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Item Open Access Lebensdauerbewertung dickwandiger Bauteile aus Nickelbasislegierungen unter betriebsnahen Beanspruchungen(2015) Hüggenberg, Daniel; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll in Deutschland bis zum Jahr 2050 der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf 80% gesteigert werden. Deshalb werden konventionelle Kraftwerke weniger zur Deckung der Grundlastversorgung, sondern vielmehr zur Deckung der Mittel- und Spitzenlastversorgung eingesetzt. Dies bedeutet für die Anlagen, dass diese einerseits für kürzere Zeiten stationär betrieben werden und andererseits deutlich häufiger mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten an- und abgefahren werden, um die Erzeugungslücken der erneuerbaren Energien zu decken. Dies führt dazu, dass die Komponenten verstärkt einer überlagerten Beanspruchung aus Kriechen und Ermüdung ausgesetzt sind, welche einen Lebensdauer verkürzenden Einfluss hat. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Lebensdauerbewertung von kriechermüdungsbeanspruchten dickwandigen Komponenten aus den Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 auf der Basis numerischer phänomenologischer Ansätze sowie Ansätzen gängiger Regelwerke/Empfehlungen zu entwickeln und zu verifizieren. Explizit liegt der Fokus auf zwei Komponenten der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II), einem Sammler aus Alloy 617 mod. und Alloy 263 sowie einem Halbkugelformstück aus Alloy 617 mod.. Zur Grundcharakterisierung der in HWT II verwendeten Schmelzen der Nickelbasislegierungen sind bei Prüftemperaturen im Bereich von 20°C bis 725°C einachsige Zugversuche, (Kriech-)ermüdungsversuche, Zeitstandversuche sowie Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt worden. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Vorgaben der Werkstoffdatenblätter und den Ergebnissen der Forschungsvorhaben COORETEC DE4, MARCKO DE2 und MARCKO700 zeigte für beide Nickelbasislegierungen mit Ausnahme der Zeitstandversuchsergebnisse des Alloy 617 mod. keine Auffälligkeiten. Bei den Ergebnissen der Zeitstandversuche an der HWT II-Schmelze des Alloy 617 mod. konnten Abweichungen hinsichtlich des Verformungs- und Schädigungsverhalten identifiziert werden. Neben den Versuchen zur Grundcharakterisierung wurden komplexe Laborversuche zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei überlagerter Kriechermüdungsbeanspruchung sowie multiaxialen Spannungszuständen durchgeführt. Des Weiteren wurden zur Charakterisierung der Entwicklung der Mikrostruktur, des Ausscheidungsverhaltens sowie der Versetzungsstruktur für beide Nickelbasislegierungen am Material im Ausgangszustand und im kriech- bzw. kriechermüdungsbeanspruchten Zustand metallographische Untersuchungen im Lichtmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Einordnung mit den Ergebnissen aus anderen Forschungsvorhaben verglichen und es konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Um mit Hilfe von Finite-Elemente Simulationen das Verformungs- und Schädigungsverhalten bei Kriechermüdungsbeanspruchungen beschreiben zu können, wurde ein viskoplastisches Verformungsmodell mit integrierter Schädigungsformulierung nach Lemaitre verwendet. Die werkstoffabhängigen Modellparameter wurden anhand der Ergebnisse der Grundcharakterisierungsversuche für beide Nickelbasislegierungen angepasst. Zur Einordnung der Anpassungen wurden sämtliche Zeitstand und Ermüdungsversuche in FE-Simulationen nachgerechnet. Weiterhin erfolgte die Verifizierung der Modellanpassungen durch Nachrechnungen der komplexen Laborversuche. Aus den Vergleichen der Ergebnisse der Versuche und Simulationen ist zu identifizieren, dass sowohl das Verformungs- als auch das Schädigungsverhalten in guter Weise durch das viskoplastische Materialmodell mit den ermittelten Parametern beschrieben werden kann. Anhand von Nachrechnungen komplexer dickwandiger Bauteile (Sammler, Halbkugelformstück) unter realitätsnahen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass das im Rahmen dieser Arbeit an den Werkstoffen Alloy 617 mod. bzw. Alloy 263 angepasste Verformungs- und Lemaitre-Schädigungsmodell geeignet ist, um die anrissgefährdeten Stellen und die Lebensdauer bis zum Anriss vorherzusagen. Dies konnte anhand von Farbeindringprüfungen sowie Auswertungen der Bruchflächen des untersuchten Sammlers belegt werden. Für die Lebensdauerwertungen wurden darüber hinaus noch die Bewertungsansätze nach der europäischen DIN EN 12952-3/4, der amerikanischen ASME Section III Division 1 Subsection NH, der französischen RCC-MR RB 3262.12 und der britischen R5 Empfehlungen Volume 2/3 angewendet. Dabei zeigte sich, dass die Ansätze nach ASME und RCC-MR aufgrund sehr konservativer Vorhersagen und die Ansätze nach R5 und DIN EN 12952 aufgrund nicht konservativer Vorhersagen für die Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 nicht geeignet sind.Item Open Access Visualization techniques for group structures in graphs(2015) Vehlow, Corinna; Weiskopf, Daniel (Prof. Dr.)Graph visualization plays a key role analyzing relations between objects. With increasing size of the graph, it becomes difficult to understand global and local structures of the graph. Grouping objects of the graph based on their attributes or relations helps reveal global structures. Visualizing these group structures together with the graph topology can highlight central objects and reveal outliers. The ability of a visualization to help detecting these features becomes more difficult for groups that overlap or change over time. In many applications, groups cannot be interpreted as disjoint sets of objects. In fact, objects are often involved in several groups, sometimes even to different extent. With the existing types of overlapping groups, further analysis tasks arise that need to be considered for the visualization. In addition, real-world scenarios are not static but change over time and so do relations among objects. With the graph topology changing over time, the group structure changes as well. The challenge for visualizations of dynamic groups in dynamic graphs is to facilitate the analysis of group-related features not only for individual points in time but over time, showing group evolution events. This thesis presents visualization techniques for group structures in graphs that address these challenges: overlap and time dependency. As a basis, a survey of the state of the art in visualizing group structures in graphs is presented. The first part of this thesis is dedicated to the visualization of overlapping groups in static graphs, where different types of overlaps are considered. With each technique, the complexity of the groups increases. First, a visual analytics system for crisp overlapping groups in multivariate graphs is presented. This system integrates interactive filtering of large and dense networks with groupbased layouts of the resulting subnetworks and a technique to compare those subnetworks. Second, a technique that visualizes fuzzy overlapping groups in a graph based on layout strategies and further visual mappings is presented. This technique facilitates the investigation of fuzzy group memberships at different levels of detail based on a hierarchical aggregation model. In contrast to these techniques, the third visualization technique shows groups based on multivariate edge attributes rather than vertex attributes or the topology of the graph. In particular, edge-edge relations are visualized as curves that are directly integrated into the node-link diagram representing the object-relation structure. The second part is dedicated to visualization techniques for dynamic groups in dynamic graphs. Again, the complexity of the group structure rises from the first technique addressing flat groups to the second technique addressing more complex hierarchical groups. Within both techniques, the evolution of groups is encoded using a flow metaphor. The first technique visualizes the partially aggregated graphs by node-link diagrams, whereas the second technique is based on an extended adjacency matrix representation that encodes the hierarchical structure of vertices as well as changes in the graph topology. All presented techniques visualize the group structure integrated with the graph topology in a single image. Finally, the use of all techniques is demonstrated for real data sets from biology, one of the main application domains of group structures in graphs.Item Open Access Topology and morphology of bounded vector fields(2015) Machado, Gustavo Mello; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Vector fields are a fundamental concept in science, and as they can represent properties from electromagnetic fields to the dynamics of fluid flow, their visualization assists the study and comprehension of many physical phenomena. Aiming to extract the global structure of streamlines with respect to regions of qualitatively different behavior, the concept of vector field topology basically consists of locating singularities, i.e., critical points and periodic orbits, and computing the sets of streamlines that converge to them in positive or negative direction, called separatrices. On the one hand, this approach has proven its valuable contributions to scientific visualization, on the other hand, its limitations with respect to bounded domains have not yet been sufficiently researched, and only comparably few approaches exist for such configurations. This thesis contributes to vector field visualization, in particular to vector field topology on bounded domains, with new techniques that range from feature extraction, integration-based approaches, and topology-based approaches. More specifically, the contributions of this thesis are the following. A local extraction technique for bifurcation lines is proposed, together with the extraction of their manifolds. Bifurcation lines represent a topological feature that has not yet been sufficiently recognized in scientific visualization. The bifurcation lines are extracted by a modification of the vortex core line extraction techniques due to Sujudi and Haimes, and Roth and Peikert, both formulated using the parallel vectors operator. While the former formulation provides acceptable results only in configurations with high hyperbolicity and low curvature of the bifurcation lines, the latter operates only well in configurations with low hyperbolicity but is able to perform well with strong curvature of the bifurcation lines, however, with the drawback that it often fails to provide a solution. The refinement of the solutions of the parallel vectors operator is presented as a means to improve both criteria and, in particular, to refine the solutions of the Sujudi and Haimes criterion in cases where the Roth and Peikert criterion fails. This technique is exemplified on synthetic data, data from computational fluid dynamics, and on magnetohydrodynamics data. As a particularly interesting application, it is demonstrated that this technique is able to extract saddle-type periodic orbits locally, and in case of high hyperbolicity at higher accuracy than traditional techniques based on integral curves. Solar dynamics data, particularly those from the Solar Dynamics Observatory, are now available in a sheer volume that is hard to investigate with traditional visualization tools, which mainly display 2D images. While the challenge of data access and browsing has been solved by web-based interfaces and efforts like the Helioviewer project, the approaches so far only provide 2D visualizations. The visualization of such data in the full 3D context is presented, providing appropriate coordinate systems and projection techniques, including time. Methods from volume rendering and flow visualization are applied to 3D solar magnetic fields, which are derived from the sensor data in an interactive process. They are applied and extended to the space-time visualization of photospheric data, and a view-dependent visualization of coronal holes is presented. This work concentrates on two solar phenomena: the structure and dynamics of coronal loops, and the temporal evolution of the plasma convection in close vicinity of sunspots over time. This approach avoids the time coherence issue inherent in traditional magnetic field line placement, providing insight in the magnetic field and the structure of the coronal plasma. The presented techniques are also applicable in many other fields, such as terrestrial magnetospheric physics, or magnetohydrodynamics simulations. Inspired by the view-dependent visualization of coronal holes, this thesis also presents a technique to visualize the streamline-based mapping between the boundary of a simply-connected subregion of arbitrary 3D vector fields. While the streamlines are seeded on one part of the boundary, the remaining part serves as escape border. Hence, the seeding part of the boundary represents a map of streamline behavior, indicating if streamlines reach the escape border or not. Since the resulting maps typically exhibit a very fine and complex structure and are thus not amenable to direct sampling, this approach instead aims at topologically consistent extraction of their boundary. It is shown that isocline surfaces of the projected vector field provide a robust basis for streamsurface-based extraction of these boundaries. The utility of this technique is demonstrated in the context of transport processes using vector field data from different domains like Magma flow, coronal magnetic fields for the extraction of coronal holes, and computational fluid dynamics. Streamsurfaces are of fundamental importance to the visualization of flows. Among other features, they offer strong capabilities in revealing flow behavior (e.g., in the vicinity of vortices), and are an essential tool for the computation of 2D separatrices in vector field topology. Computing streamsurfaces is, however, typically expensive due to the difficult triangulation involved, in particular when triangle sizes are kept in the order of the size of a pixel. Different image-based approaches are here investigated for rendering streamsurfaces without triangulation, and a new technique that renders them by dense streamlines is proposed. Although this technique does not perform triangulation, it does not depend on user parametrization to avoid noticeable gaps. A GPU-based implementation shows that this technique provides interactive frame rates and low memory usage in practical applications. It is also shown that previous texture-based flow visualization approaches can be integrated with this method, for example, for the visualization of flow direction with line integral convolution.Item Open Access Distributed computing and transparency rendering for large displays(2015) Kauker, Daniel; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Today’s computational problems are getting bigger and the performance required to solve them increases steadily. Furthermore, the results are getting more detailed, so that methods for rendering, visualization, and interaction methods need to adapt. While the computational power of a single chip also increases steadily, the most performance is gained by parallelization of the algorithms. Although Graphics Processing Units are built and specialized for the task of graphics rendering, their programmability makes them also suitable for general purpose computations. Thus, a typical workstation computer offers at least two processing units, the Central Processing Unit and the Graphics Processing Unit. Using multiple processing units for a task is commonly referred to as "distributed computing". One of the biggest challenges when using such heterogeneous and distributed systems is the variety of software and ways to use them for an optimal result. The first section of the thesis focuses on an abstraction layer to simplify software development on heterogeneous computing systems. The presented framework aims to encapsulate the vendor-specific details and the hardware architecture, giving the programmer a task-oriented interface which is easy to use, to extend, and to maintain. Having the results computed in a distributed environment, the interactive visualization becomes another challenge, especially when semi-transparent parts are involved, as the rendering order has to be taken into account. Additionally, the distributed rendering nodes do not know the details about their surroundings like the existence or complexity of objects in front. Typically, the large scale computations are distributed in object space so that one node works exclusively on one part of the scene. As it is too costly to collect all computation results on a single node for rendering, those nodes also have to do the rendering work to achieve interactive framerates. The resulting parts of the visualization are then sent to specialized display nodes. These display nodes are responsible for compositing the final image, e.g. combining data from multiple sources, and show them on display devices. In this context, rendering transparency effects with objects that might intersect each other within a distributed environment is challenging. This thesis will present an approach for rendering object-space decomposed scenes with semi-transparent parts using "Per-Pixel Linked Lists". Presenting these visualizations on large display walls or on a remote (mobile) device raises the final challenge discussed in this thesis. As the scenes can be either complex or very detailed and thus large in terms of memory, a single system is not always capable of handling all data for a scene. Typically, display walls that can handle such amounts of data consist of multiple displays or projectors, driven by a number of display nodes, and often have a separate node where an operator controls which part of the scene is displayed. I will describe interaction methods where the user can directly control the visualization on a large display wall using mobile devices without an operator. The last part of the thesis presents interaction concepts using mobile devices for large displays, allowing the users to control the visualization with a smartphone or tablet. Depending on the data and visualization method, the mobile device can either visualize the data directly or in a reduced form, or uses streaming mechanisms so that the user has the same visual impression as a user in front of the display wall. With the mobile application, the user can directly influence any parameter of the visualization and can thus actively steer an interactive presentation. In this thesis, I will present approaches for employing heterogeneous computing environments, from a single PC to networked clusters, how to use order-independent transparency rendering for local and distributed visualization, as well as interaction methods for large display walls and remote visualization devices. The approaches for heterogeneous computing environments make the development easier, especially in terms of support of different hardware platforms. The presented distributed rendering approach enables accurate transparency renderings with far less memory transfer than existing algorithms. For the interaction methods, the usage of ubiquitous mobile devices brings the described approaches to all types of display devices without the need for special hardware. Additionally, a concept for an integrated system containing the contributions of the thesis is proposed. It uses the abstraction layer as a middle ware for the computation and visualization operations in the distributed rendering environments. The user controls the application using the methods for mobile device interactions.Item Open Access Strategie zur Verminderung von Emissionen aus Flanschverbindungen(2015) Schaaf, Manfred; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Stetig steigende Anforderungen an die Dichtheit von Flanschverbindungen bzw. an die Begrenzung von flüchtigen Emissionen stellen immer neue Herausforderungen an Betreiber aller Industrieanlagen, insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie. Nationale oder europäische Regelwerke bieten hinsichtlich der Umsetzung dieser Umweltschutzziele nur unzureichend genaue Angaben, so dass die Betreiber immer zu individuellen Lösungen für ihren Standort tendieren. Ziel der vorliegenden Arbeit soll es daher sein, die Grundlage zur Ergänzung der betreffenden Normen und Richtlinien zu erarbeiten, damit zukünftig ein umfassendes, einheitliches und akzeptiertes Verfahren zur Begrenzung von Emissionen aus Flanschverbindungen zur Verfügung steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diverse Weiterentwicklungen der Prüfeinrichtungen zur Ermittlung von Dichtungskennwerten realisiert, die die Genauigkeit der ermittelten Kennwerte erhöhen und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse steigern. Durch neu entwickelte Auswertealgorithmen mit Hilfe von gebrochen rationalen Funktionen können die Dichtungseigenschaften über wenige Parameter in Abhängigkeit von den Prüfparametern charakterisiert werden. Eine solche Beschreibung der Kennwerte bringt bei der Anwendung in der Berechnung von Flanschverbindungen letztendlich deutliche Vorteile, da im Prinzip für jeden beliebigen Zustand die zugehörigen Dichtungskennwerte aus diesen Näherungsfunktionen ermittelt werden können. Dies ist nicht nur für analytische Berechnungsverfahren wie EN 1591-1, sondern auch für Finite Elemente Berechnungen von großer Bedeutung, da somit die elastoplastischen Verformungseigenschaften realitätsnah abgebildet werden können. Bei der Durchführung der Kriech-/Relaxationsversuche können die größten Vereinfachungen umgesetzt werden. Aus einhüllenden Verformungskurven bei Raumtemperatur und bei Betriebstemperatur und der nominellen Dichtungshöhe kann das Setzen der Dichtung für jede Steifigkeit der Flanschverbindung berechnet werden. Die experimentell gewonnenen Erkenntnisse bei der Kennwertermittlung wurden in der vorliegenden Arbeit in den Berechnungsalgorithmus der EN 1591-1 integriert. Dies betrifft die Berücksichtigung der Verformung der Dichtung zur realistischen Abschätzung der Dichtungshöhe im Montagezustand genauso wie die modifizierte Definition des Kriech-/Relaxationsverhaltens der Dichtungen oder die Betrachtung der Abtragbarkeit von Querlasten über Reibung zwischen Dichtung und Flanschdichtflächen. Zentraler Punkt bei den rechnerischen Nachweisen ist aber die Bestimmung der Flanschblattneigung und der daraus resultierenden effektiv verpressten Dichtungsbreite. Hierbei wird nun erstmalig das reale Verformungsverhalten der Dichtung und die daraus resultierende Flächenpressungsverteilung über die Breite der Dichtung bei der Bestimmung einer effektiv verpressten Dichtungsgeometrie berücksichtigt. Der Begriff der effektiven Breite muss hierbei neu definiert werden. Es handelt sich nicht um den Teil der Dichtung, der mit den Dichtflächen in Kontakt steht, sondern durch die reduzierte effektive Breite wird vielmehr das Verformungsverhalten der Flansche bei der Annahme einer konstanten Flächenpressung realitätsnah wiedergegeben. Im Rahmen des Dichtheitsnachweises von Flanschverbindungen wird nicht nur gezeigt, dass die Mindestdichtungsflächenpressung in allen Betriebszuständen für die angestrebte Dichtheitsklasse nicht unterschritten wird, sondern dass ebenso ein genügend großer Sicherheitsabstand gegen das Ausblasen der Dichtung eingehalten wird. Im Rahmen der Verifikation der neuen analytischen Berechnungsalgorithmen zur Bestimmung der Flanschblattneigung, der effektiv verpressten Dichtungsbreite und der Flächenpressungsverteilung über die Dichtungsbreite wurde eine gute Übereinstimmung zu Finite Elemente Berechnungen nachgewiesen. Allerdings ist hierfür eine Modifikation des effektiven Lochkreisdurchmessers erforderlich, von dem aus der Hebelarm der wirkenden Dichtungskraft ermittelt wird. Die Ergebnisse bestätigen letztendlich auch die neue Begriffsdefinition der effektiven Breite der Dichtung, um das Verformungsverhalten der Flansche bei der Annahme einer konstanten Flächenpressung realitätsnah wiederzugeben. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mit der entwickelten mathematischen Darstellung der Dichtungscharakteristika und deren Integration in einen neuen analytischen Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung der auftretenden Verformungen das Auslegungsverfahren für Flanschverbindungen im Krafthauptschluss mit dem Ziel der Emissionsminderung wesentlich verbessert und auch vereinfacht werden kann.Item Open Access Numerische und experimentelle Untersuchungen von Keramik-Metall-Compoundrohren für die Hochtemperaturanwendung in Kraftwerksrohrleitungen(2015) Huang, Min; Maile, Karl (Prof. Dr.-Ing. habil.)In modernen Kraftwerken ist die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades ein wichtiges Ziel, das vor allem durch eine Erhöhung der Dampfparameter - Druck und Temperatur - erreicht werden kann. Druckgeräte, wie z.B. Rohrleitungen, die im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden, unterliegen einer Kriechbeanspruchung und werden nach der Zeitstandfestigkeit ausgelegt. Aufgrund des signifikanten materialspezifischen Kriechphänomens ist die Erhöhung der Dampfparameter eingeschränkt. Höhere Prozesstemperaturen und -innendruck sind nur möglich, wenn es gelingt, neue Werkstoffe oder Werkstoffverbunde mit verbesserten Kriecheigenschaften zu entwickeln. Keramische Fasern sowie die mit keramischer Matrix gefertigten Verbundwerkstoffe weisen eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit auf, allerdings sind die Verformungseigenschaften im Vergleich mit warmfesten Stählen relativ ungünstig. Für technische Anwendungen im Hochtemperaturbereich wurde daher ein neuartiges Konzept für drucktragende Rohre, bestehend aus einem Werkstoffverbund aus einem innenliegenden Stahlrohr - Liner, und einer äußeren Ummantelung aus keramischem Faserverbundwerkstoff - Jacket, untersucht. Die Kombination beider Materialien in einer optimierten Hybridstruktur ermöglicht die teilweise oder sogar vollständige Verlagerung der Beanspruchung vom metallischen Liner auf das keramische Verbundwerkstoff-Jacket. Das damit verhinderte Kriechen des Liners ermöglicht entweder eine erhebliche Lebensdauerverlängerung dieser Rohrleitungen oder eine zusätzliche Temperatur- bzw. Druckerhöhung. Dieses innovative Materialkonzept kann nicht nur für neue Komponenten mit höheren Betriebsparametern, sondern auch bei bereits vorhandenen Rohrleitungen für die Verlängerung der Lebensdauer angewendet werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Machbarkeit der Metall-Keramik-Compoundrohren nachzuweisen, das Konzept weiter zu entwickeln und die Anwendbarkeit bei einer Rohrleitung im Kraftwerk zu prüfen. Basis der Konzeptentwicklung ist die numerische Simulation und deren experimentelle Verifikation durch Modellversuche mit Kleinproben. Die durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen an Laborprüfkörpern haben die Wirksamkeit des Konzeptes - nämlich die Unterdrückung der Kriechdehnung im metallischen Partner - nachgewiesen. Des Weiteren wurden geeignete Messmethoden entwickelt, die zu der Charakterisierung des Verformung- und Versagensverhaltens in dem multifunktionalen System beitragen. Die durchgeführten Simulationen der Rohrleitungen mit Berücksichtigung der realen Dimensionen, inklusive der geraden Rohrleitungen und 90°-Rohrbogen, haben ebenfalls die Unterdrückung des Zeitstandverhaltens im Stahlrohr durch die Aufbringung einer keramischen Ummantelung gezeigt. Ein Feldversuch an einer Kraftwerksrohrleitung wurde durchgeführt, um die technische Machbarkeit zu demonstrieren, gerade Rohre mit großen Abmessungen zu ummanteln. Aussagen über die Lebensdauerverlängerung können aus dem Feldversuch noch nicht gezogen werden.Item Open Access Bewertung von geschweißten Kranbahnen unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung durch Radlasten(2015) Rettenmeier, Philipp; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Bewertungsmethodik für Kranbahnen aus Stählen, die von Laufrädern der Krane zyklisch überrollt werden. Im Rahmen der Methodik erfolgt die Unterteilung der Gesamtlebensdauer in Anriss- und Risswachstumslebensdauer. Die Anrisslebensdauer wird mithilfe von lokalen Konzepten in Kombination mit der Methode der kritischen Schnittebene bewertet. Anschließend wird die Risswachstumslebensdauer durch numerische Verfahren der Bruchmechanik untersucht. Die Anwendung der Methodik erfolgt an Kranbahnen mit praxisrelevanten Abmessungen, die durch die zyklische Überrollung von Kranlaufrädern einer mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung unterliegen. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Kranbahnen, die aus Walzträgern mit aufgeschweißten Schienen vorlagen, wurden Überrollversuche mit bewegter Radlast unter konstanter Belastung durchgeführt. Als Versagenskriterien wurden sowohl der „erste Durchriss“ der Schweißnähte als auch das vollständige „Ablösen der Schiene“ im Überrollbereich definiert. Die Schwingspielzahlen der Versagenskriterien wurden über Druckluftmessungen und zerstörungsfreie Prüfmethoden festgestellt. Aus den Bauteilen der Prüfträger wurden Laborproben für die statische und zyklische Werkstoffcharakterisierung entnommen. Das zyklische Werkstoffverhalten wurde mittels dehnungskontrollierter Ermüdungsversuche mit Proben aus dem Schweißgut und der Schiene ermittelt. Zudem wurden Risswachstumsraten anhand von Versuchen mit C(T)-Proben aus dem Schweißgut ermittelt. In fraktografischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass die in den Schweißnähten detektierten Risse auf die Ermüdungsbeanspruchung zurückzuführen waren. In numerischen Untersuchungen wurde das Eigenspannungsfeld der untersuchten Prüfträger im Bereich der Schweißnähte berechnet und mit Ergebnissen von Messungen unter Verwendung der Bohrlochmethode überprüft. Die Ermittlung der linear-elastischen Bauteilbeanspruchung wurde mit dem Kerbspannungskonzept und dem Kerbradius von 1 mm durchgeführt. Um die elastisch-plastische Kerbgrundbeanspruchung zu berechnen, wurde der Kerbradius zu 0,05 mm modelliert, der an gemessene, lokale Nahtgeometrien angepasst wurde. Hierzu wurde im FE-Programm Abaqus ein Werkstoffmodell mit kinematischer Verfestigung an Ergebnisse der Ermüdungsversuche mit Laborproben angepasst. Zur Bewertung der Bauteilbeanspruchung wurden Schädigungsparameter mit Berücksichtigung von Beanspruchungsgradienten aus lokalen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen ermittelt. Die Berechnung der Anrissphase der Prüfträger bis zur Anrisstiefe von 1 mm erfolgte durch Vergleich mit einachsigen Schädigungsparameter-Mittelwertskurven, die aus den dehnungskontrollierten Ermüdungsversuchen abgeleitet wurden. Die Risswachstumsphase von der Anrisstiefe bis zum ersten Nahtdurchriss wurde durch Anwendung von bruchmechanischen Methoden bewertet. Mit der dargestellten Methodik wurde die Ermüdungsbewertung der untersuchten Prüfträger für das Versagenskriterium „erster Durchriss“ durchgeführt. Die zuvor berechneten Schwingspielzahlen der Anriss- und Risswachstumsphase wurden addiert und durch Gegenüberstellung mit Versuchsergebnissen überprüft. Es wurde festgestellt, dass die berechneten Ergebnisse im Streubereich der Schwingspielzahlen der Überrollversuche lagen.Item Open Access Werkstoffuntersuchungen an Mischschweißverbindungen für den Einsatz in Turbinenwellen des 700 °C-Kraftwerks(2015) Krojer, Stefan; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Übergeordnete Ziele für fossil befeuerte Kraftwerke der neuesten Generation liegen in der Steigerung des thermischen Wirkungsgrades sowie in der Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen. Der Ansatz, dies unter anderem über eine Erhöhung der Dampfparameter Druck und Temperatur zu erreichen, erfordert eine gezielte, an die Betriebsbedingungen angepasste Werkstoffauswahl. Die zumindest mittelfristig angestrebten Dampfparameter von 350 bar und 720 °C überschreiten die Einsatzgrenze bisher verwendeter konventioneller Kraftwerksstähle teilweise deutlich. Daher stehen Nickelbasislegierungen als Werkstoffe für Kraftwerke der neuesten Generation im Fokus zahlreicher Forschungsarbeiten. Aufgrund technischer und wirtschaftlicher Überlegungen soll der Einsatz dieser Superlegierungen auf die mechanisch und thermisch höchstbeanspruchten Bereiche beschränkt werden. Dies betrifft auch die Turbinenwelle, die wegen ihrer großen Abmessung nicht vollständig aus Nickelbasis-Werkstoffen hergestellt werden soll. Ein vielversprechender Ansatz ist deshalb der Einsatz geschweißter Rotoren aus konventionellen martensitischen Turbinenwerkstoffen und Nickelbasislegierungen. Aus der Kombination zweier Werkstoffe mit stark unterschiedlichen mechanischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften ergibt sich die Notwendigkeit einer umfangreichen Grundcharakterisierung solcher Mischschweißverbindungen. Auch die temperaturinduzierte Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe in nahtnahen Bereichen wirkt sich auf das Schweißnahtverhalten bei hohen Temperaturen aus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die Grundcharakterisierung von vier nicht artgleichen Schweißverbindungen. Die Grundwerkstoffe sind jeweils ein 10 % Chromstahl und eine Nickelbasislegierung, als Schweißzusatzwerkstoff wird ein Nickelbasis-Schweißgut verwendet. Zum Vergleich werden die Ergebnisse früherer Untersuchungen an einer Referenzschweißverbindung herangezogen, deren Schweißnahtaufbau den vier untersuchten Verbindungen sehr ähnlich ist. Zugversuche bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglichen erste Rückschlüsse auf versagensrelevante Bereiche. Bei Temperaturen, die der vorgesehenen Einsatz-temperatur der Schweißnaht am nächsten sind, ist das Versagen häufig im 10 % Chromstahl oder im Übergangsbereich von Schweißgut zum 10 % Chromstahl zu beobachten. Unter Zeitstandbeanspruchung versagt ein Teil der untersuchten Schweißverbindungen auf der Seite des 10 % Chromstahls. Der dabei auftretende spannungs- und temperaturabhängige Bruchlagenwechsel vom Grundwerkstoff in die Wärmeeinflusszone ist auch für artgleiche Schweißverbindungsproben zu beobachten. Ein anderer Teil der untersuchten Verbindungen hingegen versagt durch einen verformungsarmen Zeitstandbruch in der Fusionslinie zwischen Schweißgut und 10 % Chromstahl. Dies korreliert mit Schadensbeschreibungen von sogenannten Schwarz-Weiß-Verbindungen, die nach langen Betriebszeiten durch einen verformungslosen Bruch in der Fusionslinie versagen. Zur weiteren Untersuchung der Versagensmechanismen beim Fusionslinienbruch werden mehrere Proben einer vom Fusionslinienbruch betroffenen Verbindung ausgiebig analysiert. Eine Verbindung wird auch unter zyklischer Beanspruchung geprüft und die Ergebnisse denen der Referenzschweißverbindung gegenübergestellt. Im Low Cycle Fatigue Bereich beeinflusst neben der Temperatur auch die Dehnungsamplitude die Anrissposition. Die Bruchlage unter hochzyklischer Beanspruchung hängt überwiegend von der Prüftemperatur ab. In der numerischen Simulation der Zeitstandversuche werden nach einer Materialparameterbestimmung neben der Modellierung der Wärmeeinflusszone auch die Eigenschaften des Schweißguts variiert und der Einfluss auf die Simulationsergebnisse dargestellt. Über die Korrelation zwischen Kriechschädigung und dem Spannungszustand wird die Entstehung des Bruchs auf Basis der Erkenntnisse aus den numerischen Simulationen beschrieben und mit den Bruchbildern aus den Experimenten verglichen. Zur numerischen Simulation des Low Cycle Fatigue Verhaltens wird ein Werkstoffmodell eingesetzt, das sowohl kinematische als auch isotrope Ver- und Entfestigungsvorgänge einzelner Werkstoffzonen der Schweißnahtprobe berücksichtigt. Für hohe Dehnungsamplituden können neben den Minimal- und Maximalspannungsverläufen über der Lastzyklenzahl auch die Spannungs-Dehnungs-Hysteresen gut abgebildet werden. Eine Auswertung der akkumulierten plastischen Dehnung erlaubt einen Rückschluss auf den zu erwartenden Versagensort. Die vorliegende Arbeit erweitert und vertieft die Versuchsdatenbasis zu artfremden Schweißverbindungen. Umfangreiche Untersuchungen ermöglichen eine genauere Beschreibung der Schädigungsmechanismen beim Fusionslinienbruch. Der Einsatz geeigneter Materialmodelle ermöglicht eine Korrelation von Versuchsergebnissen und numerischer Berechnung.Item Open Access Numerische Methoden mittels eigentlicher Bewegung in der Geometrischen Algebra(2015) Seybold, Florian; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr. h.c.)In der Modellierung und Simulation von Maschinen, zum Beispiel für eine numerische Steuerung von Industrierobotern, ist ein wichtiger Aspekt die Parametrisierung von eigentlicher Bewegung, sowie deren effiziente Verknüpfung auf heutigen Prozessorarchitekturen. Ein vielversprechendes Werkzeug zur Parametrisierung von Bewegung scheint die Geometrische Algebra zu sein. Übliche Definitionen der Geometrischen Algebra basieren auf einem Axiomensystem für das Geometrische Produkt. Ohne Weiteres ist eine Herleitung von diesem Axiomensystem zu einer expliziten Definition des Produktes als Summe von Koordinatenmultiplikationen nur teilweise möglich. Übliche Implementierungen des Geometrischen Produktes basieren auf solchen teilweise expliziten Definitionen; sie beachten die Struktur des Geometrischen Produktes nicht vollständig. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Geometrische Algebra anhand einer neuartigen Konstruktion eingeführt, die das Geometrische Produkt vollständig explizit definiert. Es werden die Eigenschaften der Geometrischen Algebra diskutiert, mit dem Ziel, Bewegung in der Geometrischen Algebra parametrisieren und verknüpfen zu können. Im zweiten Teil wird aus der neuartigen Konstruktion der Geometrischen Algebra eine Vektorisierungsstragie entwickelt, die bei Verwendung bestimmter Koordinatenpermutationen auf heutigen SIMD-Prozessorarchitekturen implementiert werden kann. Ferner wird eine effiziente Möglichkeit der Vorzeichenauswertung von Basisvektorprodukten beschrieben. Der dritte Teil behandelt als Anwendungsbeispiel das Lösen der inversen Kinematik bei Industrierobotern. Es werden Vorteile bezüglich des Laufzeitverhaltens auf modernen SIMD-Prozessorarchitekturen bei der Verwendung der hier beschriebenen Vektorisierungsstrategie des Geometrischen Produktes gegenüber der Matrizenalgebra gezeigt.