Browsing by Author "Roos, Eberhard (Prof. Dr.)"

Now showing 1 - 3 of 3

Open Access
Auslegung und Optimierung von Flanschverbindungen mit SMC-Losflanschen und PTFE-Dichtungen
(2014) Kurz, Hariolf; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)
Die Anforderungen an Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) sind im Hinblick auf die Dichtheit, die Medienbeständigkeit und die Betriebssicherheit in den letzten Jahren gestiegen. Dennoch müssen die Betreiber chemischer Anlagen mit Rohrleitungen aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit Losflanschen aus sheet-molding-compound (SMC) diese nachweislich sicher betreiben. Die Motivation zu dieser Arbeit liegt darin, dieses Bestreben mit der Auswahl von geeigneten PTFE-Dichtungen und mit der Untersuchung und Optimierung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche sowie ihrer analytischen Berechnung zu unterstützen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind im Folgenden zusammengefasst. • Optimierung der Dichtungen In diesem Themenbereich wurden neun verschiedene Dichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und zwei Gummidichtungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in GFK-Flanschverbindungen untersucht. Die Basis der Untersuchungen bildeten die Dichtungskennwerte nach DIN EN 13555, welche unter reduzierten Anfangspressungen im Leckage- und Stauchversuch und bei niedrigerer Steifigkeit und verlängerter Versuchsdauer im Kriechrelaxationsversuch ermittelt wurden. Vier PTFE-Dichtungen stellten sich im Leckageversuch als besonders geeignet heraus. An diesen wurden zusätzlich Untersuchungen zum Rückfeder- und Kriechrelaxationsverhalten durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Dichtungsprüfung sind zum einen, dass das Leckageratenkriterium der TA Luft mit 0,01 mbar•l/(s•m) bei 40 bar Helium von einigen PTFE-Dichtungen auch bei den in GFK-Flanschverbindungen typischen Flächenpressungen unterhalb 10 MPa eingehalten werden kann. Zum anderen entspricht das Rückfederverhalten der PTFE-Dichtungen dem der Gummidichtungen und die Kriechrelaxation der PTFE-Dichtungen unter den Bedingungen in GFK-Flanschverbindungen ist mit etwa 80% verbleibender Flächenpressung im Betrieb akzeptabel. Der Verlust der Vorspannkraft der Flanschverbindung im Betrieb resultiert maßgeblich aus der Kriechrelaxation der GFK-Flansche. Zur Optimierung von PTFE-Dichtungen werden von den Dichtungsherstellern verschiedene Maßnahmen getroffen, wie zum Beispiel die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Variation der Dichtungsgeometrie, welche das Abdichtverhalten verbessern. Um die Auswirkungen dieser Modifikationen rechnerisch erfassen zu können, wurde ein zweistufiges numerisches Konzept entwickelt, welches die Durchlässigkeit der Dichtung mit einem Transportansatz beschreibt. Dafür wird im ersten Schritt in einer Finite-Elemente-Simulation die Flächenpressungsverteilung der Dichtung bestimmt. Die lokale Dichtheit kann mit dem Leckageversuch nach DIN EN 13555 bestimmt und in einem zweiten Schritt der in Finite Elemente diskretisierten Dichtung örtlich zugewiesen werden. Die Lösung des Transportproblems führt zur Druckverteilung innerhalb der Dichtung und zur globalen Leckagerate der optimierten Dichtung. Diese Vorgehensweise liefert im Vergleich zu den gemessenen Druckprofilen innerhalb unter-schiedlich verpresster Dichtungen und für die globale Leckagerate einer vorverpressten PTFE-Dichtung konsistente Werte. Dem entsprechend konnte die Reduktion der Leckagerate einer durch Vorverpressen optimierten PTFE-Flachdichtung um den Faktor 3000 korrekt vorhergesagt werden. Die Methodik ermöglicht ebenfalls eine realistische Bewertung der Dichtheit von Flansch-verbindungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM), mit dem Ergebnis, dass in der Regel die zur Einhaltung der Dichtheit benötigten Mindestwerte der Schraubenkräfte im Vergleich zur herkömmlichen Bewertung der Dichtheit mit der mittleren Flächenpressung der Dichtung geringer werden. • Optimierung der Flansche Zunächst wurde der fertigungsbedingte Lagenaufbau und die damit verbundenen Werkstoffeigen-schaften der SMC-Losflansche bestimmt. Es handelt sich um eine unregelmäßige Verteilung eines transversal isotropen Lagenaufbaus. Dies wurde durch die Untersuchung der Mikrostruktur verdeutlicht, wobei festgestellt wurde, dass innerhalb der Flansche neben den eingeschlossenen Luftblasen auch die Matrix zwischen den Fasern von mikroskopischen Lufteinschlüssen durchsetzt ist. Aus diesem Grund weichen die Elastizitätskonstanten aus der theoretischen Herleitung deutlich von den gemessenen Werten an Bauteilausschnitten ab. Die Untersuchung des mechanischen Verhaltens der SMC-Losflansche wurde in einem Stauchversuch durchgeführt. Der Unterschied zur genormten Vorgehensweise nach DIN EN 16966 Teil 7 besteht darin, dass die Last kontinuierlich bis zum Bauteilversagen aufgebracht und dabei die axiale Verformung des Losflansches aufgezeichnet wird. Die Auswertung des Stauchverhaltens liefert als Ergebnis die maximale Traglast und die Steifigkeit der Losflansche. Beide Werte sind zur Bestimmung der Qualität einer Flanschverbindung von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich werden mögliche Schwächen im Bauteil, welche zu vorzeitigem Versagen führen, erkannt. Dies ermöglicht dem Hersteller, beispielsweise durch die Variation des Lagenaufbaus oder des Matrixwerkstoffes, die Eigenschaften der Losflansche zu optimieren. Mit der messtechnischen Erfassung des Kriechrelaxationsverhaltens unter Temperatur in einem speziell dafür entwickelten Prüfstand wurde bestätigt, dass der Vorspannkraftverlust der Flanschverbindung im Betrieb maßgeblich durch die viskose Verformung der Flansche bedingt ist. Mit dem Ziel, den Lagenaufbau der SMC-Losflansche zu verbessern und die analytische Beschreibung der Losflansche zu verifizieren, wurde ein Finite-Elemente-Modell der Flanschverbindung erstellt. Darin wurden die an Bauteilausschnitten senkrecht und längs der SMC-Matten ermittelten anisotropen Elastizitätskonstanten, Festigkeits- und Kriecheigenschaften mittels geeigneter Werkstoffmodelle eingebunden. Der unregelmäßige Lagenaufbau wurde durch die Anpassung der Elementkoordinatensysteme an die an Schnitten visuell ermittelte Orientierung der SMC-Matten abgebildet. Die Bewertung der Ergebnisse der FE-Simulation mit der Festigkeits-hypothese nach Tsai-Wu bestätigt das verbesserte Tragverhalten eines Losflansches mit dem durch eine Fertigungsumstellung erzielten ebenen Lagenaufbau. Damit konnte die maximale Traglast des SMC-Losflansches um 50 % erhöht werden. Die Kriechrelaxation des SMC-Losflansches wird durch die Abbildung der an den Bauteilausschnitten ermittelten, richtungsabhängigen Kriechkurven mit dem von Hill modifizierten Kriechgesetz nach Graham-Walles beschrieben. Damit werden die gemessenen zeitlichen Verläufe der Schraubenkraft im Betrieb realistisch abgebildet. Die Vorhersage der im Vergleich zum bestehenden Losflansch geringfügig erhöhten Kriechrelaxation des Prototyps mit ebenem Lagenaufbau wird durch die Messung bestätigt. Insgesamt bedeutet die Erhöhung der zulässigen Schraubenkräfte bei Montage von 40 kN auf 60 kN eine deutliche Zunahme der Schraubenkraft im Betrieb, was die Betriebssicherheit erhöht und die Verwendung von PTFE-Dichtungen begünstigt. • Optimierung der Berechnungsmethode Mit den Erkenntnissen zur Beanspruchung von Losflanschen aus der messtechnischen Untersuchung der Flanschverbindung und aus der numerischen Simulation wurde ein analytisches Berechnungskonzept für den Losflansch entwickelt. Dieses berechnet die Beanspruchung in Umfangsrichtung aus dem Stülpmoment. Die Umfangsspannungen und die Verformung des Losflansches werden damit realistischer beschrieben als durch die bestehenden Regelwerke. Da das Berechnungskonzept ausschließlich die Spannung an der Losflanschoberseite zwischen den Schrauben abbildet, kann ein Bauteilversagen an anderer Stelle nicht erfasst werden. So muss bei der Auslegung differenziert nach der Lokalisierung des Versagens im Stauchversuch vorgegangen werden: - Losflansch versagt im Stauchversuch an der Flanschoberseite zwischen den Schrauben Das Berechnungskonzept ist anwendbar. Zur Berechnung der Flanschverbindung kann die analytische Beschreibung des Verhaltens von Losflanschen die bestehenden Regelwerken ersetzen. Mit dem zur Diskussion stehenden Wegfall der Werkstoffabminderungsfaktoren gemäß den Definitionen im AD 2000-Merkblatt führt die beschriebene Vorgehensweise zu höheren Schraubenkräften bei Montage und im Betrieb der Flanschverbindung. Dies bewirkt eine höhere Dichtheit und Betriebssicherheit von Anlagen mit GFK-Rohrleitungen. - Losflansch versagt an anderer Stelle Das Berechnungskonzept kann nicht angewendet werden. Alternativ können die maximale zulässige Schraubenkraft für Montage und im Betrieb sowie die Steifigkeiten im Stauchversuch ermittelt werden. Der Hersteller kann die sich im Stauchversuch offenbarenden Schwachstellen im Bauteil identifizieren und den Fertigungsprozess hinsichtlich des Tragverhaltens der Losflansche optimieren.
Open Access
Auswirkungen eines dreiachsigen Spannungszustandes auf das Verformungsverhalten und das Rissinitiierungsverhalten von Gruppenfehlstellen
(2004) Weichert, Christina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)
Während des Erstarrungsprozesses von großen Schmiedestücken ist die Entstehung von Fehlstellen (nichtmetallische Einschlüsse) und Inhomogenitäten nicht vollständig vermeidbar. Daher ist es erforderlich, Kriterien zur Beurteilung der Zulässigkeit von Fehlstellen zu erarbeiten. Zum Auffinden und zur Größenbestimmung der Fehlergrößen im Inneren der Schmiedestücke wird die Ultraschallprüfung angewandt. Zur Ermittlung von Oberflächenfehlern dient die Magnetpulverrissprüfung. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von Gruppenfehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung in Abhängigkeit der jeweiligen Fehlstellengrößen und des Fehlstellenabstandes, sowie die Erstellung eines Wechselwirkungskriteriums zur Charakterisierung und Bewertung der Fehlstellen. Neben der Nachauswertung der Kleinproben wurden experimentelle Untersuchungen an Großproben (70 mm Schaftdurchmesser) der Stähle 26NiCrMoV14-5 und 30CrMoNiV5-11 mit Gruppenanzeigen durchgeführt. Die Proben stammen von Ausschussschmiedestücken, die mittels moderner Erschmelzungstechnologie in den 90iger Jahren hergestellt wurden. Eine Probe wurde mehrachsig (Schleuderprobe), die übrigen wurden einachsig beansprucht. Parallel zu den Versuchen erfolgten zerstörungsfreie Prüfungen, die Aussagen über die Lage der Fehlstellen und den Beginn des Risswachstums ermöglichten. Nach Erreichen von signifikanten zerstörungsfreien Prüfsignalen wurden die Proben kalt (spröde) aufgebrochen und die Fehlstellen rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Wesentliche Schwerpunkte bildeten dabei die Untersuchung der Fehlstellen hinsichtlich ihrer gegenseitigen Beeinflussung sowie die Planimetrierung der Fehlstellengrößen und deren Risswachstum. Weiterhin wurden bruchmechanische Analysen durchgeführt und die durch die Fehlstellen verursachten Versagensvorgänge beschrieben. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden umfangreiche numerische Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde zunächst eine einachsig beanspruchte fehlstellenbehaftete Probe betrachtet. An dem dreidimensionalen Modell wurden neben linearelastischen Simulationen auch Berechnungen unter Verwendung des Kriechgesetzes von Norton-Bailey durchgeführt und die Ergebnisse dargestellt. Dabei wurden die Fehlstellen elliptisch angenähert. Zur Verifizierung dieser Näherung wurde in Anlehnung an eine bereits experimentell untersuchte Probe die wahre Fehlergeometrie modelliert. Erwartungsgemäß zeigte der Vergleich beider Rechnungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der wahren Fehlerform und der elliptischen Näherung. Daher wurden die Rechnungen mit der elliptischen Fehlergeometrie durchgeführt. Zur Untersuchung des Einflusses des Fehlstellenabstandes wurden verschiedene dreidimensionale Rechnungen mit gleichen Fehlergrößen durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den Fehlstellen variiert wurde. Hierzu war es erforderlich, für jede Rechnung ein neues Netz zu generieren. Da diese Rechnungen sehr aufwändig sind, wurden vereinfachend zweidimensionale Rechnungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die 3D-Rechnungen zu ähnlichen Ergebnissen wie die 2D-Rechnungen führen. Basierend auf diesem Resultat wurden weitere unterschiedliche Fehlstellengrößen und -abständen zweidimensional simuliert. Neben der Nachrechnung von fehlerbehafteten einachsig beanspruchten Proben, wurden auch mehrachsig beanspruchte fehlerfreie und fehlerbehaftete Proben untersucht. Die Untersuchung des Einflusses der Mehrachsigkeit wurde basierend auf dem Mehrachsigkeitsquotienten q durchgeführt. Dabei zeigte sich insbesondere bei den Kriechrechnungen sowohl bei einachsiger als auch bei mehrachsiger Beanspruchung im Bereich der Fehlstellenränder eine signifikante Zunahme der Mehrachsigkeit. Während das Risseinleitungsverhalten bei einachsiger und mehrachsiger Beanspruchung von dem Mehrachsigkeitsquotienten q unabhängig ist, wird dieser bei spontaner Risserweiterung beeinflusst. Ausgehend von diesen numerischen Analysen wurde eine Wechselwirkungsfunktion erstellt, welche den Grad der gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei benachbarten Fehlstellen beschreibt. Die Wechselwirkungsfunktion ist dabei von dem Fehlergrößenverhältnis und dem auf die größere Fehlerachse bezogenen Abstand abhängig. Durch Einbeziehung der experimentellen Ergebnisse konnte ein Wechselwirkungsbereich definiert werden. Innerhalb dieses Bereichs ist mit einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen zwei in einer Ebene liegenden Fehlstellen zu rechnen. Weiterhin wurden die zur Anwendung des Wechselwirkungskriteriums an die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung gestellten Anforderungen erläutert. Aus den in dieser Arbeit durchgeführten experimentellen und numerischen Finite-Elemente-Untersuchungen ist es nun möglich, das Verhalten von Gruppenfehlstellen zu charakterisieren und bruchmechanisch zu bewerten.
Open Access
Mikromechanisch basierte Schädigungsmodelle zur Beschreibung des Versagensablaufs ferritischer Bauteile
(2007) Seebich, Hans-Peter; Roos, Eberhard (Prof. Dr.)
Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Aufklärung der temperaturabhängigen Versagensmechanismen vor allem im Übergangsgebiet der Zähigkeit am ferritisch-bainitischen Feinkornbaustahl 22NiMoCr3-7 verfolgt, um daraus die Anwendbarkeit von mikromechanisch basierten Schädigungsmodellen sicher zu stellen. Mit diesen Modellen können Einflussfaktoren auf die Bruchzähigkeit untersucht und das Masterkurve-Konzept analysiert werden. Darüber hinaus wurde ein numerisches Konzept zur geschlossenen Versagensbeschreibung des gesamten Temperaturbereichs abgeleitet und erfolgreich verifiziert. Ferritische Stähle zeigen ein temperaturabhängiges Bruchzähigkeitsverhalten. Dieses wird in die Tieflage, das Übergangsgebiet und die Hochlage der Bruchzähigkeit eingeteilt. Bei ferritischen Stählen wird mit sinkender Temperatur eine Abnahme der Verformungsfähigkeit beobachtet. In Verbindung mit mehrachsigen Spannungszuständen, wie sie bei angerissenen Bauteilen auftreten, nimmt die Gefahr eines Sprödbruchs deutlich zu. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die im Masterkurve-Konzept verwendete Bruchzähigkeit KJc nach ASTM E 1921 nicht nur von der Temperatur, sondern auch von Größe, Geometrie, Beanspruchung und der Rissfront¬länge der Probe abhängt. Zur Untersuchung dieser Einflussfaktoren wurden zahlreiche bruchmechanische Versuche an insgesamt neun verschiedenen Probenformen durchgeführt. Anhand einer umfassenden Grundcharakterisierung des ferritisch-bainitischen Feinkornbaustahls 22NiMoCr3 7 konnte die Homogenität des Werkstoffs nachgewiesen und gleichzeitig die Festigkeits- und Verformungs¬kennwerte bestimmt werden. Zum besseren Verständnis der Versagensvorgänge beim Bruch, vor allem im Übergangsgebiet der Zähigkeit, wurde mit Hilfe metallographischer Untersuchungen der jeweilige Versagensablauf und Versagensmechanismus bestimmt. Darüber hinaus wurden anhand von REM-Untersuchungen an unterschiedlichen bruchmechanischen Proben, die alle durch instabilen Bruch versagten, die Positionen der Spaltbruchausgangsstellen ermittelt. Mit Hilfe von TEM-Untersuchungen an Metallfolien und Ausziehabdrücken wurden die Versetzungsdichte und die Ausscheidungsverteilung an der Bruchstelle analysiert. Es traten im 22NiMoCr3-7 zwei Arten von Ausscheidungen auf, Eisenkarbide (Fe3C) und Molybdänkarbide (Mo2C). Dabei gelten sowohl harte Karbide als auch Korngrenzentripel als potentielle Spaltbruchausgangsstellen. Der in der Probe bzw. dem Bauteil vorliegende Spannungszustand wirkt sich auch auf die Referenztemperatur T0 aus, anhand der die Masterkurve (ASTM E 1921) justiert wird. Es ist ein bekannter Effekt, der sich auch durch die durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchen bestätigt, dass die Biegeproben (SE(B)) zu einer tieferen T0 führen als die auf Zug und Biegung belasteten C(T)-Proben. Neben diesem Belastungseinfluss haben die Probengröße, die Probendicke bzw. Rissfrontlänge und das Risstiefenverhältnis Auswirkungen auf die Bruchzähigkeit KJc und deren Streuung. Die Auswirkung der oben genannten Einflussgrößen auf die Bruchzähigkeit wurde mit dem Beremin-Modell untersucht. Dieses lokale probabilistische Versagensmodell baut auf einem Weibullansatz zur Beschreibung des Versagens durch Spaltbruch auf. Es konnte gezeigt werden, dass das Beremin-Modell in der Lage ist, den Geometrieeinfluss, den Größeneinfluss sowie den Risstiefen- und Rissfrontlängeneinfluss auf die Bruchzähigkeit KJc mit guter Genauigkeit vorherzusagen. Die verwendeten Parameter waren dabei unabhängig von Geometrie, Größe, Risstiefe und Rissfrontlänge. Die Vorhersage des Probenversagens bei höheren Temperaturen mit diesem Modell ist allerdings zu konservativ. Ein Grund hierfür ist, dass der Versagensablauf im Übergangsgebiet wechselt. So tritt vor dem instabilen Spaltbruchversagen eine duktile Rissinitiierung mit mehr oder weniger stark ausgeprägtem duktilem Risswachstum auf. Um die Vorhersagegenauigkeit im oberen Übergangsgebiet zu verbessern, wurden Beremin-Modellmodifikationen und ein gekoppeltes Werkstoffmodell aus Beremin- und Rousselier-Modell untersucht. Gute Ergebnisse lieferte der Ansatz einer temperaturabhängigen Weibullreferenzspannung. Es konnte gezeigt werden, dass das Rousselier-Modell das Verformungsverhalten, die duktile Rissinitiierung und die Risserweiterung in der Hochlage gut beschreibt. Auch lassen sich die Parameter des Rousselier-Modells auf andere Probengeometrien sicher übertragen. Damit kann die duktile Initiierung sowie der Betrag und die Form der duktilen Rissausbreitung vorausgesagt werden. Der Vergleich von Experiment und Numerik zeigte, dass die Ausbildung der Rissfront abhängig vom Breiten- zu Längenverhältnis der Probe ist. Mit stochastischen FEM-Simulationen, unter Verwendung des Rousselier-Modells, wurden Sensitivitätsuntersuchungen zu den mikrostrukturellen Einflüssen auf bruchmechanische Kennwerte durchgeführt. Diese erlauben u.a. eine Abschätzung der Streuung der duktilen Initiierungswerte Ji in der Hochlage. Abschließend wurde ein Ansatz zur geschlossenen Beschreibung des Versagens im gesamten Temperaturbereich – von der Tieflage bis in die Hochlage der Zähigkeit – vorgestellt. Dieses Konzept beruht auf der Bewertung des Spaltbruchversagens durch das temperaturmodifizierte Beremin-Modell sowie der duktilen Rissinitiierung anhand des Rousselier-Modells. Das Konzept wurde auf unterschiedliche Probenformen mit unterschiedlichen Spannungszuständen angewendet und erfolgreich verifiziert. Dieses Konzept hat u.a. den großen Vorteil, dass keine Rissfrontlängenkorrektur erforderlich ist, sondern die ermittelten Kennwerte direkt verwendet werden können. Dies ist von großer Bedeutung bei der Bewertung von Bauteilen.