A122

Umsetzung vorhandener Methoden zur Lebensdauerermittlung und –Vorhersage für mehrachsig beanspruchte Bauteile unter hohen Temperaturen in ein wissensbasiertes System

(A122 S 24/04/97)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Oktober 1997 – 30. September 2000

Bei Bauteilen, die einer komplexen instationären Beanspruchung aus Primär  und Sekundärlasten im Bereich erhöhter und hoher Temperaturen unterliegen, sind bei der Auslegung sowie bei der Zustandsanalyse im Sinne einer Lebensdauerüberwachung eine Vielzahl von Parametern und Randbedingungen zu beachten. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, die wertvolle Erkenntnisse geliefert haben. Die Arbeiten konzentrierten sich auf Einzelfragestellungen bei der Ermittlung des Werkstoffverhaltens unter Dehnwechsel  bzw. Zeitstandbeanspruchung sowie der Herstellung analytischer Beziehungen zu

Einfluß von Temperatur, Haltezeit, Zyklusform, Gefüge, Umgebung usw. auf das Anrißver

halten einschließlich der Erstellung von Langzeitdehnwechselkurven;

Ermittlung und Beschreibung des Rißwachstums einschließlich dessen numerischer Beschreibung an geometrischen bzw. fehlstellenbedingten Spannungskonzentrationsstellen;

Beschreibung des Einflusses der Mehrachsigkeit der Beanspruchung auf Werkstoffverhalten;

Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter mehrstufiger bzw. variabler Zeitstandbeanspruchung;

Ermittlung von Übertragungsfunktionen anhand von experimentellen Untersuchungen an bauteilähnlichen Proben.

Die Zusammenführung der vorliegenden Einzelergebnisse in eine geschlossene Darstellung würde die Anwendung in der Praxis positiv beeinflussen, d.h. den Transfer wissenschaftlicher Ergebnisse in die Praxis unterstützen. Dabei ergibt sich die Problemstellung aus der Vielfältigkeit der Resultate, ihrer unterschiedlichen Diversifizierung und Darstellung und ihrer Verknüpfung mit Aspekten der Grundlagenforschung. Im Vorgängervorhaben "Hochtemperatur Bauteillebensdauer" (AVIF A92/2) wurden erstmalig aus diesem vielfältigen Einzelwissen fortgeschrittene Methoden zur Lebensdauerermittlung und  vorhersage für mehrachsig beanspruchte Bauteile unter hohen Temperaturen abgeleitet.
Dabei wurde deutlich, daß der Erfolg der Auswertung in erster Linie vom Aufwand abhängig ist, der getrieben wird, vorliegende Ergebnisberichte mit Hintergrundwissen richtig zu interpretieren bzw. die vorliegenden Daten umzusetzen. Als besonders zeitraubend erwies sich dabei die Tatsache, daß alle Daten und Ergebnisse nur in Text , Tabellen  bzw. Bildform vorlagen und manuell auf einen elektronischen Datenträger übertragen werden mußten, um sie entsprechenden vergleichenden Auswertungen zugänglich zu machen.
Die Gewährleistung des Transfers von Forschungsergebnissen in die anwendende Industrie beruht in der (Multimedia ) Zukunft im wesentlichen auf den gegebenen Möglichkeiten des elektronischen Daten  und Informationsaustausches. Für den Bereich der Hochtemperaturbauteile ist darüber hinaus zu berücksichtigen, daß im Hinblick auf die wirtschaftliche Situation Forschungsergebnisse auf kürzerem Wege als bisher dazu beitragen müssen, Wirkungsgradsteigerungen bzw. wirtschaftlichere Ausnutzung von Komponenten zu erzielen. Hierzu ist jedoch ein Informationsmedium erforderlich, das einen schnellen und direkten Datenaustausch bzw. die Anwendung erstellter Berechnungsverfahren ermöglicht: Hier bieten sich wissensbasierte EDV Systeme an.

Solche Systeme bieten die Möglichkeit, sowohl die Rechenprozeduren, wie auch die hierzu benötigten Daten (Werkstoffkennwerte, Parameter) in eine Form umzusetzen, die sowohl die abschließende detaillierte Überprüfung der fortgeschrittenen Methoden, wie auch die zielgerichtete Anwendung in der industriellen Praxis ermöglicht. Die Voraussetzung hierfür liegt natürlich in der entsprechenden Strukturierung der Software. Darüber hinaus ist zu gewährleisten, daß die essentiellen Inhalte der Forschungsarbeiten richtig erkannt werden und sich in der Struktur des EDV Systems widerspiegeln.
Parallel hierzu ist es weiterhin nötig, in einem Handbuch zur Anwendung der fortgeschrittenen Methoden das vorhandene Wissen zu sammeln, tabellarische Rechenschemata zu erstellen und Erklärungen bezüglich der Anwendung in der Praxis zu geben. Zusammen mit dem wissensbasierten System stünde dann ein Werkzeug zur Verfügung, das sowohl die weitere wissenschaftliche Auseinandersetzung auf einer erweiterten Datenbasis wie auch den Transfer des momentanen Standes der Forschung in die Anwendung sicherstellt.
Damit ergeben sich folgende wissenschaftliche Problemstellungen:

Erstellung eines Software Systems, mit dem es möglich ist

Daten,

graphische Darstellungen,

analytische Rechenprozeduren und

Werkstoff  und bauteilspezifische Informationen und Wissen

anwenderorientiert zu speichern. Dies beinhaltet, daß das System in einer offenen und modularen Architektur erstellt wird, eine benutzerfreundliche Oberfläche hat und über entsprechende Schnittstellen zu anderen Anwenderprogrammen verfügt bzw. deren Einrichtung möglich ist.

Erstellung eines möglichst allgemeinen Datenaustauschformats (Datenstruktur), mit dem es möglich ist, zukünftige Ergebnisse anderer Forschungsarbeiten zu speichern.

Die Speicherung des vorhandenen "Grundwissens" in Form von Daten und Rechenalgorithmen für die Basisform des EDV Systems.

Die Überprüfung der Arbeitsweise des Systems durch Anwendung der fortgeschrittenen Methoden.

Das im Rahmen der Vorhaben "Hochtemperatur-Bauteillebensdauer II" (AVIF A 122) in Verbindung mit den Vorhaben "Hochtemperatur-Bauteillebensdauer l" (AVIF A92/2) und WIZE (AlF-Nr. D82, FVV-Nr. 502) erstellte wissensbasierte Datenbanksystem koppelt die Möglichkeiten einer Datenbank zur Speicherung von Daten unterschiedlicher Bedeutung wie

reine experimentelle Daten mit Zuordnung zu Probe, Schmelze und Werkstoff (Ebene 1),

geprüfte (Standard)Daten mit Zuordnung zu Schmelze und Werkstoff (Ebene 2) sowie

Parametergrößen von Stoffgesetzen mit Zuordnung zu Werkstoff (Ebene 3) mit den Möglichkeiten eines Berechnungsprogrammes.

Über eine spezifische Datenbankarchitektur kann auf die Daten der Datenbank in den unterschiedlichen Ebenen zugegriffen werden und damit können Berechnungen zur Lebensdauer von Hochtemperaturbauteilen durchgeführt werden. Die dabei zu verwendenden Rechenprozeduren sind im System implementiert. Die Möglichkeit der Erweiterung der Datenbasis als auch der Rechenalgorithmen ist gegeben, somit steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem es möglich ist, Ergebnisse aus zukünftigen Vorhaben zu speichern bzw. nutzbar zu machen.
Die Ergebnisse der Berechnungen bzw. der Datenbankrecherchen können graphisch über vorgegebene Darstellungen bzw. selbstdefinierte Bilder in Berichtsform abgebildet werden.

Die Handhabbarkeit des Systems bzw. die Möglichkeit unterschiedliche Berechnungsmethoden einzusetzen und vergleichen zu können, wurde anhand von Fallbeispielen dargestellt.
Ein ausführliches Benutzerhandbuch ermöglicht die problemlose Einarbeitung in das System.

Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil. E. Roos
(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