Risswachstum unter komplexen Beanspruchungen

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Strukturintegrität und Bruchmechanik

© 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.

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.

Sprechen Sie uns an! Gemeinsam finden wir eine maßgeschneiderte Lösung für Ihre Fragestellung.

Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM

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IWM Verb

 

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

 

 

 

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Eine Auswahl mess- und gerätetechnischer Highlights

 

  • Ausstattung zur Durchführung bruchmechanischer Charakterisierungsversuche (z.B. ASTM E399, E1820, E1921, E647) über große Kraft- und Temperaturbereiche
  • Dehnungsermittlung über Clip-Gauges oder Grauwertkorrelation zur flächenhaften Dehnungsmessung

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Auswirkungen von Materialschädigungen auf das Einsatzverhalten von Bauteilen

Themen

 

Strukturintegrität von beanspruchten Strukturen: Fortschrittliche nicht-lineare Methodik
 

Der bruchmechanische Nachweis nach dem Konzept des 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

 

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

 

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

 

Probabilistische Werkstoff- und Bauteilbewertung


Eine Bauteilbemessung wird in der ingenieurmäßigen Berechnungspraxis meist deterministisch mit den jeweils vorliegenden Werkstoffkennwerten und Belastungsszenarien durchgeführt. Die Lasten basieren dabei auf Erfahrungswerten, Messwerten oder Lastfallkatalogen, die alle möglichen Lastfälle abdecken sollen. Als Werkstoffkennwerte werden im Allgemeinen Mindestwerte aus Normen oder Messungen verwendet. Eine solche Vorgehensweise...

Publikationen zu den Themen Bruchmechanik und Strukturintegrität

 

Beiträge in Zeitschriften, Büchern und auf Konferenzen sowie Dissertationen und Projektberichte...