A201

Bereitstellung und Vergleich komplexer Stoffgesetze zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens bei wechselnder und stationärer Beanspruchung und Temperaturen bis zum Kriechbereich

(A201 S 24/10044/2002)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2003 - 30. Juni 2005

Die gestiegenen Betriebsanforderungen moderner Kraftwerke erfordern in Bezug auf die Auslegung und Erschöpfungsberechnung von hochbeanspruchten Komponenten zu-nehmend die Berücksichtigung komplexerer Betriebsweisen und komplizierterer Bauteil-geometrien. Hierzu wurden in den letzten Jahren vermehrt in Finite-Elemente-Berechnungen umsetzbare Stoffgesetze entwickelt, die aufgrund ihrer Formulierung nicht nur elastisch-plastisches Werkstoffverhalten und viskoplastisches Verhalten, son-dern auch die beispielsweise bei Kriechermüdungsbeanspruchung notwendige Be-schreibung der Interaktionen erlauben. Bei der praktischen Anwendung dieser Modelle muss meist eine aufwendige Bestimmung einer in der Regel relativ großen Anzahl von werkstoffspezifischen Parametern durchgeführt werden. Die häufig recht komplexen Stoffgesetze führen zudem zu aufwendigen Berechnungen.
Ziel dieses von der MPA Stuttgart, der Firma EnChip Nürnberg und der TU Dresden durchgeführten Vorhabens war es neben der Ermittlung der Vor- und Nachteile der ein-zelnen Modelle deren Anwendung zu vereinfachen.
Zu diesem Zweck wurde eine Modelldatenbank erstellt, in der Aufbau und Anwendung sowie zur Verwendung notwendige Software zusammengestellt ist. Die hinter den Modellen stehenden Ansätze werden erläutert. Die bestehenden Werkstoffmodelle werden im Hinblick auf die möglichen Anwendungsgebiete, der Anwendungsgrenzen, der erforderlichen Rechenzeit und der verwendeten Parameter beschrieben und Hilfsmittel zur Parameteroptimierung erarbeitet. Durch Sensitivitätsanalysen wird die Anwendung der Modelle für Werkstoffgruppen überprüft.
Zur Bewertung der Modelle standen umfangreiche experimentelle Ergebnisse aus Versuchen mit für Kraftwerkskomponenten praxisnahen Beanspruchungen zur Verfügung. Um einen Vergleich der Simulationsergebnisse, welche mit den verschiedenen Modellen erzielt werden, ziehen zu können, wurden einachsige Versuche (Zeitstand-, LCF-Versuche) und mehrachsige Kriechermüdungsversuche u.a. an dickwandigen Hohlzylinderproben simuliert und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Dabei zeigte sich, dass mit der aufwendigsten Modellierung, einem komplexen Stoffgesetz auf der Basis des Chaboche-Modells, bei entsprechend guter Parametrisierung sehr gute Annäherungen erzielt werden können. Beim Strukturmodell können ebenfalls gute Annähe-rungen erzielt werden, der Aufwand für die Formulierung und Parameteranpassung steigt jedoch dann ebenfalls an. Mittels des modifizierten Graham-Walles Modelles und des TMF-Modells lässt sich das Kriechverhalten sehr gut beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei Kriechermüdungsbeanspruchungen, bei denen Kriechen die dominierende Beanspruchung darstellt, brauchbare Näherungen ermittelt werden kön-nen. Dies trifft auch auf die simulierten Versuche mit Kriechermüdungsbeanspruchung zu.
Die Werkstoffmodelldatenbank stellt ein im Hinblick auf Modelle, vor allem aber auf werkstoffspezifische Anpassungen erweiterbares Werkzeug zur Verfügung, das Hersteller und Betreiber von Hochtemperaturanlagen bei der Auswahl und Anwendung adäquater Modelle zur Simulation des Werkstoffverhaltens von  Bauteilen unter Beanspruchungsfällen unterschiedlicher Komplexität unterstützt.

Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de

Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil Eberhard Roos

(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) für Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (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