sudden increase in power; or cyclically, ie by a force that changes over time.
  • Multiaxial cyclic loading can also be in phase or out of phase.
  • the time course of the acting forces is the same.
  • An in-phase multiaxial cyclic load can also occur, which changes over time to an out-of-phase multiaxial cyclic load, and vice versa. This can occur in particular with real components in the installation position at their place of use.
  • the time shift of a phase-shifted multi-axis cyclic load can change over time.
  • steps g) to i) are repeated at least once in step m).
  • the accuracy of the stress intensity factors determined in the further process can advantageously be increased as a result.
  • step m) is repeated 1 to 100 times, preferably 1 to 50 times, particularly preferably 1 to 10 times.
  • step m) takes place after step i) and before step j).
  • the state of the crack is detected using an optical measuring system. The detection of the state of the crack thus advantageously takes place without contact. If the state of the crack is detected using an optical measuring system which is part of a digital image correlation system, at least step j) is advantageously carried out using the digital image correlation system.
  • steps b), c), h), i) and j) are performed using the digital image correlation system if the state of the crack is detected using an optical measuring system which is part of a digital image correlation system or a video extensometer.
  • steps b), c), d), e), f), h), i), j), k) and l) are performed using the digital image correlation system when the detection of a state of the crack using a optical measuring system, which is part of a digital image correlation system or a video extensometer.
  • the detection is carried out by means of at least one optical measuring system, preferably a camera, having a resolution in the range from 1 ⁇ m/pixel to 0.5 mm/pixel and an image recording frequency that the person skilled in the art can select according to the type of mechanical load applied in step g). selects.
  • This advantageously enables the movement of the crack flanks to be measured at different points in time t and an exact determination of the displacement field. If, for example, a static load is applied in step g), then a recording frequency in the range from 0.002 to 1 Hz, preferably 0.02 Hz, is favorable.
  • the displacement field is determined using a known digital image correlation system.
  • the steps are performed in the order a), b), c), d), e), f), g), h), i), n), j), k), l).
  • the states of the crack are detected in step b) and h) by means of an optical measuring system, preferably by means of a camera, and step n) by means of DIC.
  • the steps are performed in the order a), b), c), d), e), f), g), h), i), n), j), k), l).
  • the states of the crack are detected in step b) and h) by means of an optical measuring system, preferably by means of a camera, and step j) and n) by means of DIC.
  • steps j) to l) are repeated. This advantageously achieves a more precise determination of the stress intensity factors.
  • steps j) to l) are repeated as often as desired.
  • the number of repetitions of steps j) to l) corresponds to the number of repetitions of steps g) to i).
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product with a data memory and computer-readable instructions stored thereon which, when read and executed by the data processing device, cause it to carry out steps k) and l) of the method according to the invention and give an operator the input options for steps d), e) and f), and to process the entries made by the operator.
  • Such a computer program product advantageously enables the simple determination of the fracture-mechanical stress of at least one crack when any component is loaded, regardless of the geometry of the component and any load cases. Furthermore, such a computer program product advantageously enables the stress intensity factors to be determined without complex FE calculations and the mode I, mode II and mode III stress intensity factors to be determined independently of one another and mixed-mode comparison stress intensity factors to be calculated. Beneficially enabled the computer program product also determines the fracture-mechanical stress of several cracks, insofar as there are several cracks in the component to be examined. Furthermore advantageously, the computer program product according to the invention also enables the determination of the stress intensity factors in the case of different crack paths, such as, for example, in the case of kinking or branching crack paths.
  • the computer program product according to the invention also advantageously enables the determination of the stress intensity factors for any type of stress, ie both uniaxial and multiaxial, in-phase and out-of-phase stress.
  • any type of stress ie both uniaxial and multiaxial, in-phase and out-of-phase stress.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product with a data memory and computer-readable instructions stored thereon which, when read and executed by the data processing device, cause it to carry out steps j), k) and l) of the method according to the invention and a To provide the operator with the input options for steps d), e) and f) and to process the entries made by the operator.
  • the computer program product according to the invention is designed so that it can be implemented for integration in other, known computer programs, for example in known DIC or video extensometer computer programs.
  • Steps b), c), d), e), f), h) and i), j), k) and l) can then advantageously be carried out using a known video extensometer or DIC computer program with an implemented computer program product according to the invention.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product with a data memory and computer-readable instructions stored thereon which, when read and executed by the data processing device, cause it to carry out steps d) to f) and k) and l) of the method according to the invention to execute.
  • a computer program product also enables the automated determination of the crack tip and direction of crack propagation, as well as the positioning of the virtual measuring marks.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product with a data memory and computer-readable instructions stored thereon which, when read and executed by the data processing device, cause the latter to carry out steps d) to f) and j), k) and l) to carry out the method according to the invention.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product with a data memory and computer-readable instructions stored thereon which, when read and executed by the data processing device, cause it to also carry out steps b) and c) as well as h) and i) of the invention to carry out the procedure.
  • Such a computer program product advantageously also enables the automated detection of states of the crack and their transmission to a data processing device.
  • the invention further relates to a device for carrying out a method according to the invention, having at least one device for detecting at least a first state of at least one crack in a component to be examined, and at least one data processing device on which at least one computer program product is stored.
  • a device advantageously enables the in-situ determination of the fracture-mechanical stress of at least one crack when a component to be examined is loaded.
  • Such a device can also advantageously be used universally and also makes it possible to examine real components at their place of use in the installed position.
  • a device for detecting at least a first state of the crack includes an optical measuring system.
  • the at least one computer program product stored on the data processing device is the computer program product according to the invention.
  • at least one further computer program product is additionally stored on the data processing device, with the at least one further computer program product being a known computer program product, for example for DIC or video extensometers.
  • the device for carrying out a method according to the invention has a device for applying a mechanical load to the component to be examined.
  • a device for applying a mechanical load within the meaning of the invention means any device that is suitable for applying a mechanical load to the component to be examined.
  • Such devices are, for example, testing machines, such as uniaxial or planar-biaxial testing machines, for applying a mechanical load to components, such as test specimens.
  • a device can also be any device that is suitable for causing a mechanical load in a component to be examined, such as a real component in the installed position, at its place of use, e.g. a component to be examined, such as a bridge , moving vehicle.
  • a device also includes external influences such as, for example, meteorological influences, for example winds, which can cause a change in the mechanical load.
  • the invention also includes the use of the method according to the invention or the computer program product according to the invention or the device according to the invention for determining the fracture-mechanical stress of at least one crack in the case of uniaxial or multiaxial loading of a component.
  • it is also expedient to combine the above-described configurations, embodiments and features of the claims with one another.
  • EXEMPLARY EMBODIMENTS The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it. The invention is explained in more detail with reference to drawings.
  • 1 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 2 shows schematically the determination of the coordinates of the virtual measurement marks and/or the crack tip
  • FIG. 1 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 2 shows schematically the determination of the coordinates of the virtual measurement marks and/or the crack tip
  • FIG. 1 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention
  • Example 1 Method for determining the fracture-mechanical stress of a crack when a component is loaded using DIC
  • a component to be examined, having at least one crack is provided in step S1 (step a)).
  • the component is a cross-shaped 45° specimen according to [2] with an internal crack in the loaded state.
  • step S2 a first state of the crack was recorded on both sides of two opposite sides of the component using optical measuring systems (step b)). On one side, the first state of the crack was recorded in the form of image data using an optical measuring system, an industrial camera mvBlue-COUGAR-XD104bg.
  • step S3 the first state of the crack, recorded in the form of image data, was subsequently transmitted to a data processing device and temporarily stored (step c)).
  • step S4 determining the crack tip (step d)).
  • the crack tip is marked in the previously recorded image data of the recorded first state by the user of the method.
  • the x- and y-coordinates are assigned to the crack tip in relation to the center of the recorded first state in mm and in relation to the resolution of the optical measuring system in pixels.
  • step S5 the crack propagation direction is determined (step e)).
  • a user of the method can manually extend the course of the crack by means of a straight line.
  • Virtual measuring marks are then positioned in step S6 (step f)). Two virtual measurement marks are positioned on a straight line that runs perpendicular to the crack propagation direction determined in step S5 and through the crack tip determined in S4.
  • the positioned measuring marks have the same distance on both sides of the crack tip, each 2.5 mm, and a distance from each other of 5 mm.
  • the person skilled in the art can assign x and y coordinates or pixel coordinates to the virtual measuring marks positioned in this way.
  • a mechanical load is applied to the component (step g)).
  • step S8 step h
  • step S9 the determined at least one further state of the crack is then transmitted to the data processing device (step i)).
  • step S10 steps S7 (step g)) to S9 (step i)) are repeated as desired; in the present example, the repetition took place 50 times.
  • the displacement field was then determined in step S11 (step n)).
  • the states recorded in steps S2 and S8 and transmitted to the data processing device and temporarily stored were read into commercial DIC software GOM ARAMIS v6.3.1.
  • the displacement field is determined using the DIC software.
  • the displacements of the virtual measurement marks are then determined in step S12 (step j)).
  • the coordinates of the virtual measurement marks and the crack tip are calculated in the facet grid of the DIC software known to those skilled in the art.
  • the coordinates of the virtual gage marks and/or the crack tip are not located on the facets of the DIC software, but between four neighboring facets, the coordinates are determined using a weighting.
  • the distances between the facets are calculated in the first step and auxiliary points (see points E, F, G, H in FIG. 2) in a second step
  • Straight lines that connect two adjacent facets in the x are introduced.
  • the distances between the auxiliary points and the facets are determined.
  • the weighting factors of the auxiliary points are calculated.
  • the weighting factors of the auxiliary points are calculated as the quotient of the length of the two partial sections between the auxiliary point and the facet point and the length of the section between two facet points, e.g. the weighting factors of the auxiliary point E from (AE)/(AB) or (BE)/(AB). ) according to Fig.2.
  • the weighting factors of the coordinates of the virtual measurement marks and/or the crack tip see point P in Fig. 2
  • the first, third and fourth steps listed are repeated, using the auxiliary points instead of the facets and the coordinate of the virtual Gauge marks and/or crack tip is used.
  • the x and y coordinates of the virtual measuring marks and/or the crack tip in the coordinate system of the DIC software can now be calculated for both the first recorded and the further recorded states of the crack.
  • the stress intensity factors are then determined in step S13 (step k)). These can be calculated for mode I and mode II stresses from formulas I and II using the shifts determined in step S12. Since a component that has already been loaded was provided in step S1, only the stress ranges of the stress intensity factors ⁇ K can be determined according to formula III.
  • step S14 the ascertained stress intensity factors are output (step 1)).
  • Example 2 Method for Determining the Fracture-Mechanical Stress of a Crack When a Component Is Loaded Using a Video Extensometer
  • a component to be examined having at least one crack, is provided in step S1 (step a)).
  • the component to be examined corresponds to the component described in example 1.
  • step S2 the crack tip is determined (step d)).
  • step d the crack tip is marked directly on the component to be examined by the user of the method.
  • step S3 the crack propagation direction is determined (step e)).
  • step e the direction of crack propagation is determined manually by a user of the method using the crack path in the examined component.
  • a ruler is placed on the sample. The ruler lies on the tip of the crack and runs along the previous crack path.
  • step S4 virtual measuring marks are positioned (step f)). Two virtual measuring marks are positioned on a straight line that runs perpendicular to the direction of crack propagation determined in step S3 and through the crack tip determined in S2.
  • step S5 at least a first state of the crack (step a)) is detected by means of an optical measuring system, which is part of a video extensometer, in the form of image or video data.
  • the first state detected in this way is then transmitted to a data processing device in step S6 (step c)).
  • step S7 a mechanical load is applied (step g)) in accordance with example 1, step S7.
  • step S8 At least one further condition of the crack is recorded in step S8 (step h)) using the software of the video extensometer.
  • step S9 the further detected status is transmitted to the data processing device (step i)).
  • This further state differs from the first detected state with regard to the position (coordinates) of the virtual measuring marks.
  • Further states of the crack are recorded at a frequency of 0.9 Hz.
  • the software of the video extensometer automatically determines the coordinates of the virtual measuring marks in the recorded states of the crack.
  • the video extensometer continuously repeats steps S8 and S9 in step S10 simultaneously with the repetition of S7 (step m)).
  • the displacements of the virtual measurement marks are then determined in step S11 (step j)).
  • step S12 stress intensity factors are determined (step k)). This is done analogously to the explanations of example 1 by means of the shifts determined in step S11.
  • step S13 the determined stress intensity factors are output (step 1)).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines Bauteils, aufweisend mindestens einen Riss, sowie ein Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und deren Verwendung. Das Verfahren ermöglicht dabei die einfache Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren unabhängig von der Geometrie des Bauteils, der Art der Belastung des Bauteils und des Rissverlaufs. Ebenfalls ermöglicht das Verfahren die Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren an realen Bauteilen in Einbaulage an ihrem Einsatzort.

Description

Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines Bauteils, Computerprogrammprodukt und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sowie deren Verwendung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines Bauteils, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Computerprogrammprodukt und die Verwendung des Verfahrens, des Computerprogrammprodukts und der Vorrichtung. Die Bruchmechanik untersucht das Versagen rissbehafteter Bauteile bzw. die Ausbreitung von Rissen unter statischen und zyklischen Beanspruchungen. Je nach Eigenschaften der untersuchten Werkstoffe werden verschiedene bruchmechanische Konzepte genutzt. Die linear- elastische Bruchmechanik (LEBM) eignet sich besonders für spröde Werkstoffe. Die Fließbruchmechanik (FBM) hingegen wird vor allem bei duktilen Werkstoffen verwendet. Neben einer Unterscheidung der bruchmechanischen Konzepte erfolgt eine Unterscheidung nach der Beanspruchung. Einachsige Beanspruchungen von Bauteilen werden häufig an Prüfkörpern mit genormten Probendesigns untersucht. Die Auslegung und Bewertung mehrachsig beanspruchter Bauteile basiert häufig auf den Erkenntnissen der einachsigen Werkstoffprüfung. Bei mehrachsiger, zyklischer Beanspruchung wird zwischen mehrachsiger, phasengleicher und mehrachsiger, phasenverschobener Beanspruchung unterschieden, die zu abknickenden oder verzweigenden Risspfaden führen kann. Mittels der planar-biaxialen Ermüdungsprüfung können beispielsweise derartige Beanspruchungen untersucht werden. Hierbei ist nachteilig, dass kein genormtes Probendesign verfügbar ist, so dass keine risslängen- und startkerborientierungsabhängigen Geometriefaktoren bzw. keine risslängen- und startkerborientierungsabhängigen Geometriefunktionen zur Berechnung der Spannungsintensitätsfaktoren K bzw. deren Schwingbreite ΔK existieren. Daraus resultiert die Notwendigkeit, für jedes Material, für jeden Risspfad, bei jeder Probenabmessung und bei jedem Probendesign die Spannungsintensitätsfaktoren K und ΔK beispielsweise mittels der Methode der Finiten Elemente (FE) zu ermitteln. Dies ist zeitaufwändig und wird daher nicht immer durchgeführt. JP 2015138020 A offenbart eine Dehnungsmessstreifenanordnung zur Messung des Spannungsintensitätsfaktors und ein Verfahren zur Berechnung des Spannungsintensitätsfaktors. Die vier Dehnungsmessstreifen weisen jeweils eine bogenförmige Form auf und sind in zwei verschiedenen Abständen entlang des Radius, ausgehend von der Rissspitze, um die Rissspitze herum angeordnet. In einer Wheatstone’schen Brückenschaltung werden jeweils ein Dehnmessstreifen an einer Seite und drei feste Widerstände an den anderen drei Seiten integriert. Der Spannungsintensitätsfaktor KII wird mit den aus der Wheatstone’schen Brückenschaltung ermittelten Dehnungen der Dehnmesstreifen, einer Materialkonstante J1 und den Geometriefaktoren Q1 und Q2 berechnet. Nachteilig ist, dass eine Messung der Dehnungen bei abknickenden oder verzweigenden Risspfaden schwer möglich ist. Für jede Messstelle müssen hierfür die Dehnungsmessstreifen appliziert werden. Folglich müssen bei einem Rissfortschritt die Dehnungsmessstreifen jeweils entfernt und neu appliziert werden. Hierfür werden ebene Oberflächen im Bereich der Rissspitze benötigt. EP 1 088 213 B1 offenbart ein Verfahren zum Messen der Öffnung der Kanten eines Risses gleichzeitig mit seinem Wachstum. Dabei sind jeweils zwei durchgängige Öffnungen neben dem Riss vorgesehen, durch die Teile eines Lichtstrahls hindurchscheinen. Die Bewegungen der durchscheinenden Lichtstrahlen werden mittels planarer Photodetektoren aufgefangen und gemessen. Nachteilig ist hierbei, dass jeweils durchgängige Öffnungen neben einem zu untersuchenden Riss eingebracht werden müssen. CN111398057A offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von Spannungsintensitätsfaktoren mittels digitaler Bildkorrelation (DIC) durch eine Auswertung von Verschiebungspfaden um die Rissspitze. Hierbei erfolgt eine Auswertung mittels J-Integrals. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass es lediglich für Standardproben unter einachsiger Beanspruchung angewendet werden kann und die Beanspruchung P bzw. σ bekannt sein muss. JP 2002 350 310 A offenbart ein Verfahren zur präzisen Berechnung von Spannungsintensitätsfaktoren durch eine Fehlerabschätzung von mittels FE-Rechnung bestimmten Spannungsintensitätsfaktoren. Hierfür erfolgt eine Auswertung des Verschiebungsfeldes um die Rissspitze. Nachteilig ist hier, dass die Spannungsintensitätsfaktoren hierfür bereits bekannt sein müssen und das Verfahren auf den Ergebnissen der FE-Rechnung basiert. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung eines Risses in einem Bauteil anzugeben, welches die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet, indem es ohne zeitaufwändige FE-Berechnungen auskommt, eine in- situ-Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung realer Bauteile und eine gemeinsame Charakterisierung von Mode I, Mode II, Mode III und Mixed Mode-Spannungsintensitätsfaktoren ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 8 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen geben jeweils die Unteransprüche an. Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines Bauteils mindestens die folgenden Schritte: a) Bereitstellen des zu untersuchenden Bauteils, das mindestens einen Riss aufweist, b) Erfassung mindestens eines ersten Zustandes des Risses, c) Übermittlung des ersten Zustandes aus Schritt b) an eine Datenverarbeitungseinrichtung, d) Ermittlung der Rissspitze, e) Ermittlung der Ausbreitungsrichtung des Risses und Übermittlung an die Datenverarbeitungseinrichtung, f) Positionierung von virtuellen Messmarken auf einer Geraden, die senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung des Risses steht und durch die Rissspitze verläuft, derart, dass die virtuellen Messmarken beidseits und in gleichem Abstand zur Ausbreitungsrichtung des Risses liegen und dass der Abstand der virtuellen Messmarken zueinander im Bereich von 1 µm bis 50 cm liegt, g) Aufbringen einer mechanischen Belastung auf das zu untersuchende Bauteil, h) Erfassung mindestens eines weiteren Zustandes des Risses, i) Übermittlung des in Schritt h) erfassten mindestens eines weiteren Zustandes an die Datenverarbeitungseinrichtung, j) Ermittlung der Verschiebungen der virtuellen Messmarken, k) Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren aus den in Schritt j) ermittelten Verschiebungen, l) Ausgabe der in Schritt k) ermittelten Spannungsintensitätsfaktoren. Vorteilhaft ermöglicht ein derartiges Verfahren die einfache Ermittlung bruchmechanischer Beanspruchungen eines Risses ohne Kenntnis der einwirkenden Kräfte. Weiterhin vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren für jegliche Bauteile unabhängig ihrer Geometrie und jegliche Beanspruchungsfälle anwendbar. Ebenfalls vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren ohne aufwändige FE-Berechnungen. Weiterhin vorteilhaft ermöglicht ein derartiges Verfahren die Berechnung der Mode I-, Mode II- und Mode III-Spannungsintensitätsfaktoren unabhängig voneinander als auch die Berechnung von Mixed-Mode-Vergleichsspannungsintensitätsfaktoren. Vorteilhaft ermöglicht das Verfahren auch die Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mehrerer Risse, insofern mehrere Risse in dem zu untersuchenden Bauteil vorhanden sind. Weiterhin vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Untersuchung verschiedener Rissverläufe, wie bspw. abknickende oder verzweigende Rissverläufe, die bei phasenverschobener mehrachsiger zyklischer Belastung eines Bauteils auftreten können. Ein zu untersuchendes Bauteil im Sinne der Erfindung umfasst ein reales Bauteil und einen Probenkörper. Ein reales Bauteil kann dabei in Einbaulage an seinem Einsatzort oder separiert vorliegen. Ein separiert vorliegendes reales Bauteil kann bspw. eine Welle oder ein Flugzeug in einem Prüflabor und ein reales Bauteil in Einbaulage an seinem Einbauort kann bspw. eine Brücke sein. Ein Probenkörper meint jegliche für bruchmechanische Untersuchungen geeignete Probenkörper mit unterschiedlicher Geometrie, bspw. entsprechend ASTM E 399-17, ASTM E 561-08, ASTM E 647-15, ASTM E 813-89, ASTM E 1820-20, DIN EN ISO 12737, ISO 12108_2018-07 oder ISO 12135_2016. In Ausführungsformen weist das zu untersuchende Bauteil mehrere Risse auf. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren jeweils für jeden, bruchmechanisch relevanten, Riss anzuwenden. In Ausführungsformen erfolgt die Erfassung des mindestens einen ersten Zustands des Risses und mindestens eines weiteren Zustands des Risses mittels mindestens eines optischen Messsystems. Ein optisches Messsystem zur Erfassung eines Zustandes eines Risses, umfassend mindestens einen ersten und mindestens einen weiteren Zustand, umfasst eine Kamera zur Aufzeichnung statischer und/oder bewegter Bilder. Dabei wird der Zustand des Risses jeweils in Form von Bild- und/oder Videodaten erfasst. Vorteilhaft können damit sowohl zwei- als auch dreidimensionale Verschiebungen ermittelt werden. Insbesondere für die Ermittlung dreidimensionaler Verschiebungen und damit die Ermittlung von Mode III- Spannungsintensitätsfaktoren ist es vorteilhaft, wenn die Erfassung der Zustände des mindestens einen Risses mittels mehrerer optischer Messsysteme erfolgt, bspw. mittels zweier optischer Messsysteme. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zwei optischen Messsysteme die Zustände des Risses aus verschiedenen Winkeln bezogen auf eine Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils erfassen. Eine Oberfläche des Bauteils meint dabei eine das Bauteil gegenüber der Umgebung abgrenzende Fläche des Bauteils. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Zustände des mindestens einen Risses mittels mehr als zweier optischer Messsysteme zu erfassen. In weiteren Ausführungsformen ist das mindestens eine optische Messsystem Bestandteil eines digitalen Bildkorrelationssystems (DIC) oder eines Videoextensometers. In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Erfassung des mindestens einen ersten Zustands und mindestens eines weiteren Zustands des Risses von mindestens einer Seite des zu untersuchenden Bauteils. Eine Seite des zu untersuchenden Bauteils meint dabei bspw. eine Vorderseite oder eine Rückseite des Bauteils. Ein erster Zustand des Risses im Sinne der Erfindung meint einen beliebigen Zustand des Risses zu Beginn des Verfahrens, d.h. zu Beginn der Messung. Ein erster Zustand des Risses kann ein unbelasteter oder belasteter Zustand des Risses sein, wobei der unbelastete Zustand des Risses einem unbelasteten Zustand des zu untersuchenden Bauteils und der belastete Zustand des Risses einem belasteten Zustand des zu untersuchenden Bauteils entspricht. Ein weiterer Zustand des Risses meint einen weiteren Zustand des Risses, der sich vom ersten erfassten Zustand des Risses unterscheidet, wobei sich verschiedene weitere erfasste Zustände des Risses voneinander unterscheiden, bspw. durch den Zeitpunkt der Erfassung, die zum Zeitpunkt der Erfassung vorliegende mechanische Belastung des Risses, die Koordinaten der Rissspitze und der virtuellen Messmarken und die Verschiebung der Rissufer zueinander. In weiteren Ausführungsformen erfolgen die Schritte a) und b) sowie g) und h) simultan. Dadurch ist vorteilhaft eine in-situ-Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines Bauteils möglich. In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Übermittlung der erfassten Zustände in Schritt c) und i) mittels einer Schnittstelle zur Datenübertragung. In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Übermittlung in den Schritten c) und i) derart, dass eine Zwischenspeicherung der erfassten Zustände erfolgt, bspw. eine Zwischenspeicherung der in Form von Bild- oder Videodaten erfassten Zustände. In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Ermittlung der Rissspitze in Schritt d) durch einen Anwender des erfindungsgemäßen Verfahrens oder automatisiert, bspw. durch ein Computerprogrammprodukt. In weiteren Ausführungsformen wird Schritt d) vor oder nach Schritt b) ausgeführt. Wird Schritt d) vor Schritt b) ausgeführt, erfolgt die Ermittlung der Rissspitze vorteilhaft durch den Anwender direkt an dem in Schritt a) bereitgestellten zu untersuchenden Bauteil, bspw. durch Definieren der Rissspitze mittels Stiften oder Klebemarkern. Dies ist vorteilhaft, wenn die Erfassung der Zustände des Risses mittels eines optischen Messsystems, welches Bestandteil eines Videoextensometers ist, erfolgt. Wird Schritt d) nach Schritt b) ausgeführt, so erfolgt die Ermittlung der Rissspitze vorteilhaft durch den Anwender an dem in Schritt b) erfassten ersten Zustand des Risses, bspw. an den mittels des optischen Messsystems erfassten Bild- oder Videodaten. In Ausführungsformen wird die Ausbreitungsrichtung des Risses in Schritt e) durch einen Anwender des erfindungsgemäßen Verfahrens direkt an dem zu untersuchenden Bauteil oder an dem in Schritt b) erfassten mindestens einen ersten Zustand des Risses ermittelt. In Ausführungsformen wird die Rissausbreitungsrichtung ermittelt, indem die Schritte b), c) und d) mehrmals wiederholt werden. In Ausführungsformen werden die Schritte b), c) und d) bspw. siebenmal wiederholt. Anschließend wird durch die in den Wiederholungen von Schritt d) ermittelten Rissspitzenkoordinaten eine Fitfunktion gelegt. Diese Funktion wird abgeleitet, so dass der Anstieg der abgeleiteten Funktionsgleichung die Rissausbreitungsrichtung angibt. Dadurch wird vorteilhaft die Genauigkeit der bestimmten Ausbreitungsrichtung des Risses erhöht. Vorteilhaft wird dadurch ermöglicht, dass die in Schritt f) positionierten Messmarken dem Rissverlauf folgen, eine in-situ Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung möglich ist und die Messmarken immer auf einer Geraden senkrecht zur Ausbreitungsrichtung angeordnet sind. In Ausführungsformen werden die virtuellen Messmarken derart appliziert, dass diese einen Abstand zueinander im Bereich von 2 µm bis 10 cm, bevorzugt im Bereich von 2 µm bis 1 cm, besonders bevorzugt im Bereich von 2 µm bis 5 mm aufweisen. In weiteren Ausführungsformen werden zwei virtuelle Messmarken auf einer Geraden, die senkrecht auf der in Schritt e) ermittelten Ausbreitungsrichtung des Risses steht und durch die Rissspitze verläuft, derart positioniert, dass die zwei virtuellen Messmarken jeweils im gleichen Abstand zur Rissspitze liegen. D.h. die zwei virtuellen Messmarken sind symmetrisch zur Rissspitze auf der Geraden, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Risses durch die Rissspitze verläuft, angeordnet. Vorteilhaft wird dadurch eine einfache Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung eines Risses ermöglicht, da sich einzelne Verschiebungen aufheben. Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch das Aufheben einzelner Verschiebungsanteile direkt die Mode I, Mode II- und Mode III- Spannungsintensitätsfaktoren bestimmt werden können. Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch eine mögliche Variation des symmetrischen Abstandes von der Rissspitze senkrecht zur Risswachstumsrichtung die an der Rissspitze ablaufenden lokalen Prozesse, wie die Plastifizierung der Prozesszone, welche das lokale Verschiebungsfeld beeinträchtigen kann, eliminiert werden können. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Messung der Verschiebungen dadurch in Abhängigkeit der Beanspruchung in Bereichen großer Verschiebungen erfolgen kann, so dass eine präzise Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren erfolgen kann. Eine virtuelle Messmarke im Sinne der Erfindung umfasst eine durch einen Benutzer des erfindungsgemäßen Verfahrens an dem zu untersuchenden Bauteil definierte Messmarke, die geeignet ist, mittels des optischen Messsystems erfasst zu werden und durch einen Benutzer des erfindungsgemäßen Verfahrens oder eine durch ein Computerprogrammprodukt an den durch das optische Messsystem in Form von Bild- und/oder Videodaten erfassten ersten Zustand des Risses definierte Messmarke. In weiteren Ausführungsformen werden in Schritt j) zwei- und/oder dreidimensionale Verschiebungen ermittelt. Dadurch können vorteilhaft sowohl Mode I-, Mode II- und Mode III- und Mixed-Mode-Spannungsintensitätsfaktoren ermittelt werden. In Ausführungsformen werden die Schritte in der Reihenfolge a), b), c), d), e), f), g), h), i), j), k), l) durchgeführt. Diese Reihenfolge ist dann vorteilhaft, wenn die Erfassung der Zustände des Risses in Schritt b) und h) mittels eines optischen Messsystems welches Bestandteil eines digitalen Bildkorrelationssystems ist, erfolgt. In weiteren Ausführungsformen werden die Schritte in der Reihenfolge a), d), e), f), b), c), g), h), i), j), k), l) durchgeführt. Diese Reihenfolge ist dann vorteilhaft, wenn die Erfassung der Zustände des Risses in Schritt b) und h) mittels eines optischen Messsystems, welches Bestandteil eines Videoextensometers oder eines digitalen Bildkorrelationssystems ist, erfolgt. In Ausführungsformen erfolgt das Aufbringen einer mechanischen Belastung in Schritt g) derart, dass eine Änderung der mechanischen Belastung des Bauteils gegenüber dem in Schritt a) bereitgestellten zu untersuchenden Bauteil erfolgt. Im Falle eines in Schritt a) bereitgestellten Bauteils im unbelasteten Zustand wird erstmals eine mechanische Belastung auf das Bauteil aufgebracht. Wenn in Schritt a) das Bauteil bereits im belasteten Zustand bereitgestellt wird, erfolgt in Schritt g) das Aufbringen der mechanischen Belastung derart, dass sich mindestens ein weiterer belasteter Zustand einstellt, der sich von dem bereits belasteten Zustand in Schritt a) unterscheidet, bevorzugt ist der mindestens eine weitere belastete Zustand gegenüber dem belasteten Zustand in Schritt a) erhöht. Bei Wiederholungen von Schritt g) können mechanische Belastungen aufgebracht werden, die sich von der zuvor aufgebrachten mechanischen Belastung nicht unterscheiden, d.h. statische Belastungen, oder Belastungen, die geringfügig höher sind als die zuvor aufgebrachte Belastung, d.h. quasistatisch, oder die sich im zeitlichen Verlauf der Wiederholungen ändern, d.h. zyklische Belastungen. In Ausführungsformen erfolgt das Aufbringen einer mechanischen Belastung mittels einer Einrichtung zum Aufbringen einer mechanischen Belastung. In weiteren Ausführungsformen kann eine mechanische Belastung in Schritt g) durch externe Einwirkungen aufgebracht werden, wobei externe Einwirkungen bspw. meteorologische Einwirkungen in Form von Wind oder Sturm umfassen. In Ausführungsformen werden die Spannungsintensitätsfaktoren in Schritt k) anhand bekannter Formeln I, II ermittelt,
Figure imgf000010_0001
wobei KI den Mode I-Spannungsintensitätsfaktor und KII den Mode II-Spannungsintensitätsfaktor angeben mit ux der in Schritt j) ermittelten Verschiebung in x-Richtung, uy der in Schritt j) ermittelten Verschiebung in y-Richtung, E dem Elastizitätsmodul, ν der Querkontraktionszahl, l dem Abstand der virtuellen Messmarken zueinander auf einer Gerade senkrecht zur Rissausbreitungsrichtung zu Beginn der Messung, d.h. im erfassten ersten Zustand des Risses, κ der elastischen Konstante und Θ dem Winkel zur Risswachstumsrichtung. In weiteren Ausführungsformen wird der Mode III-Spannungsintensitätsfaktor in Schritt k) anhand der bekannten Formel III ermittelt,
Figure imgf000010_0002
wobei KIII den Mode III-Spannungsintensitätsfaktor angibt mit uz der in Schritt j) ermittelten Verschiebung in z-Richtung. Der Fachmann kennt entsprechende Formeln zur Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren bspw. aus [1]. In bevorzugten Ausführungsformen wird das zu untersuchende Bauteil in Schritt a) im unbelasteten oder belasteten Zustand bereitgestellt. Ein unbelasteter Zustand meint einen Zustand ohne auf das Bauteil einwirkende äußere mechanische Belastung, während ein belasteter Zustand einen Zustand mit auf das Bauteil einwirkender äußerer mechanischer Belastung meint. Bspw. kann ein Prüfkörper im unbelasteten Zustand und ein reales Bauteil im belasteten Zustand bereitgestellt werden oder umgekehrt. D.h. im belasteten Zustand wirken bzw. haben auf das Bauteil bereits äußere mechanische Belastungen eingewirkt. In bevorzugten Ausführungsformen wird in Schritt g) eine einachsige oder mehrachsige, statische, quasistatische, zyklische oder dynamische Belastung aufgebracht. Vorteilhaft ändert sich dadurch die mechanische Belastung des Bauteils, wodurch sich die Beanspruchung des mindestens einen Risses ändert und Verschiebungen der virtuellen Messmarken auftreten, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schritt j) ermittelt werden. Weiterhin vorteilhaft kann dadurch die bruchmechanische Beanspruchung mindestens eines Risses bei jeglichen auftretenden mechanischen Belastungen ermittelt werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren universell einsetzbar ist. Eine einachsige Belastung meint eine Belastung aus einer konstanten Richtung, wobei diese einachsige Belastung statisch, d.h. durch eine konstante Kraft; quasistatisch, d.h. durch eine stetig zunehmende Kraft; dynamisch, d.h. durch einen sprunghaften Anstieg der Kraft; oder zyklisch, d.h. durch eine sich zeitlich ändernde Kraft hervorgerufen sein kann. Eine mehrachsige Belastung meint eine Belastung aus mehreren Richtungen, wobei diese mehrachsige Beanspruchung statisch, d.h. durch eine konstante Kraft; quasistatisch, d.h. durch eine stetig zunehmende Kraft; dynamisch, d.h. durch einen sprunghaften Anstieg der Kraft; oder zyklisch, d.h. durch eine sich zeitlich ändernde Kraft, hervorgerufen sein kann. Eine mehrachsige zyklische Belastung kann weiterhin phasengleich oder phasenverschoben sein. Bei einer phasengleichen, mehrachsigen, zyklischen Belastung ist der zeitliche Verlauf der einwirkenden Kräfte gleich. Bei einer phasenverschobenen, mehrachsigen, zyklischen Belastung ist der zeitliche Verlauf der einwirkenden Kräfte zeitlich zueinander verschoben, bspw. mit einer Phasenverschiebung Φ im Bereich von Φ >0° bis Φ = 180°. Auch kann sowohl eine phasengleiche mehrachsige zyklische Belastung auftreten, die im weiteren zeitlichen Verlauf zu einer phasenverschobenen mehrachsigen zyklischen Belastung wechselt, als auch umgekehrt. Diese kann insbesondere bei realen Bauteilen in Einbaulage an ihrem Einsatzort auftreten. Weiterhin kann sich die zeitliche Verschiebung einer phasenverschobenen mehrachsigen zyklischen Belastung über die Zeit ändern. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Schritte g) bis i) mindestens einmal in Schritt m) wiederholt. Vorteilhaft können dadurch die Genauigkeit der im weiteren Verfahren ermittelten Spannungsintensitätsfaktoren erhöht werden. In Ausführungsformen wird Schritt m) 1 bis 100 mal, bevorzugt 1 bis 50 mal, besonders bevorzugt 1 bis 10 mal wiederholt. In weiteren Ausführungsformen erfolgt Schritt m) nach Schritt i) und vor Schritt j). In bevorzugten Ausführungsformen erfolgt die Erfassung eines Zustands des Risses anhand eines optischen Messsystems. Vorteilhaft erfolgt somit die Erfassung des Zustands des Risses berührungslos. Erfolgt die Erfassung eines Zustands des Risses mittels eines optischen Messsystems, welches Bestandteil eines digitalen Bildkorrelationssystems ist, so wird vorteilhaft mindestens Schritt j) mittels des digitalen Bildkorrelationssystems durchgeführt. In Ausführungsformen werden die Schritte b), c), h), i) und j) mittels des digitalen Bildkorrelationssystems durchgeführt, wenn die Erfassung eines Zustandes des Risses mittels eines optischen Messsystems, welches Bestandteil eines digitalen Bildkorrelationssystems oder eines Videoextensometers ist, erfolgt. In weiteren Ausführungsformen werden die Schritte b), c), d), e), f), h), i), j), k) und l) mittels des digitalen Bildkorrelationssystems durchgeführt, wenn die Erfassung eines Zustandes des Risses mittels eines optischen Messsystems, welches Bestandteil eines digitalen Bildkorrelationssystems oder eines Videoextensometers ist, erfolgt. In Ausführungsformen erfolgt die Erfassung mittels mindestens eines optischen Messsystems, bevorzugt einer Kamera, aufweisend eine Auflösung im Bereich von 1 µm/Pixel bis 0,5 mm/Pixel und eine Bildaufnahmefrequenz, die der Fachmann entsprechend der Art der in Schritt g) aufgebrachten mechanischen Belastung auswählt. Vorteilhaft wird dadurch eine Messung der Bewegung der Rissflanken zu verschiedenen Zeitpunkten t und eine genaue Bestimmung des Verschiebungsfeldes ermöglicht. Wird bspw. eine statische Belastung in Schritt g) aufgebracht, dann ist eine Aufnahmefrequenz im Bereich von 0,002 bis 1 Hz, bevorzugt 0,02 Hz günstig. Wird bspw. eine quasistatische Belastung in Schritt g) aufgebracht, dann ist eine Aufnahmefrequenz im Bereich von 0,015 bis 1 Hz, bevorzugt 0,05 Hz günstig. Wird bspw. eine zyklische Belastung mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 bis 20 Hz in Schritt g) aufgebracht, dann ist eine Aufnahmefrequenz im Bereich von 0,5 bis 19 Hz, bevorzugt 0,9 Hz günstig. Wird bspw. eine dynamische Belastung in Schritt g) aufgebracht, dann ist eine Aufnahmefrequenz im Bereich von 10 bis 10.000 Hz, bevorzugt 1.000 Hz günstig. In bevorzugten Ausführungsformen wird vor Schritt j) ein Verschiebungsfeld in Schritt n) ermittelt. Vorteilhaft wird dadurch das Verschiebungsfeld an der Rissspitze ermittelt. In Ausführungsformen erfolgt die Ermittlung des Verschiebungsfeldes mittels eines bekannten digitalen Bildkorrelationssystems. Dabei werden die Verschiebungen aus den Koordinaten der Messpunkte des erfassten ersten und des erfassten mindestens einen weiteren Zustands bzw. zwischen verschiedenen erfassten weiteren Zuständen ermittelt. In Ausführungsformen werden die Schritte in der Reihenfolge a), b), c), d), e), f), g), h), i), n), j), k), l) durchgeführt. Vorteilhaft erfolgt dabei die Erfassung der Zustände des Risses in Schritt b) und h) mittels eines optischen Messsystems, bevorzugt mittels einer Kamera, und Schritt n) mittels DIC. In Ausführungsformen werden die Schritte in der Reihenfolge a), b), c), d), e), f), g), h), i), n), j), k), l) durchgeführt. Vorteilhaft erfolgt dabei die Erfassung der Zustände des Risses in Schritt b) und h) mittels eines optischen Messsystems, bevorzugt mittels einer Kamera, und Schritt j) und n) mittels DIC. In bevorzugten Ausführungsformen werden die Schritte j) bis l) wiederholt. Vorteilhaft wird dadurch eine Präzisierung der ermittelten Spannungsintensitätsfaktoren erreicht. In weiteren Ausführungsformen werden die Schritte j) bis l) beliebig oft wiederholt. In weiteren Ausführungsformen entspricht die Anzahl der Wiederholung der Schritte j) bis l) der Anzahl der Wiederholung der Schritte g) bis i). D.h. werden die Schritte g) bis i) bspw. fünfmal wiederholt, werden auch die Schritte j) bis l) fünfmal wiederholt. Dadurch werden für jeden in Schritt g) und den Wiederholungen von Schritt g) erfassten weiteren Zustand die Schritte j) bis l) ausgeführt. Aus den so ermittelten „scheinbaren“ Spannungsintensitätsfaktoren können durch eine Normierung die zyklischen Spannungsintensitätsfaktoren bestimmt werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, die Schritte k) und l) des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen und einem Bediener die Eingabemöglichkeiten für die Schritte d), e) und f) zur Verfügung zu stellen, sowie die durch den Bediener gemachten Eingaben zu verarbeiten. Vorteilhaft ermöglicht ein derartiges Computerprogrammprodukt die einfache Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines beliebigen Bauteils unabhängig von der Geometrie des Bauteils und jegliche Beanspruchungsfälle. Weiterhin vorteilhaft ermöglicht ein derartiges Computerprogrammprodukt die Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren ohne aufwändige FE-Berechnungen und die Ermittlung der Mode I-, Mode II- und Mode III-Spannungsintensitätsfaktoren unabhängig voneinander als auch die Berechnung von Mixed-Mode-Vergleichsspannungsintensitätsfaktoren. Vorteilhaft ermöglicht das Computerprogrammprodukt auch die Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mehrerer Risse, insofern mehrere Risse in dem zu untersuchenden Bauteil vorhanden sind. Weiterhin vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt auch die Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren bei verschiedenen Rissverläufen, wie bspw. bei abknickenden oder verzweigenden Rissverläufen. Außerdem vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt auch die Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren bei beliebiger Beanspruchung, d. h. sowohl einachsiger als auch mehrachsiger, phasengleicher und phasenverschobener Beanspruchung. Dadurch ist neben einer Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren an Probekörpern auch eine Ermittlung von Spannungsintensitätsfaktoren bei Bauteilen am Einsatzort in Einbaulage möglich. Durch die Auswertung der Verschiebungen werden dabei realen Gegebenheiten am Riss berücksichtigt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, die Schritte j), k) und l) des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen und einem Bediener die Eingabemöglichkeiten für die Schritte d), e) und f) zur Verfügung zu stellen, sowie die durch den Bediener gemachten Eingaben zu verarbeiten. In Ausführungsformen ist das erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt zur Integration in weitere, bekannte Computerprogramme implementierbar ausgebildet, bspw. in bekannte DIC- oder Videoextensometer-Computerprogramme. Vorteilhaft können dann die Schritte b), c), d), e), f), h) und i), j), k) und l) mittels eines bekannten Videoextensometer- oder DIC- Computerprogramms mit implementiertem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt ausgeführt werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, die Schritte d) bis f) und k) und l) des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Vorteilhaft ermöglicht ein derartiges Computerprogrammprodukt zusätzlich sowohl die automatisierte Ermittlung der Rissspitze und Rissausbreitungsrichtung, als auch die Positionierung der virtuellen Messmarken. Damit wird die Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren weiter vereinfacht und automatisiert und die Fehlbedienungen durch den Anwender reduziert. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, die Schritte d) bis f) und j), k) und l) des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, auch die Schritte b) und c) sowie h) und i) des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Vorteilhaft ermöglicht ein derartiges Computerprogrammprodukt zusätzlich die automatisierte Erfassung von Zuständen des Risses und deren Übermittlung an eine Datenverarbeitungseinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens aufweisend mindestens eine Einrichtung zur Erfassung mindestens eines ersten Zustandes mindestens eines Risses in einem zu untersuchenden Bauteil, und mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung, auf der mindestens ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist. Vorteilhaft ermöglicht eine derartige Vorrichtung die in-situ Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines zu untersuchenden Bauteils. Weiterhin vorteilhaft ist eine derartige Vorrichtung universell einsetzbar und ermöglicht auch die Untersuchung von realen Bauteilen an ihrem Einsatzort in Einbaulage. Eine Einrichtung zur Erfassung mindestens eines ersten Zustandes des Risses umfasst ein optisches Messsystem. Vorteilhaft wird dadurch eine berührungslose Erfassung des mindestens einen ersten Zustands des Risses ermöglicht. Bekannte optische Messsysteme sind bspw. digitale Bildkorrelationssysteme als auch Videoextensometer. In Ausführungsformen ist das mindestens eine auf der Datenverarbeitungseinrichtung gespeicherte Computerprogrammprodukt das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt. In weiteren Ausführungsformen ist zusätzlich mindestens ein weiteres Computerprogrammprodukt auf der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert, wobei das mindestens eine weitere Computerprogrammprodukt ein bekanntes Computerprogrammprodukt, bspw. für DIC oder Videoextensometer, ist. In bevorzugten Ausführungsformen weist die Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Einrichtung zum Aufbringen einer mechanischen Belastung auf das zu untersuchende Bauteil auf. Eine Einrichtung zum Aufbringen einer mechanischen Belastung im Sinne der Erfindung meint jegliche Einrichtung, die geeignet ist, eine mechanische Belastung auf das zu untersuchende Bauteil aufzubringen. Derartige Einrichtungen sind bspw. Prüfmaschinen, wie uniaxiale oder planar-biaxiale Prüfmaschinen, zum Aufbringen einer mechanischen Belastung auf Bauteile, wie bspw. Prüfkörper. Eine derartige Einrichtung kann in Ausführungsformen aber auch jegliche Vorrichtung sein, die dazu geeignet ist, eine mechanische Belastung in einem zu untersuchenden Bauteil, wie einem realen Bauteil in Einbaulage, an seinem Einsatzort hervorzurufen, bspw. ein über ein zu untersuchendes Bauteil, wie eine Brücke, fahrendes Fahrzeug. Eine solche Einrichtung umfasst in weiteren Ausführungsformen auch externe Einflüsse, wie bspw. meteorologische Einflüsse, bspw. Winde, die eine Änderung der mechanischen Belastung hervorrufen können. Weiterhin zur Erfindung gehört die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei einachsiger oder mehrachsiger Belastung eines Bauteils. Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche miteinander zu kombinieren. Ausführungsbeispiele Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 ein Fließschema einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 schematisch die Bestimmung der Koordinaten der virtuellen Messmarken und/oder der Rissspitze, Fig. 3 ein Fließschema einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Beispiel 1: Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung eines Risses bei Belastung eines Bauteils unter Nutzung DIC In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend Fig.1 wird in Schritt S1 ein zu untersuchendes Bauteil, aufweisend mindestens einen Riss, bereitgestellt (Schritt a)). Bei dem Bauteil handelt es sich um einen kreuzförmigen 45° Prüfkörper entsprechend [2] mit Innenriss im belasteten Zustand. Auf das Bauteil wurde bereits eine mechanische Belastung in Form einer phasenverschobenen, mehrachsigen, zyklischen Belastung aufgebracht, wobei mittels einer planar-biaxialen Prüfmaschine Instron 8800 N =497.000 Lastwechsel mit einer Amplitude von F=23,76 kN, einer mittleren Kraft in x- und y-Richtung von jeweils 29,14 kN (dabei verlaufen die x- und y-Richtung senkrecht zueinander) und einer Frequenz von 20 Hz aufgebracht wurde. Die Belastung wurde bei N=0 Lastwechsel beginnend als phasengleiche Belastung, d.h. mit gleichem zeitlichem Verlauf der Kräfte in x- und y-Richtung, aufgebracht. Anschließend erfolgte eine Änderung der Beanspruchung, d.h. aus einer phasengleichen Beanspruchung wurde eine phasenverschobene Beanspruchung mit einer definierten Änderung der Phasenverschiebung Φ in Schritten von jeweils Φ = 15°. Ab einer Lastwechselzahl von N = 480.500 Lastwechseln lag eine um Φ = 75° phasenverschobene Beanspruchung vor. Hierbei erfolgte eine unterbrochene Versuchsführung, d.h. in Abständen von N=1.500 Lastwechseln wurde der Versuch bei Mittelkraft angehalten. Anschließend wurde in Schritt S2 ein erster Zustand des Risses beidseitig von zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Bauteils mittels optischer Messsysteme erfasst (Schritt b)). Auf einer Seite wurde der erste Zustand des Risses mittels eines optischen Messsystems, einer Industriekamera mvBlue-COUGAR-XD104bg, in Form von Bilddaten erfasst. Auf der gegenüberliegenden Seite erfolgte die Erfassung mittels einer hochauflösenden Kamera Pentacon Scan 6000 ebenfalls in Form von Bilddaten. Die Aufnahme dieser Bilder erfolgte hierfür auch bei anderen Lastwechselzahlen N. In Schritt S3 wurde nachfolgend der in Form von Bilddaten erfasste erste Zustand des Risses an eine Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt und zwischengespeichert (Schritt c)). Darauf folgt in Schritt S4 die Ermittlung der Rissspitze (Schritt d)). Dazu erfolgt die Markierung der Rissspitze in den zuvor erfassten Bilddaten des erfassten ersten Zustands durch den Anwender des Verfahrens. Dabei werden der Rissspitze x- und y-Koordinaten bezogen auf die Mitte des erfassten ersten Zustands in mm und bezogen auf die Auflösung des optischen Messsystems in Pixeln zugeordnet. Anschließend erfolgt in Schritt S5 die Ermittlung der Rissausbreitungsrichtung (Schritt e)). Hierfür kann bspw. durch einen Anwender des Verfahrens händisch der Rissverlauf mittels einer Gerade verlängert werden. Nachfolgend werden in Schritt S6 virtuelle Messmarken positioniert (Schritt f)). Dabei werden zwei virtuelle Messmarken auf einer Geraden positioniert, die senkrecht zur der in Schritt S5 ermittelten Rissausbreitungsrichtung und durch die in S4 ermittelte Rissspitze verläuft. Die positionierten Messmarken weisen dabei beidseitig der Rissspitze den gleichen Abstand, jeweils 2,5 mm, und einen Abstand zueinander von 5 mm auf. Der Fachmann kann den so positionierten virtuellen Messmarken x- und y-Koordinaten bzw. Pixelkoordinaten zuordnen. Im nachfolgenden Schritt S7 wird eine mechanische Belastung auf das Bauteil aufgebracht (Schritt g)). Diese wird mittels der Prüfmaschine als phasenverschobene, mehrachsige, zyklische Belastung aufgebracht, wobei die Kräfte in x- und y-Richtung um Φ = 75° verschoben mit einem sinusförmigen Verlauf, einer Amplitude von 23,76 kN, einer mittleren Kraft von jeweils 29,14 kN und einer Frequenz von 20 Hz aufgebracht werden. Nachfolgend wird in Schritt S8 mindestens ein weiterer Zustand des Risses erfasst (Schritt h)). Die Erfassung erfolgt einseitig mittels der bereits erwähnten Industriekamera mit einer Aufnahmefrequenz von 0,9 Hz in Form von Bilddaten. In Schritt S9 erfolgt anschließend die Übermittlung des ermittelten mindestens einen weiteren Zustands des Risses an die Datenverarbeitungseinrichtung (Schritt i)). In Schritt S10 (Schritt m)) erfolgt eine beliebige Wiederholung der Schritte S7 (Schritt g)) bis S9 (Schritt i)), im vorliegenden Beispiel erfolgte die Wiederholung 50 mal. Anschließend wurde in Schritt S11 das Verschiebungsfeld bestimmt (Schritt n)). Dazu wurden die in Schritt S2 und S8 erfassten und an die Datenverarbeitungseinrichtung übermittelten und zwischengespeicherten Zustände in eine kommerzielle DIC-Software GOM ARAMIS v6.3.1 eingelesen. Mittels der DIC-Software erfolgt die Ermittlung des Verschiebungsfeldes. Nachfolgend werden in Schritt S12 die Verschiebungen der virtuellen Messmarken bestimmt (Schritt j)). Dazu werden die Koordinaten der virtuellen Messmarken und der Rissspitze im dem Fachmann bekannten Facettengitter der DIC-Software berechnet. Im Falle, dass die Koordinaten der virtuellen Messmarken und/oder der Rissspitze nicht auf den Facetten der DIC-Software liegen, sondern zwischen vier benachbarten Facetten, werden die Koordinaten anhand einer Wichtung ermittelt. Dazu werden im ersten Schritt die Abstände der Facetten zueinander berechnet und in einem zweiten Schritt Hilfspunkte (siehe Punkte E, F, G, H in Fig. 2), die auf Geraden liegen, die jeweils zwei benachbarte Facetten in x- (siehe Punkte A, B und C, D in Fig. 2) und y-Richtung (siehe Punkte A, D und B, C in Fig. 2) miteinander verbinden, eingeführt. Anschließend werden in einem dritten Schritt die Abstände der Hilfspunkte zu den Facetten bestimmt. In einem vierten Schritt werden die Gewichtungsfaktoren der Hilfspunkte berechnet. Die Gewichtungsfaktoren der Hilfspunkte werden als Quotient der Länge der zwei Teilstrecken zwischen Hilfspunkt und Facettenpunkt und jeweils der Länge der Strecke zwischen zwei Facettenpunkten berechnet, bspw. die Gewichtungsfaktoren des Hilfspunktes E aus (AE)/(AB) bzw. (BE)/(AB) entsprechend Fig.2. Um die Gewichtungsfaktoren der Koordinaten der virtuellen Messmarken und/oder der Rissspitze (siehe Punkt P in Fig. 2) zu berechnen, werden der aufgeführte erste, dritte und vierte Schritt wiederholt, wobei anstelle der Facetten die Hilfspunkte und anstelle der Hilfspunkte die Koordinate der virtuellen Messmarken und/oder Rissspitze verwendet wird. Anhand der vorliegenden Gewichtungsfaktoren können nun die x- und y- Koordinaten der virtuellen Messmarken und/oder der Rissspitze im Koordinatensystem der DIC- Software sowohl für den ersten erfassten als auch die weiteren erfassten Zustände des Risses berechnet werden. Anschließend werden in Schritt S13 die Spannungsintensitätsfaktoren bestimmt (Schritt k)). Diese können für Mode I- und Mode II-Beanspruchungen aus den Formeln I und II mit Hilfe der in Schritt S12 ermittelten Verschiebungen berechnet werden. Da in Schritt S1 ein bereits belastetes Bauteil bereitgestellt wurde, können lediglich die Schwingbreiten der Spannungsintensitätsfaktoren ∆K nach Formel III bestimmt werden. Dazu werden die ermittelten Spannungsintensitätsfaktoren auf das Minimum der berechneten Spannungsintensitätsfaktoren bezogen und aus diesen normierten Spannungsintensitätsfaktoren KI, norm, KII, norm die Vergleichsspannungsintensitätsfaktoren Keq nach Formel V und deren Schwingbreite nach Formel IV bestimmt.
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Abschließend erfolgt in Schritt S14 die Ausgabe der ermittelten Spannungsintensitätsfaktoren (Schritt l)). Beispiel 2: Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung eines Risses bei Belastung eines Bauteils unter Nutzung Videoextensometer In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt S1 ein zu untersuchendes Bauteil, aufweisend mindestens einen Riss bereitgestellt (Schritt a)). Hierbei entspricht das zu untersuchende Bauteil dem in Beispiel 1 beschriebenen Bauteil. Nachfolgend erfolgt in Schritt S2 die Ermittlung der Rissspitze (Schritt d)). Dazu erfolgt die Markierung der Rissspitze direkt an dem zu untersuchenden Bauteil durch den Anwender des Verfahrens. Im anschließenden Schritt S3 erfolgt die Ermittlung der Rissausbreitungsrichtung (Schritt e)). Hierfür erfolgt eine händische Ermittlung der Rissausbreitungsrichtung anhand des Risspfads im untersuchten Bauteil durch einen Anwender des Verfahrens. Hierfür wird ein Lineal auf die Probe gelegt. Das Lineal liegt dabei auf der Rissspitze und verläuft entlang des bisherigen Risspfades. Nachfolgend erfolgt in Schritt S4 die Positionierung virtueller Messmarken (Schritt f)). Dabei werden zwei virtuelle Messmarken auf einer Geraden positioniert, die senkrecht zur der in Schritt S3 ermittelten Rissausbreitungsrichtung und durch die in S2 ermittelte Rissspitze verläuft. Die positionierten Messmarken weisen dabei beidseitig der Rissspitze den gleichen Abstand, jeweils 2,5 mm, und einen Abstand zueinander von 5 mm auf. Im folgenden Schritt S5 erfolgt die Erfassung mindestens eines ersten Zustands des Risses (Schritt a)) mittels eines optischen Messsystems, welches Bestandteil eines Videoextensometers ist, in Form von Bild- bzw. Videodaten. Der so erfasste erste Zustand wird anschließend in Schritt S6 an eine Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt (Schritt c)). Anschließend erfolgt in Schritt S7 das Aufbringen einer mechanischen Belastung (Schritt g)) entsprechend Beispiel 1 Schritt S7. Mittels der Software des Videoextensometers wird in Schritt S8 mindestens ein weiterer Zustand des Risses erfasst (Schritt h)). In Schritt S9 erfolgt die Übermittlung des erfassten weiteren Zustandes an die Datenverarbeitungseinrichtung (Schritt i)). Dieser weitere Zustand unterscheidet sich hinsichtlich der Position (Koordinaten) der virtuellen Messmarken von dem ersten erfassten Zustand. Die Erfassung weiterer Zustände des Risses erfolgt mit einer Frequenz von 0,9 Hz. Die Software des Videoextensometers bestimmt die Koordinaten der virtuellen Messmarken automatisiert in den erfassten Zuständen des Risses. Das Videoextensometer wiederholt in Schritt S10 fortlaufend die Schritte S8 und S9 simultan zur Wiederholung von S7 (Schritt m)). Nachfolgend werden in Schritt S11 die Verschiebungen der virtuellen Messmarken ermittelt (Schritt j)). Dazu wird die Differenz der Koordinaten der virtuellen Messmarken aus aufeinanderfolgend erfassten Zuständen des Risses ermittelt. In Schritt S12 werden Spannungsintensitätsfaktoren bestimmt (Schritt k)). Dies erfolgt analog zu den Ausführungen des Beispiels 1 mittels der in Schritt S11 ermittelten Verschiebungen. Abschließend erfolgt in Schritt S13 die Ausgabe der ermittelten Spannungsintensitätsfaktoren (Schritt l)).
Zitierte Nichtpatentliteratur: [1] M. Kuna. „Grundlagen der Bruchmechanik“. In: Numerische Beanspruchungsanalyse von Rissen. Vieweg+Teubner, 2010, S.25–148. [2] C. Wolf et al, „Fatigue crack growth in austenitic stainless steel: Effects of Phase Shifted Loading and crack paths”; Adv. Eng. Mater.2018, 1800861

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei Belastung eines Bauteils, umfassend mindestens die folgenden Schritte: a) Bereitstellen des zu untersuchenden Bauteils, das mindestens einen Riss aufweist, b) Erfassung mindestens eines ersten Zustandes des Risses, c) Übermittlung des ersten Zustandes aus Schritt b) an eine Datenverarbeitungseinrichtung, d) Ermittlung der Rissspitze, e) Ermittlung der Ausbreitungsrichtung des Risses und Übermittlung an die Datenverarbeitungseinrichtung, f) Positionierung von virtuellen Messmarken auf einer Geraden, die senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung des Risses steht und durch die Rissspitze verläuft, derart, dass die virtuellen Messmarken beidseits und in gleichem Abstand zur Ausbreitungsrichtung des Risses liegen und dass der Abstand der virtuellen Messmarken zueinander im Bereich von 1 µm bis 50 cm liegt, g) Aufbringen einer mechanischen Belastung auf das zu untersuchende Bauteil, h) Erfassung mindestens eines weiteren Zustandes des Risses, i) Übermittlung des in Schritt h) erfassten mindestens einen weiteren Zustandes an die Datenverarbeitungseinrichtung, j) Ermittlung der Verschiebungen der virtuellen Messmarken, k) Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren aus den in Schritt k) ermittelten Verschiebungen, l) Ausgabe der in Schritt l) ermittelten Spannungsintensitätsfaktoren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil im unbelasteten oder belasteten Zustand in Schritt a) bereitgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine einachsige oder mehrachsige, statische, quasistatische, zyklische oder dynamische Belastung in Schritt g) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte g) bis i) mindestens einmal in Schritt m) wiederholt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung eines Zustands des Risses anhand eines optischen Messsystems erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt j) ein Verschiebungsfeld in Schritt n) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte j) bis l) wiederholt werden.
8. Computerprogrammprodukt mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, die Schritte k) und l) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen und einem Bediener die Eingabemöglichkeiten für die Schritte d), e) und f) zur Verfügung zu stellen, sowie die durch den Bediener gemachten Eingaben zu verarbeiten.
9. Computerprogrammprodukt mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, die Schritte d) bis f) und k) und l) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
10. Computerprogrammprodukt nach einem der Ansprüche 8 oder 9 mit einem Datenspeicher und darauf gespeicherten, computerlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von der Datenverarbeitungseinrichtung gelesen und ausgeführt werden, diese dazu veranlasst, auch die Schritte b) und c) sowie h) und i) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
11. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mindestens aufweisend • mindestens eine Einrichtung zur Erfassung mindestens eines ersten Zustandes eines Risses in einem zu untersuchenden Bauteil, • mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung, auf der mindestens ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine Einrichtung zum Aufbringen einer mechanischen Belastung auf das zu untersuchende Bauteil aufweist.
13. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Computerprogrammprodukts nach einem der Ansprüche 8 bis 10 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 zur Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchung mindestens eines Risses bei einachsiger oder mehrachsiger Belastung eines Bauteils.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002350310A (ja) 2001-05-29 2002-12-04 Fukui Univ 応力拡大係数の誤差評価方法
EP1088213B1 (de) 1998-05-18 2004-03-31 Walter + BAI AG Verfahren und vorrichtung zur messung der öffnung der lippen eines sprunges gleichzeitig mit seinem wachstum
JP2015138020A (ja) 2014-01-24 2015-07-30 株式会社共和電業 応力拡大係数測定用ひずみゲージおよび応力拡大係数算出方法
US20160370269A1 (en) * 2015-06-16 2016-12-22 California Institute Of Technology Measurement of fracture toughness of heterogeneous materials
CN111398057A (zh) 2020-03-17 2020-07-10 华南理工大学 一种应用dic技术的非均质材料裂纹应力强度因子计算方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1088213B1 (de) 1998-05-18 2004-03-31 Walter + BAI AG Verfahren und vorrichtung zur messung der öffnung der lippen eines sprunges gleichzeitig mit seinem wachstum
JP2002350310A (ja) 2001-05-29 2002-12-04 Fukui Univ 応力拡大係数の誤差評価方法
JP2015138020A (ja) 2014-01-24 2015-07-30 株式会社共和電業 応力拡大係数測定用ひずみゲージおよび応力拡大係数算出方法
US20160370269A1 (en) * 2015-06-16 2016-12-22 California Institute Of Technology Measurement of fracture toughness of heterogeneous materials
CN111398057A (zh) 2020-03-17 2020-07-10 华南理工大学 一种应用dic技术的非均质材料裂纹应力强度因子计算方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. WOLF ET AL.: "Fatigue crack growth in austenitic stainless steel: Effects of Phase Shifted Loading and crack paths", ADV. ENG. MATER, 2018, pages 1800861
JIN H ET AL: "Grid Method for Microscale Discontinuous Deformation Measurement", EXPERIMENTAL MECHANICS ; AN INTERNATIONAL JOURNAL, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, BO, vol. 51, no. 4, 27 January 2011 (2011-01-27), pages 565 - 574, XP019893417, ISSN: 1741-2765, DOI: 10.1007/S11340-010-9459-7 *
TOUSSAINT E ET AL: "A detailed study of crack propagation in cement-based fibre composite beams under bending", CEMENT AND CONCRETE COMPOSITES, ELSEVIER APPLIED SCIENCE, BARKING, GB, vol. 27, no. 3, 1 March 2005 (2005-03-01), pages 399 - 411, XP027677312, ISSN: 0958-9465, [retrieved on 20050301] *

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