Werkstoffmodelldatenbank

FKM 2007 Heft Nummer 296 Vorhaben Nr. 264
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Abschlussbericht
Kurzfassung:

Die gestiegenen Betriebsanforderungen moderner Kraftwerke erfordern in Bezug auf die Auslegung und Erschöpfungsberechnung von hochbeanspruchten Komponenten zunehmend die Berücksichtigung komplexerer Betriebsweisen und komplizierterer Bauteilgeometrien. 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, sondern auch die beispiels- weise bei Kriechermüdungsbeanspruchung notwendige Beschreibung 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 einzelnen 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 Modeliierung, einem komplexen Stoffgesetz auf der Basis des Chaboche-Modells, bei entsprechend guter Parametrisierung sehr gute Annäherungen erzielt werden können. Beim Strukturmodell können ebenfalls gute Annäherungen 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 können. 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 Hochtemperaturan- lagen bei der Auswahl und Anwendung adäquater Modelle zur Simulation des Werkstoffverhaltens von Bauteilen unter Beanspruchungsfällen unterschiedlicher Komplexität unterstützt.

Berichtsumfang:
61 Seiten,35 Abbildungen, 4 Tabellen, 18 Seiten Anhang

Beginn der Arbeiten:
01.01.2003

Ende der Arbeiten:
30.06.2005
Zuschußgeber:
AVIF-Nr. A 201

Forschungsstellen:
Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA)

Leitung:
Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Roos Fa. EnChip GmbH, Frankenstr. 140, 90461 Nürnberg

Bearbeiter:
Dipl.-Ing. O. Steiling, Dipl.-Ing. K .Schmidt, Dr.-Ing. Andreas Klenk, Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart Dr.-Ing. E.Götzfried, EnChip GmbH, Dr.-Ing.J. Raddatz, TU Dresden

Obmann des Arbeitskreises:
Dr.-Ing. Roland Mücke, Alstom Power, CH - Baden

Vorstandsvorsitzender:
Dipl.-Ing. W.Siepmann, Stahl-Armaturen PERSTA GmbH , Warstein