Bruchmechanik

© Foto Fraunhofer IWM
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Mit modernsten bruchmechanischen Konzepten führen wir Nachweise zur Sicherheit, Gebrauchseignung, und Lebensdauer komplex und hochbelasteter Bauteile und Komponenten. Auf dieser Basis erarbeiten wir mit unseren Auftraggebern Lösungen zur Verbesserung der Bauteilsicherheit, der optimierten Bauteilauslegung oder zu Inspektionsintervallen.

Der bruchmechanische Nachweis gehört zum Stand der Technik bei der Auslegung sowie der Bewertung von sicherheitsrelevanten Komponenten. Bei Vorliegen von detektierten oder postulierten rissartigen Fehlern ermöglichen die Methoden der Bruchmechanik quantitative Aussagen im Hinblick auf die Gebrauchseignung des Bauteils, dessen Restlebensdauer sowie die Sicherheit gegen eine unkontrollierte Rissausbreitung. Auf dieser Basis können fundierte Entscheidungen über die Inbetriebnahme, Laufzeitverlängerung, wiederkehrende Prüfung oder auch eine Reparatur bzw. den Austausch des Bauteils getroffen werden. Typische Einsatzgebiete der Bruchmechanik umfassen u.a.:

Luft und Raumfahrt

Anlagenbau

Druckbehälter und Rohrleitungen von Kraftwerken

Gas- und Dampfturbinen

Pipelines

Schienenfahrzeuge

Stahlkonstruktionen, wie z.B. im Kran- und Brückenbau

geschweißte Bauteile

Wir unterstützen unsere Kunden bei bruchmechanischen Aufgaben mit unseren Kompetenzen in der Werkstoffprüfung, der numerischen Simulation, der analytischen Fehlerbewertung sowie der Schadensanalyse und erarbeiten zusammen mit ihnen Lösungen zur Beurteilung der Sicherheit und Restlebensdauer von Maschinen und Anlagen, deren Laufzeitverlängerung, der Festlegung von Inspektionsintervallen, der Designoptimierung und der Werkstoffauswahl unter sicherheitsrelevanten Aspekten. Ferner helfen wir bei der Erstellung von Gutachten bzw. vertreten Untersuchungsergebnisse gegenüber technischen Aufsichtsbehörden.

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IWM Verb

IWM Verb ist ein Softwaretool zur Beurteilung von Komponenten mit rissartigen Defekten. [mehr]

 

 

 

 

 

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Leistungen

Unser Leistungsspektrum reicht von der Werkstoffcharakterisierung bis zur Sicherheits- und Lebensdauerbewertung von fehlerbehafteten Bauteilen.

Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte:

Risszähigkeit, Risswiderstandskurven, zyklische Rissfortschrittskurven

Risswiderstandsversuche im Temperaturbereich von ca. -196°C bis 600°C in Anlehnung an anerkannte Prüfnormen wie z.B. ASTM E399, E1820, E1921 und E647

nicht genormte Versuche unter kundenspezifischen Bedingungen bzw. an speziellen Proben

Beanspruchungsanalysen:

für Proben und Bauteile mit Rissen bzw. Fehlern

unter komplexen thermo-mechanischen Randbedingungen

unter Verwendung gängiger sowie fortschrittlicher Werkstoffmodelle

mit Berücksichtigung von elastisch-plastischen Verformungen, Kriechvorgängen und fortschreitender Schädigung

bei statischer sowie zyklischer Belastung

unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen

Bruchmechanische Bewertung:

nach anerkannten Regelwerken wie z.B. R6, SINTAP, FITNET, BS 7910, API 579, FKM-Richtlinie

unter Anwendung spezieller Software, z.B. IWM VERB oder ERWIN

inkl. Umsetzung kundenspezifischer Anforderungen (Bauteil- und Rissgeometrie, Beanspruchungsbedingungen, Werkstoffeigenschaften) in der Software

mit deterministischen sowie probabilistischen Methoden


Ferner erarbeiten wir fortschrittliche Lösungsansätze sowie Bewertungskonzepte und setzen diese konsequent in unseren Berechnungsprogrammen sowie der von uns mitentwickelten FKM-Richtlinie »Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis« um (FKM = Forschungskuratorium Maschinenbau). Das Fehlerbewertungsprogramm IWM VERB wird von vielen Unternehmen weltweit bei der Lösung bruchmechanischer Fragestellungen eingesetzt, wobei die Weiterentwicklung des Programms in einer engen Zusammenarbeit mit unseren Kunden erfolgt. Als weitere Dienstleistungen bieten wir Schulungen zur Anwendung der bruchmechanischen Methoden an.

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Simulation eines Tiefziehversuchs: Rundplatte mit einem Oberflächenriss, Werkstoff Ti-6Al-4V

Strukturintegrität von beanspruchten Strukturen: Fortschrittliche nicht-lineare Methodik

Der bruchmechanische Nachweis nach dem Konzept der Versagensbewertungsdiagramms (Failure Assessment Diagram, FAD) setzt einerseits das Vorliegen genauer Berechnungsmethoden für die Ermittlung der bruchmechanischen Beanspruchungsparameter und andererseits experimenteller sowie numerischer Validierungen des Bewertungskonzeptes voraus. Das FAD-Konzept wurde als Bestandteil verschiedener Regelwerke hauptsächlich an ferritischen Stählen validiert. Seine Anwendung auf andere metallische Werkstoffe ist deshalb mit Unsicherheiten verbunden. Im Rahmen des Programms ESA-TRP „Structural Integrity of Pressurized Structures − Advanced Non-Linear Methodology“ wurde schwerpunktmäßig das Versagen dünnwandiger Bauteile aus Aluminium- und Titanlegierungen sowie deren Schweißnähte untersucht.  

Mit einer Reihe von Versuchen an rissbehafteten Proben, u.a. mit begleitenden optischen Dehnungsmessungen, sowie deren numerischen Simulationen lassen sich für die untersuchten Werkstoffe (Ti-6Al-4V, Al2219-T87) sowie Plattendicken von ca. 1 bis 6 mm bruchmechanische Kennwerte bei Rissinitiierung sowie stabilem Risswachstum, sog. Risswiderstandskurven, realistisch bestimmen. Eine anschließende analytische Versagensbewertung auf Basis des FAD-Konzeptes sowie der experimentell ermittelten Werkstoffkennwerte liefert konservative Ergebnisse. Insbesondere für die duktile Aluminiumlegierung Al2219-T87 sowie deren FSW (Friction Stear Welding = Reibrührschweißen) - Verbindungen wird die Versagenslast deutlich unterschätzt. Zur Verbesserung der Genauigkeit der analytischen Bewertungsmethoden wurden eine Korrektur der plastischen Grenzlast bei mehrachsiger Belastung, eine alternative Definition des Cut-Off-Kriteriums sowie ein dehnungsbasiertes Verfahren als Alternative der Mismatch-Option im FAD vorgeschlagen.

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Flachzugprobe mit einem Oberflächenriss: optische Dehnungsmessungen an der Rückseite zur Bestimmung der Rissinitiierung sowie der stabilen Rissausbreitung nach dem Wanddurchbruch; Werkstoff Al2219-T87 FSW

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Ermüdungsrisswachstum in Radsatzwellen

Wird in einem zyklisch beanspruchten Bauteil ein Riss detektiert bzw. lässt sich dessen Vorliegen nach einer durchgeführten zerstörungsfreien Prüfung nicht ausschließen, so kann die Restlebensdauer des Bauteils mit Hilfe der bruchmechanischen Methoden abgeschätzt werden. Eine solche Aufgabenstellung entsteht bei der Bewertung bzw. Dimensionierung von Radsatzwellen für im Betrieb befindliche bzw. neue Fahrzeuge. Dabei sollen mehrere werkstoff- sowie betriebsrelevante Aspekte berücksichtigt werden, u.a.

repräsentative Rissgeometrie

Beanspruchung mit variablen Lastamplituden (Lastspektrum)

Kerbwirkung bei einer Risslage in einem geometrischen Übergangsbereich

Vorliegen von Eigenspannungen infolge von Presspassung, mechanischer Bearbeitung, Wärmebehandlung

umfangreiche Werkstoffcharakterisierung als Folge variabler Spannungsintensitätsverhältnisse

Die meisten genannten Aspekte wurden in einem von dem BMWi sowie der deutschen Bahnindustrie geförderten Forschungsvorhaben »Eisenbahnfahrwerke-2« behandelt. Neben der experimentellen Ermittlung von erforderlichen Werkstoffdaten wurden dort methodische Grundlagen, Lösungen sowie eine Software für die Simulation des Ermüdungsrisswachstums in Radsatzwellen entwickelt. 

Die Erkenntnisse aus dem genannten Forschungsvorhabens wurden erfolgreich in mehreren Projekten für die Dimensionierung von Radsatzwellen sowie die Absicherung von Inspektionsintervallen umgesetzt. 

 

 

 

 

 

 

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Schweißeigenspannungen in einer Längssteife sowie deren Abbau infolge mechanischer Beanspruchung

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Bruchmechanisch basierte Abschätzung der Bruch-Wöhlerlinie aus der Anriss-Wöhlerlinie

Ermüdungs- und bruchmechanische Bewertung von Schweißverbindungen

Durch eine Kopplung von zyklischen Plastizitätsmodellen, numerischer Schweißprozesssimulation, Ermüdungs- und bruchmechanischen Modellen kann die Lebensdauer eines geschweißten Bauteils realitätsnah beschrieben werden. Im nachfolgenden Beispiel wurden zunächst Schweißeigenspannungen sowie deren stabilisierter Zustand in einem Schwingfestigkeitsversuch ermittelt. In den entsprechenden Versuchen (Fraunhofer LBF) wurde u.a. ein signifikanter Unterschied zwischen der Anriss- und Bruch-Wöhlerlinien festgestellt, der mit Hilfe von bruchmechanischen Berechnungen sehr gut beschrieben werden kann. Den Berechnungen wurden Rissfortschrittskurven für den untersuchten Werkstoff S460NL, ein Anfangsriss mit einer Tiefe von 0,2 mm sowie ein geeignetes im Programm IWM VERB implementiertes bruchmechanische Modell zu Grunde gelegt.

 

 

 

 

 

 

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Publikationen

Varfolomeev, I.; Luke, M.; Consideration of fatigue crack growth aspects in the design and assessment of railway axles, Recent Trends in Fracture and Damage Mechanics; Hütter, G.; Zybell, L. (Eds Springer International Publishing AG; Cham, Schweiz (2016) 103-124 Link

Varfolomeev, I.; Windisch, M.; Sinnema, G.; Application of the strain-based FAD to failure assessment of surface cracked components; International Journal of Structural Integrity 6/6 (2015) 689-703 Link

Ivanov, D.; Varfolomeev, I.; Siegele, D.; Weiterentwicklung von Rechenmethoden zur probabilistischen Leck-vor-Bruch Bewertung von Rohrleitungen; Abschlussbericht Reaktorsicherheitsforschung Vorhaben Nr. 1501398; Fraunhofer IWM, Freiburg (2014) 116 Seiten

Varfolomeev, I.; Burdack, M.; Moroz, S.; Siegele, D.; Kadau, K.; Fatigue crack growth rates and paths in two planar specimens under mixed mode loading; International Journal of Fatigue 58 (2014) 12-19 Link

Varfolomeev, I.; Luke, M.; Burdack, M.; Effect of specimen geometry on fatigue crack growth rates for the railway axle material EA4T; Engineering Fracture Mechanics 78/5 (2011) 742-753 Link

Berger, C.; Blauel, J.G.; Hodulak, L.; Pyttel, B.; Varfolomeev, I.; Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile; FKM-Richtlinie, 3. überarbeitete Ausgabe; Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM); VDMA Verlag, Frankfurt a.M. (2009)

Siegele, D.; Varfolomeev, I.; Nagel, G.; Brittle failure assessment of a PWR-RPV for operating conditions and loss of coolant accident; Journal of Pressure Vessel Technology 130/3 (2008); 031403 1-8 Link

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