A092

Erarbeitung von Methoden zur Lebensdauervorhersage und –ermittlung für mehrachsig beanspruchte Bauteile unter hohen Temperaturen

(A092 S 24/21/1994)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 1995 – 31. Mai 1997

Die gegenwärtig empfohlenen und in technischen Regelwerken niedergelegten Ansätze zur Erschöpfungsanalyse von thermisch beanspruchten Bauteilen unter hohen Temperaturen, die zusätzlich thermischen Wechselbeanspruchungen unterworfen sind, basieren i.d.R. auf vereinfachten Methoden. Fortgeschrittene Methoden enthalten Korrekturfaktoren zur Beschreibung der "Unsicherheit" aus Erfahrungen (Schäden) an Original-Anlagen oder beziehen sich auf Untersuchungen in Forschungslabors bei weitgehend exakter Kenntnis aller Werkstoff- und Beanspruchungsbedingungen für die Versuche. Sie berücksichtigen die tatsächlichen im Bauteil vorliegenden Spannungs- und Verformungszustände und nehmen bezug auf die damit im Zusammenhang stehenden Schädigungsmechanismen. Im ersten Fall sind meist nicht alle Randbedingungen zur Beschreibung der physikalischen Zusammenhänge bekannt.

Die Vielzahl der genannten Methoden ist darauf zurückzuführen, daß der Großteil nur zur näherungsweisen Beschreibung der Wirkung bestimmter Schadensmechanismen geeignet ist. Da aber praktisch in jedem Werkstoff je nach Beanspruchungsbereich unterschiedliche Schadensmechanismen beobachtet werden, sind zur Beschreibung ihrer Wirkung unterschiedliche Methoden erforderlich. Die Abgrenzung der verschiedenen Beanspruchungsbereiche ist daher für die erfolgreiche Anwendung von Methoden der Lebensdauerprognose nötig. Das Resultat einer sinnvollen Anwendung von Methoden zur Lebensdauervorhersage wird beim gegenwärtigen Kenntnisstand vor allem darin liegen, den experimentellen Umfang zur Bestimmung der benötigten Daten zu verringern.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die in den derzeitigen Regelwerken angegebenen Methoden zur Ermittlung des Schädigungs- und Erschöpfungszustandes von Bauteilen den Mangel aufweisen, daß das komplexe Zusammenwirken aus Beanspruchung, Konstruktion und Werkstoffeigenschaften bei der Bewertung der Restlebensdauer sowie fortgeschrittene Methoden der Zustandsermittlung zu wenig bzw. gar nicht berücksichtigt werden.

In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Forschungsarbeiten zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens unter besonderer Berücksichtigung der Beanspruchung und der Temperatur durchgeführt. Kennzeichnend für diese Vorhaben war und ist, daß im wesenzlichen Einzelfragen angesprochen wurden. Damit wurden wesentliche Grundlagen für eine übergeordnete Zielsetzung geschaffen.

Die Problemstellung des vorliegenden Vorhabens ergibt sich aus der Zusammenführung der Einzelergebnisse im Sinne einer Anwendung der Ergebnisse und Erkenntnisse auf offene bzw. nicht ausreichend abgesicherte Bereiche der Bauteilauslegung und der Erstellung eines Gesamtkonzeptes für die Zustandsermittlung.

Vor allem handelt es sich um

die Berechnung und Ermittlung realistischer Spannungen und Dehnungen bzw. deren Schwingbreiten und damit im Zusammenhang die Bewertung primärer und sekundärer Spannungen sowie

die Erstellung eines Konzeptes zur Beschreibung der Lebensdauer in Bauteilen, in das die oben vertieften  Ansätze implementiert sind und das so zu einer verbesserten Berechnung der Erschöpfung infolge Kriechen und Ermüden beiträgt.

Ziel des Vorhabens war demnach die Bewertung und Analyse vorliegender Forschungsergebnisse zum Werkstoff- und Bauteilverhalten im Bereich erhöhter Temperaturen unter statischer, zyklischer und kombinierter statischzyklischer Beanspruchung. Hierzu wurden folgende Einzelaspekte der Bauteilauslegung im Hinblick auf den Einfluß durch spezifische Werkstoffgrößen vertiefend betrachtet:

Mehrachsigkeit der Beanspruchung
Temperatur
Haltezeit
Umgebung und
äquivalente Temperatur bei An- und Abfahrten

Im Hinblick auf die Analyse der Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Erschöpfung und Bauteilversagen wurden Untersuchungen

zum Einfluß der Eingangsgrößen (Streubänder)
der Zyklusform und
zur Schadensakkumulation unter Berücksichtigung wirklichkeitsnaher Werkstoffgrößen (Zeitstandbruchkurven, Anrißkennlinien)

durchgeführt.

In einem besonderen Kapitel wurden vorhandene, über den Stand der Regelwerke hinausgehende fortgeschrittene Methoden zur Auslegung und Lebensdauerüberwachung von Hochtemperatur-Bauteilen betrachtet und einander gegenübergestellt.

Auf Basis der in den einzelnen Kapiteln getroffenen Schlußfolgerungen wurde das Prinzip einer "verbesserten" Methodik zur Bauteilanalyse unter Beachtung der Vorgaben der industriellen Praxis vorgeschlagen. Das Potential dieser Methode wurde anhand von zwei Fallbeispielen (Gasturbinenschaufel, Welle) belegt.

Forschungsstelle 1:
Institut für Energietechnik der TU Dresden , Professur für Kraftwerkstechnik (KWT)
http://www.tu-dresden.de
 
Forschungsleiter 1:
-
 
Forschungsstelle 2:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 2:
_
(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. - VDMA für FVV)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF