Browsing by Author "Kammerer, Matthias Carsten"

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Modellierung des Ermüdungsverhaltens von Mischschweißnähten unter Mediumsbedingungen bei multiaxialer thermo-mechanischer Beanspruchung
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Kammerer, Matthias Carsten; Seidenfuß, Michael (apl. Prof. Dr.-Ing.)
Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Ermüdungsbewertung von Mischschweißnähten in Hochtemperaturwasserumgebung bei mehrachsiger thermomechanischer Beanspruchung. Das Vorgehen gliedert sich in die zur Ermittlung der thermomechanischen Beanspruchungen notwendigen numerischen Berechnungsverfahren sowie in eine Methodik zur Bewertung der mehrachsigen Beanspruchungszustände unter Berücksichtigung des Umgebungsmediums. Kriterium für die Werkstoff- bzw. Bauteilermüdung ist die Lebensdauer bzw. die ertragbare Zyklenzahl bis zum Auftreten eines technischen Anrisses. Die auf Basis von Versuchen an Werkstoffproben entwickelte Methodik wird an geschweißten Rohrmodulen verifiziert. Dazu werden die Module in einer Großversuchsanlage von Hochtemperatur-Druckwasser durchströmt und thermisch-transienten Wechselbeanspruchungen ausgesetzt. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wurden zunächst an Laborproben Verformungs- und Anrisskennwerte der Untersuchungswerkstoffe im Umgebungsmedium Luft- und Hochtemperaturwasser ermittelt. Die in definierter Hochtemperaturwasserumgebung ausgebildeten Oxidschichten wurden bezüglich ihres Bildungsprozesses sowie des mechanischen Verhaltens charakterisiert. Der mehrlagige Schweißprozess von Rohrmodulen mit Nennweite DN80 wurde mit Temperaturmessungen begleitet und im Anschluss wurde der Eigenspannungszustand innerhalb der Rohrumfangsnaht durch Eigenspannungsmessungen ermittelt. Im Rahmen von Bauteilversuchen wurden die Rohrmodule in Hochtemperaturwasser durch periodische Kaltwasserzuspeisung transienten Temperaturwechselzuständen zwischen 260 C und 20 C ausgesetzt, um ermüdungsrelevante Beanspruchungen zu erzeugen. Durch fraktographische Analysen an den vorab thermisch-mechanisch-korrosiv beanspruchten Rohrmodulen wurden zugehörige Schadensmuster analysiert. Im Rahmen numerischer Untersuchungen wurden temperaturabhängige Materialmodelle zur simulativen Abbildung des zyklischen Verformungsverhaltens angepasst. Das zugehörige elastisch-plastische Verformungsverhalten wurde zuvor durch isotherme Ermüdungsversuche an glatten Laborproben ermittelt. Das eingesetzte Materialmodell mit kinematischer Verfestigung ist im FE-Programm Abaqus bereits implementiert und erprobt. Die Ergebnisse konnten anhand eigener Versuchsdaten mit gekerbten Proben sowie Daten aus der Literatur verifiziert werden. Eine Schweißprozesssimulation wurde durchgeführt um den Eingenspannungszustand von Rohrmodulen mit Mischschweißnaht zu ermitteln. Das quasistatische elastisch-plastische Werkstoffverhalten wurde im FE-Programm durch Hinterlegung temperaturabhängiger Fließkurven berücksichtigt. Die numerisch ermittelten Eigenspannungsfelder wurden durch Messungen verifiziert. Die Fluid-Struktur-Interaktion der mit Hochtemperaturwasser durchströmten Rohrmodule wurde durch thermisch voll-gekoppelte CFD-Analysen in ANSYS-CFX berechnet. Transiente Temperaturwechselzustände im Bereich der Rohrmodule mit Mischschweißnaht wurden unter Verwendung eines Turbulenzmodells mit Reynolds-Mittelung (RANS) sowie einem Grobstrukturmodell (LES) simuliert. Durch transiente CFD-Simulation berechnete Temperaturfelder wurden in ein strukturmechanisches Modell übertragen, um die elastisch-plastischen Verformungszustände innerhalb des Moduls mit Mischschweißnaht zu ermitteln. Neben dem eigenspannungsfreien Ausgangszustand der Rohrmodule konnte auch der Einfluss eines initialen Eigenspannungsfeldes, entsprechend das Ergebnis der Schweißprozesssimulation, bei der Beanspruchungsermittlung direkt berücksichtigt werden. Die Gültigkeit der hier entwickelten Simulationsmethodik konnte durch die Gegenüberstellung von numerisch berechneten Temperatur- und Verschiebungsfeldern und den während Bauteilversuchen gemessenen Werten aufgezeigt und nachgewiesen werden. Eine Bewertung der transienten Beanspruchungszustände erfolgte nach klassischen Festigkeitshypothesen und der Methode der kritischen Schnittebene. Zur Berücksichtigung des Einflusses der Hochtemperaturwasserumgebung auf die Ermüdungsfestigkeit wurde ein mechanismenbasierter Ansatz unter Verwendung eines Schädigungsparameters vorgeschlagen. Es konnte gezeigt werden, dass Lebensdauerabschätzungen basierend auf der entwickelten Vorgehensweise von fraktographischen Analysen aus Bauteilversuchen bestätigt werden. Im Vergleich zu Analysen nach dem Stand von Wissenschaft und Technik wird damit eine bessere Abschätzung des Mediumseinflusses hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit erreicht.