Im Rahmen des Forschungsprojekts ”TMF-Rissverlaufsberechnung für ATL-Heißteile“ des FVV e.V. wurden Untersuchungen zur Entwicklung eines Rissfortschrittsgesetzes unter thermomechanischer Wechselbeanspruchung (thermo-mechanical fatigue, TMF) für das austenitische Gusseisen Ni-Resist D-5S durchgeführt. Ziel der experimentellen Arbeiten war es, mit einseitig gekerbten Proben (SENT) eine Datenbasis für Risswachstum unter TMF-Belastung zu schaffen. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mithilfe eines validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodells modelliert, das zur Berücksichtigung großer Verzerrungen und Rotationen am Riss auf große Deformationen erweitert wurde. Zur Beurteilung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissspitzenöffnungsverschiebung (ΔCTOD) als geeigneter Beanspruchungsparameter verwendet. Für die Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller, adaptiver Neuvernetzung entwickelt. Dabei wurden Verformungen und inelastische Zustandsvariablen auf das neue Netz übertragen. Der Einfluss verschiedener Parameter innerhalb der Simulationsstruktur wurde analysiert. Ein verbesserter Mapping-Algorithmus zur Übertragung der Zustandsvariablen wurde entwickelt. Mithilfe begleitender 2D FEM-Simulationen wurden die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs basierend auf den experimentellen Daten ermittelt und unter Anwendung des ΔCTOD Konzepts in parametrisierter Form dargestellt. Zusätzlich wurden Rissfortschrittsgesetze durch den Einsatz von Machine-Learning-Konzepten bestimmt. Dies ermöglicht erstmals eine quantitative Vorhersage der Rissentwicklung unter Beanspruchungsbedingungen mit Großbereichsfließen unter Berücksichtigung von TMF. / As part of the research project ”TMF crack propagation calculation for ATL hot parts“ of the FVV e.V., an investigation was carried out to develop a crack propagation law under thermomechanical fatigue (TMF) for the austenitic cast iron Ni-Resist D-5S. The aim of the experimental work was to create a database for crack growth under TMF loading with single edge notch tension specimens (SENT). The material behavior of the austenitic cast iron under consideration, Ni-Resist D-5S, was modeled using a validated viscoplastic temperature dependent material model, which was extended to large deformations to account for large distortions and rotations in the crack. The cyclic crack opening displacement (ΔCTOD) was used as a suitable loading parameter to assess crack propagation under TMF. An automatic FEM algorithm with incremental adaptive remeshing was developed for the simulation of crack propagation. In the process, the deformations and inelastic state variables were transferred to the new mesh. The influence of different parameters within the simulation structure was analyzed. An ideal mapping algorithm for the transfer of state variables was developed. With the help of accompanying 2D FEM simulations, the crack propagation curves of the material were determined on the basis of the experimental data and presented in parameterized form using the concept ΔCTOD. Furthermore, crack propagation laws were determined using machine learning concepts. This allows for the first time a quantitative prediction of crack development under loading conditions with large scale yielding taking TMF into account.

In den letzten Jahren intensivierten sich die Bemühungen, anisotropes Verhalten von Gesteinen in numerischen Modellen abzubilden. Für ein tiefgreifendes Verständnis dieser Prozesse sind numerische Modelle gut geeignet, da hier die Rand- und Anfangsbedingungen sehr exakt vorgegeben werden können, um das Verhalten eines pkysikalischen Systems unter vollständig kontrollierbaren Bedingungen zu studieren. Am Beispiel von Gneis wird ein numerisches Modell für die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuche vorgestellt. Dieses nutzt den Diskreten-Element-Code 3DEC der Fa. Itasca Consulting Group, Inc. um gekoppeltes nichtlinear-anisotropes thermo-mechanisches Materialverhalten zu simulieren. In dieser Arbeit wird sowohl der Modellaufbau anhand eines GBM gezeigt, als auch ein Stoffgesetz zur Simulation eines nichtlinearen orthotropen thermischen Expansionsverhaltens entwickelt. Die dafür benötigten Modellparameter werden anhand von durchgeführten Laborversuchen kalibriert. Das entwickelte Modell wird dann angewendet, um die Modellierung einaxialer Druck- und Spaltzugversuchen für ein anisotropes Material (Gneis) durchzuführen, um das Modell zu validieren. Am Ende der Arbeit wird eine praktische Anwendung des Modells in Form eines Schneidversuchs gezeigt. / In recent years, efforts have intensified to simulate the anisotropic behavior of rocks in numerical models. Numerical models are well suited for a profound understanding of these processes, since the boundary and initial conditions can be specified very precisely in order to study the behavior of a physical system under fully controllable conditions. Using the example of gneiss, a numerical model is presented for the modeling of uniaxial compression and Brazilian tensile tests. The discrete element code 3DEC from the company Itasca Consulting Group, Inc. is used to simulate coupled nonlinear- anisotropic thermo-mechanical material behavior. In this thesis the model generation is shown using Grain-Based Models and a material law for the simulation of a nonlinear orthotropic thermal expansion behavior is developed. The model parameters required for this are calibrated based on performed laboratory tests. The developed model is then applied to perform modeling of uniaxial compression and Brazilian tensile tests for an anisotropic material (gneiss) to validate the model. Lastly, a practical application of the model is shown in the form of a cutting test.