Motivation und Zielsetzung
Im Teilprojekt C5 wurde bisher eine quasistatische Mehrskalenmethode für die Simulation von Rissen basierend auf der XFEM unter Berücksichtigung der thermischen Beanspruchung, nicht-lokalen Schädigung und des Rissflankenkontaktes entwickelt, um regenerierte Bauteile unter Berücksichtigung möglichst realer Gegebenheiten zu berechnen. Mit der bestehenden quasistatischen Methode lässt sich die Restlebensdauer allerdings nur grob abschätzen, da die im Einsatz vorhandenen komplexen dynamischen Wechselwirkungen nur eingeschränkt abgebildet werden können. Eine Erweiterung der bisherigen Modellierung um Trägheitsterme ist erforderlich. Um dynamischen Rissfortschritt für sehr hohe Lastzyklen detailliert und effizient in vernünftigen Rechenzeiten zu simulieren, wird die Multizeitskalenmethode WATMUS verwendet.
Ergebnisse
Die entwickelte thermomechanische Mehrskalenprojektionsmethode ermöglicht die Untersuchung der Interaktion zwischen Mikro- und Makrorissen im kritischen Bereich. Der Wärmeübergang über die Rissflanken konnte durch eine Kontaktformulierung simuliert werden. Nicht-lokale Schädigung eignet sich zur Entscheidung, ob an einem Punkt Riss fortschreitet, in welcher Richtung und wie weit der Rissfortschritt stattfindet. Die Ergebnisse können in der dritten Förderperiode direkt verwendet werden, um drei-dimensionale dynamische Rissfortschritte in Turbinenschaufeln möglichst nah der Realität durchführen zu können.
Aktuelle Arbeiten und Ausblick
Die bestehende XFEM Implementierung wird zuerst auf einer Skala um die Trägheitsterme erweitert. Anschließend wird die transiente Gleichung der Gleichgewichtsbedingung sowohl mit instationärer Wärmeleitung, als auch mit nicht-lokaler Schädigung gekoppelt. Die gekoppelten Gleichungen sind für jeden Zeitschritt gleichzeitig explizit zu lösen. Danach wird diese Implementierung auf mit der Multskalenprojektionsmethode gekoppelt.
Die CFD-Simulationsergebnisse aus dem Teilprojekt C4, z.B. Temperaturverteilung an der Schaufeloberfläche, können als Randbedingungen angewendet werden. Aus dem Teilprojekt C3 wurden die maximalen Schwingungsamplituden sowie Materialdaten übernommen.
Die transiente Berechnung des Multiskalenrissfortschritts unter dynamischer Belastung ermöglicht eine präzisere, bauteilspezifische Berechnung der Restlebensdauer, ohne dass auf empirisch gewonnene Daten zugegriffen werden muss. Hieraus kann im SFB eine genauere Beurteilung der Regenerationspfade erfolgen.
Die entwickelten Methoden können letztlich ohne weiteres auf andere komplexe Investitionsgüter, wie z.B. thermomechanisch hoch beanspruchte Antriebe von Diesellokomotiven angewendet werden.
Verantwortliches Institut
Das Projekt wird verantwortet durch das Institut für Mechanik und Flächentragwerke (TU Dresden).
Teilprojektleiter
TU Dresden
August-Bebel-Straße 30
01219 Dresden
TU Dresden
August-Bebel-Straße 30
01219 Dresden
Mitarbeiter
Veröffentlichungen
Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet
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(2014): 3D multiscale crack propagation using the XFEM applied to a gas turbine blade, Comput Mech 53 (1), S. 173–188
DOI: 10.1007/s00466-013-0900-5 -
(2014): A stabilization technique for the regularization of nearly singular extended finite elements, Comput Mech 54 (2), S. 523–533
DOI: 10.1007/s00466-014-1003-7 -
(2013): An adaptive multiscale method for crack propagation and crack coalescence, Int. J. Numer. Meth. Engng 93 (1), S. 23–51
DOI: 10.1002/nme.4373
Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet
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(2016): Aerodynamical and Strucutral Analysis of Operationally used Turbine Blades, In: 5th International Conference on Through-life Engineering Services, Cranfield, England
Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet
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(2017): Thermo-mechanical modeling of turbine blades taking into account structural defects, 88th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics. Weimar, 2017
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(2016): Thermo-mechanical contact between crack surfaces in the eXtended Finite Element Method, ECCOMAS 2016: European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering. Crete Island
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(2016): Thermo-mechanical contact between crack surfaces in the eXtended Finite Element Method, CMIS 2016: Contact Mechanics International Symposium. Warsaw, Poland
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(2015): A multiscale projection method for the thermomechanical simulation of the interaction of microcracks with a macrocrack, X-DMS 2015, eXtended Discretization Methods, Ferrara, Italy, September 9-11, 2015
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(2014): 3D error controlled adaptive XFEM simulation of ductile fracture on multiple scales, WCCM. IACM. Barcelona, 01.01.2014
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(2013): An adaptive multiscale method for three-dimensional crack propagation in elasto-plastic media, XFEM conference. Lyon, 01.01.2013
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(2013): Three-dimensional crack propagation in ductile media using the XFEM, CFRAC. Prag, 01.01.2013
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(2012): A fully adaptive multiscale framework for three dimensional crack propagation using the XFEM, WCCM. Sao Paulo, 01.01.2012
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(2012): A multiscale framework for 3D crack propagation using the XFEM, ECCOMAS. Wien, 01.01.2012
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(2011): Crack coalescence in a multiscale framework, CFRAC. Barcelona, 01.01.2011
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(2011): Crack propagation and crack coalescence in a multiscale framework, USNCCM. USACM. Minneapolis, 01.01.2011
Dissertationen
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(2014): Multiscale crack propagation and crack coalescence using the XFEM, Dissertation B14/1, Institut für Kontinuumsmechanik
