01.12.2019
Finite Elemente Abbildung

Die berechnete Schädigungsvariable weist Stellen auf (rot), wo die Bildung makroskopischer Risse im Betrieb erwartet werden.

Quelle: BAM, Fachbereich Experimentelle und modellbasierte Werkstoffmechanik

Die Lebensdauer heißer metallischer Bauteile unter zyklischer Belastung ist ein Hauptanliegen bei der Auslegung und Zuverlässigkeitsanalyse von beispielsweise Motoren, Turbomaschinen und Kraftwerken. Ein besonderes Beispiel hierfür ist der Einsatz von Gasturbinen in Flugzeugen. Die kritischen Komponenten einer Gasturbine arbeiten unter extremen Bedingungen, einschließlich hoher Temperaturen, Oxidation und mechanischer Belastungen aufgrund der Zentrifugalkraft und Vibrationen. Als Folge dieser Belastungen bilden sich makroskopische Risse aus, die die Betriebszeit eines Triebwerks erheblich begrenzen. Dies ist ein wichtiges Thema für die Sicherheit von Flügen, weshalb die Entwicklung praktikabler Berechnungstechniken zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer erforderlich ist.

Das Paper gibt einen Überblick über drei Klassen von Modellen und Berechnungsansätzen zur Bewertung der Lebensdauer heißer metallischer Bauteile. In Kombination mit herkömmlicher Finite-Elemente-Software (FE) können diese Techniken effizient in die Ingenieurpraxis einbezogen werden. Die Idee hinter den sogenannten inkrementellen Lebensdauermodellen ist, dass bei jedem Lastzyklus die kontinuierliche Ausprägung des Schadens in Form einer Schadensvariable angenommen wird. Dies kann leicht als zusätzliche gewöhnliche Differentialgleichung ins FE-Programm eingebaut werden. Der Lebensdauerverbrauch eines beliebigen komplexen Belastungspfades, einschließlich komplizierter Spannungszustände, kann daher leicht bewertet werden. Eine andere Klasse von Modellen stützt sich auf bestimmte Parameter von Spannungs-Dehnungs-Hysteresen als Eingaben für eine empirische Lebensdauerregel. Obwohl der Zusammenhang mit der Verformungsgeschichte fehlt, sind diese parametrischen Ansätze im Hinblick auf die Benutzerfreundlichkeit breit anwendbar. Die Leistung beider Methoden wird durch LCF- und TMF-Versuche am austenitischen Gusseisen Ni-Resist D-5S verifiziert, das für heiße Teile von Abgasturboladern verwendet wird (siehe Abbildung).

Abschließend werden die modernen rechnerischen Ansätze zur Beschleunigung der zyklischen Simulationen diskutiert. Das Ziel besteht darin, das strukturelle Verhalten während des Ermüdungsverlaufs durch die Integration einer sehr geringen Anzahl von Belastungszyklen zu approximieren. Ein Vergleich mit einer Referenzsimulation hat gezeigt, dass eine ungesättigte viskoplastische Materialantwort genau approximiert werden kann, während der Rechenaufwand stark reduziert wurde.

Computational Methods for Lifetime Prediction of Metallic Components under High-Temperature Fatigue
Vitaliy Kindrachuk, Bernard Fedelich, Birgit Rehmer, Frauke Peter
erschienen in Metals, 2019, Volume 9(4), Pages 390 ff
BAM, Fachbereich Experimentelle und modellbasierte Werkstoffmechanik