Teilprojekt C5 Risswachstum

Lebensdauerberechnungen komplexer Investitionsgüter basieren nach wie vor auf phänomenologischen Lebensdauermodellen, die die problemspezifischen Charakteristika nur unzureichend berücksichtigen. Um eine präzisere Vorhersage der Restlebensdauer regenerierter Bauteile treffen zu können sind daher Methoden notwendig, die die Eigenheiten des betrachteten Bauteils berücksichtigen können.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Verschiebungsfeld in z-Richtung einer Turbinenschaufelberechnung

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.

Verschiebungsfeld einer Multiskalenberechnung der Vorderkante einer Turbinenschaufel

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.


VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Holl, M.; Rogge, T.; Loehnert, S.; Wriggers, P.; Rolfes, R. (2014) 3D multiscale crack propagation using the XFEM applied to a gas turbine bladeComput Mech 53 (1), S. 173–188
    DOI: 10.1007/s00466-013-0900-5
  • Loehnert, S. (2014) A stabilization technique for the regularization of nearly singular extended finite elementsComput Mech 54 (2), S. 523–533
    DOI: 10.1007/s00466-014-1003-7
  • Holl, M.; Loehnert, S.; Wriggers, P. (2013) An adaptive multiscale method for crack propagation and crack coalescenceInt. J. Numer. Meth. Engng 93 (1), S. 23–51
    DOI: 10.1002/nme.4373
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

Dr.-Ing. Stefan Löhnert
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. mult. Dr.-Ing. E. h. Peter Wriggers
Adresse
Appelstraße 11 und 11a
30167 Hannover
Gebäude
Raum
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