Anlagensicherheit, Bruchmechanik

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

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Um die Betriebssicherheit von Komponenten aus der Anlagentechnik, dem Kraftwerk- und dem Maschinenbau zu gewährleisten, erbringen wir Tragfähigkeits- und Sicherheitsnachweise mit Hilfe von bruchmechanischen und werkstoffmechanisch basierten Konzepten. Unsere Schwerpunkte sind die Bewertung von Druckbehältern und Rohrleitungen mit Finite-Elemente Analysen und analytischen Fehlerbewertungskonzepten, die Ermittlung der spezifischen Werkstoffkennwerte sowie die Werkstoff- und Bauteilbewertung unter statischer, zyklischer und dynamischer Beanspruchungen.

Leistungen

  • Bruchmechanische Sicherheitsbewertungen und Traglastberechnungen von Bauteilen
  • Lebensdauerbewertung von Bauteilen unter Berücksichtigung von Schweißverbindungen
  • Entwicklung von lokalen Konzepten zur bruchmechanischen Bauteilbewertung bei komplexen mehrachsigen thermischen und mechanischen Belastungen
  • Entwicklung und Vermarktung von Software-Tools für die bruchmechanische Bauteilbewertung
  • Weiterentwicklung von probabilistischen Rechenmethoden für die bruchmechanische Bauteilbewertung
  • Entwicklung von probabilistischen Berechnungsmethoden zum Strukturverhalten von heterogenen Werkstoffen (Verbundwerkstoffe, Schäume)
  • Werkstoffcharakterisierung und Bewertung von Bauteilen unter dynamischer Belastung
  • Entwicklung von Prüfmethoden zur Charakterisierung von Werkstoffen unter komplexen dynamischen Beanspruchungen

Themen

Sicherheitsbewertung von Bauteilen.

Sicherheitsbewertung von Bauteilen

Bauteile in der Kraftwerk- und Anlagentechnik, wie Druckbehälter und Rohrleitungen, unterliegen hohen sicherheitstechnischen Anforderungen. Es muss nachgewiesen werden, dass auch unter extremen Belastungen ein Versagen des Bauteils ausgeschlossen werden kann. Zum Nachweis der Sicherheit solcher Bauteile werden bruchmechanische Methoden eingesetzt. Dabei wird nachgewiesen, dass auch im Werkstoff bzw. im Bauteil mögliche Fehler nicht zu einem globalen Versagen des Bauteils führen können. Die bruchmechanischen Konzepte werden in begleitenden Forschungsvorhaben ständig weiterentwickelt. Eine wesentliche Rolle spielt die Übertragbarkeit der an Proben gewonnenen Kennwerte auf die Bauteilsituation.

Numerische Berechnung von Eigenspannungen in schweißplattierten Komponenten. (PDF)

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Bruchmechanische Fehlerbewertung.

Bruchmechanische Fehlerbewertung

Bei einer bruchmechanischen Bewertung werden im Gegensatz zur klassischen Festigkeitsberechnung Fehler im Bauteil unterstellt. Solche Fehler können durch die Herstellung (z.B. Gießen, Schweißen) oder durch den Betrieb (z.B. Ermüdung) bedingt sein oder im Sinne einer fehlertoleranten Auslegung auf Basis der Nachweisgrenze einer zerstörungsfreien Prüfung postuliert werden. Bruchmechanische Bewertungskonzepte werden ständig weiterentwickelt und sind mittlerweile Bestandteil internationaler sowie internationaler Richtlinien (z.B. SINTAP, FITNET, FKM-Richtlinie). Eine breite Anwendung dieser Konzepte in der Technik wird im Wesentlichen durch vorhandene bruchmechanische Lösungsansätze sowie Rechenprogramme ermöglicht und unterstützt. Von diesem Hintergrund werden am Fraunhofer IWM fortgeschrittene analytische Lösungen für Rissprobleme sowie Berechnungstools entwickelt und in Lizenz den Anwendern aus Forschung und Industrie zur Verfügung gestellt. Das Fehlerbewertungsprogramm VERB wird insbesondere in Bereichen der Energietechnik, Anlagenbau, Raumfahrt eingesetzt. Weitere Programme – FracSafe sowie ERWIN – wurden in Zusammenarbeit mit Vertretern des VDMA bzw. der Bahnindustrie entwickelt und auf die Lösung spezifischer Fragestellungenangepasst.

Neue probabilistische Modelle zur Sprödbruchbewertung. (PDF)

Fehlerbewertungsprogramm IWM VERB 8.0. (PDF)

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Probabilistische Methoden.

Probabilistiche Methoden zur Werkstoff- und Bauteilbewertung

Werkstoffe und Beanspruchungen sind in der Regel probabilistischer Natur, d.h. die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe unterliegen gewissen Streuungen ebenso wie die äußeren Belastungen oder durch die Fertigung resultierenden Größen wie Blechdicken, Schweißnahtgeometrie oder Eigenspannungen. Eine sachgerechte Beschreibung des Werkstoff- und Bauteilverhaltens ist mit einer probabilistischen Beschreibung möglich. Dabei werden alle Größen statistisch verteilt angenommen und mit geeigneten Verteilungsfunktionen beschrieben. Mit Hilfe statistischer Berechnungen wie der Monte-Carlo Methode oder fortgeschrittenen Zuverlässigkeitsmethoden kann die Überlebenswahrscheinlichkeit eines Bauteils unter den gegebenen Belastungsrandbedingungen ermittelt werden. Daneben sind für hybride Werkstoffe auch Berechnungen der globalen Werkstoffeigenschaften als Funktion der inneren, stochastisch verteilten Mikrostruktur möglich.

Probabilistische Fehlerbewertung von Rohrleitungen. (PDF)

Probabilistische Bewertungen von Rohrleitungen unter thermischer Ermüdung. (PDF)

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Dynamisches Werkstoff- und Bauteilverhalten.

Dynamisches Werkstoff- und Bauteilverhalten

In Bauteilen können dynamische Beanspruchungen können beim Betrieb oder bei unfallbedingten Ereignissen aufgrund von kurzzeitigen, stoßartigen Belastungen auftreten. Beispiele von Bauteilen aus dem Maschinenbau oder der Kraftwerktechnik sind rotierende Wellen, Achsen, Buchsen oder Turbinenschaufeln, die durch Sonderbelastungen schlagartig beansprucht werden können, im  Fahrzeugbau sind crashartige Belastungen der wesentliche Auslegungsfall. Die dabei zu berücksichtigenden Belastungsgeschwindigkeiten reichen etwa bis 100 m/s, die relevanten Zeiten bis zum Versagen im Bereich von Millisekunden bis Mikrosekunden. Für die Bewertung von stoß- oder crashartig beanspruchten Bauteilen werden dehnratenabhängige Werkstoffkennwerte benötigt, wobei je nach Werkstoff auch ein Wechsel des Bruchmechanismus mit zunehmender Belastungsgeschwindigkeit zu berücksichtigen ist. Für die Werkstoffcharakterisierung und Bauteilbewertung unter komplexen dynamischen Belastungen werden die experimentellen und rechnerischen Methoden ständig weiterentwickelt.

Crashsicherheit von Aluminium-Schweißverbindungen. (PDF)

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Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Hohe, J.; Brand, M.; Siegele, D., Behaviour of sub-clad and through-clad cracks under consideration of the residual stress field, Engineering Fracture Mechanics 77/2 (2010) 217-228
  • Hohe, J.; Gumbsch, P., On the potential of tungsten-vanadium composites for high temperature application with wide-range thermal operation window, Journal of Nuclear Materials 400 (2010) 218-231
  • Hohe, J., Load frequency interaction effects in the dynamic buckling of foam core sandwich structures, in Proc. of 9th International Conference on Sandwich Structures; Ravichandran, G. (Ed.), California Institute of Technology, Pasadena,USA (2010) CD-ROM
  • Hohe, J.; Hardenacke, V.; Beckmann, C., Numerical homogenization analysis of disorder effects in the effective thermo-mechanical response of structural foams and porous solids, in Proc. of 4th European Conference on Computational Mechanics; Allix, O.; Wriggers, P. (Eds.), University of Rome, Rom, Italien (2010) CD-ROM
  • Hohe, J.; Hardenacke, V.; Fascio, V.; Girard, Y.; Lehmhus, D.; Stöbener, K.; Pattofatto, S.; Zeng, H.; Zhao, H.; Calbucci, V.; Fiori, F.; Rustichelli, F., Design of graded cellular sandwich cores for multi functional aerospace application, in Proc. of 9th International Conference on Sandwich Structures; Ravichandran, G. (Ed.), California Institute of Technology, Pasadena, USA (2010) CD-ROM
  • Kleine, A.; Koch, H.; Böhme, W., Untersuchungen zur Charakterisierung von crashrelevantem Bauteilverhalten Giesserei 5 (2010) 34-42
  • Kohn, C.; Hug, M.; Kübler, R.; Krappitz, M.; Kleer, G., Increase of the strength of screen printed silicon solar cells by post treatments, in Proc. of 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition; WIP-Renewable Energies, München (2010) 2062-2065
  • Luke, M.; Varfolomeev, I., Ableitung von Inspektionsintervallen für Radsatzwellen auf Basis bruchmechanischer Methoden in Tagungsband DVM-Tag 2010 »Die Eisenbahn und ihre Werkstoffe – Neue Entwicklungen in der Bahntechnik« Mädler, K. (Hrsg.), Deutscher Verband für Materialforschung und –prüfung e.V., Berlin (2010)
  • Siegele, D.; Varfolomeev, I.; Hohe, J.; Hardenacke, V., Integrity assessment of a German PWR RPV considering loss of constraint, in Proc. of 2010 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, Kwon, Y. W.; Jin, T. E.; Hafner, R. S. (Eds.), American Society of Mechanical Engineers ASME, New York, USA (2010) CD-ROM PVP 2010-25615
  • Siegele, D.; Varfolomeev, I.; Hohe, J.; Hardenacke, V.; Nagel, G., Brittle failure assessment of RPV considering loss of constraint from transient LOCA conditions, in Proc. of International Symposium Fontevraud 7; Pradel, P.; Dubuisson, P. (Eds.), French Nuclear Energy Society, Paris, Frankreich (2010) CD-ROM
  • Siegele, D.; Varfolomeev, I.; Ivanov, D., Probabilistic failure assessment of nuclear piping components, in Proc. of 36th MPA-Seminar 2010, Roos, E. (Hrsg.), Staatliche Materialprüfungsanstalt, Stuttgart (2010) 32.1-32.17
  • Siegele, D.; Varfolomeev, I.; Pyttel, B., Bruchmechanische Fehlerbewertung mit Hilfe der FKM-Richtlinie – Fallbeispiele aus der industriellen Praxis, in Tagungsband FKM-Tagung Neue Entwicklungen für die Bauteilfestigkeitsnachweise, Berger, C.; Vormwald, M. (Hrsg.), Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V., Berlin (2010) 251-260
  • Varfolomeev, I.; Luke, M.; Moroz, S.; Burdack, M., Vergleichende Analysen zum zyklischen Rissfortschrittsverhalten im schwellenwertnahen Bereich in Tagungsband 42. Tagung DVM-Arbeitskreis Bruchvorgänge »Bruchmechanische Werkstoff- und Bauteilbewertung: Beanspruchungsanalyse, Prüfmethoden und Anwendungen«; Klingbeil, D. (Hrsg.), Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V., Berlin (2010) 41-49
  • Varfolomeev, I.; Luke, M.; Moroz, S., Experimental and numerical investigations of fatigue crack growth in various specimen geometries Procedia Engineering 2 (2010) 1829-1837
  • Vormwald, M.; Seeger, T.; Versch, C.; Siegele, D.; Leis, P., Weiterentwicklung des statischen Festigkeitsnachweises in Tagungsband FKM-Tagung Neue Entwicklungen für die Bauteilfestigkeitsnachweise, Berger, C.; Vormwald, M. (Hrsg.), Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V., Berlin (2010) 115-137

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  • Demiray, S.; Becker, W.; Hohe, J.: Investigation of the fatigue behavior of open cell foams by a micromechanical 3-D model, Materials Science and Engineering A 504, 1-2 (2009), 141-149,Volltext auf Publica
  • Hardenacke, V., Hohe, J.: Local probabilistic homogenization of two-dimensional model foams accounting for micro structural disorder, Int. J. Solids Struct. 46 (2009) 989-1006,Volltext auf Publica
  • Hohe, J.; Hardenacke, V.: Numerisches Design zur effizienten Entwicklung neuer Werkstoffe, in Chemie Ingenieur Technik 81, (2009), Nr.8, 1118, Volltext auf Publica
  • Krishnasamy, R.; Siegele, D.: 3D modelling of a multi pass dissimilar tube welding and post weld heat treatment of nickel based alloy and chromium steel, in Proc. of International Conference WELDS; Electric Power Research Institute, Palo Alto, USA (2009) CD-ROM ID #1020675
  • Luke, M.; Varfolomeev, I.: Fracture mechanics assesssment of crack propagation behaviour in railway axles, in Proc. of 8th Int. Conf. on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems; Bracciali, A. (Ed.), Firenze, Italien (2009) 521-525
  • Lütkepohl, K.; Esderts, A.; Luke, M.; Varfolomeev, I.: Sicherer und wirtschaftlicher Betrieb von Eisenbahnfahrwerken, in Tagungsband 10. Internationale Schienenfahrzeugtagung; Löffler, G., (Hrsg.), DVV Media Group GmbH, Hamburg (2009) 14-16; M 193/2010
  • Varfolomeev, I.; Luke, M.; Burdack, M.: Fatigue and fretting fatigue behaviour of a railway axle steel A4T, in Proc. of 8th Int. Conf. on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems, Bracciali, A. (Ed.), AB Editore, Firenze, Italien (2009) 539-542

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  • Hohe, J.; Brand, M.; Siegele, D.: Fracture analysis of cladded components considering residual stresses PAMM, Special Issue: 79th GAMM Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics 8/1 (2008) 10209-10210
  • Hohe, J., Brand, M., Siegele, D.: Behaviour of sub-clad and through-clad cracks under consideration of the residual stress field, Eng. Frac. Mech. (in press).
  • Hohe, J.; Hardenacke, V.: Numerical analysis of uncertainties in the effective material behaviour of disordered structural foams, in Proc. applied mathematics and mechanics, PAMM 7 (2007), 1, 4080013-4080014, Volltext auf Publica
  • Luke, M., Varfolomeyev, I., Lütkepohl, K., Esderts, A.: Fracture mechanics assessment of railway axles based on experimental and computational investigations, Proc. 17th European Conference on Fracture ECF17, 2-5 September 2008, Brno, pp. 1903-1910, 2008
  • Siegele, D., Varfolomeyev, I., Nagel, G.: Brittle failure assessment of a PWR-RPV for operating conditions and loss of coolant accident, Trans. ASME, J. Pressure Vessel Technol. 130, 031403-1-8, 2008
  • Varfolomeyev, I., Beukelmann, D.: Analytical solutions and tools for assessment of surface cracks in cylindrical components, ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference, July 27-31, 2008, Chicago, IL, Paper No. PVP2008-61566, 2008

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  • Böhme, W., Impact testing and crack arrest, in: Comprehensive Structural Intergrity (CSI), Mechanical Characterisation of Materials, Elsevier, Oxford, online-Handbook, Ed.: K.-H. Schwalbe, Volume 10.04, pp. 88-106 (2007)
  • Böhme, W.; Memhard, D.; Christlein, J.;Strating, A., T-Proben zur crashrelevanten Charakterisierung von Kehlnaht-geschweißten Bauteilen, Tagungsband "Werkstoffprüfung 2007" am 29./30. Nov. 2007, Neu-Ulm, Ed.: M. Pohl, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, S. 127-132 (2007)
  • Böhme, W., FAT-Richtlinie „Dynamische Werkstoffkennwerte für die Crashsimulation“, Zeitschrift Materialprüfung, Materials Testing, Carl Hanser Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hardenacke, V.; Hohe, J.: Local stochastic analysis of the effective material response of disordered two-dimensional model foams, in Proc. in applied mathematics and mechanics. PAMM 7 (2007) Nr. 1, 4080001-4080002, Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Hohe, J., Hebel, J., Friedmann, V., Siegele, D.: Probabilistic failure assessment of ferritic steels using the master curve approach including constraint effects, Eng. Frac. Mech. 74 (2007) 1274-1292.
  • Hohe, J., Brand, M., Siegele, D.: Behaviour of sub-clad and through-clad cracks under consideration of the residual stress field, Eng. Frac. Mech. (in press).

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