Reduktion von Entwicklungskosten durch bessere Berechnungsverfahren

Lebensdauerkonzepte und Thermomechanik

Komponenten in Verbrennungsmotoren, stationären Gasturbinen, Triebwerken, der Kraftwerkstechnik und dem Anlagenbau unterliegen im Betrieb hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen und oftmals langen Betriebsdauern. Wir unterstützen Hersteller und Betreiber thermomechanisch beanspruchter Komponenten bei der Optimierung und im Auslegungsprozess zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs.

Unsere Kernkompetenzen sind die Generierung, Analyse und digitale Verwaltung von Werkstoffdaten, die Entwicklung, Kalibrierung und Validierung von werkstoffmechanisch fundierten Modellen für Verformungs- und Lebensdaueranalysen sowie die Entwicklung innovativer Bewertungskonzepte und Softwaretools für thermomechanisch beanspruchte Komponenten.

In aktuellen und zukünftigen Forschungsvorhaben entwickeln wir unsere Methoden und Konzepte weiter, um sie zum Beispiel in Überwachungssysteme auf Basis realer Betriebsdatenströme integrieren oder Ausfallwahrscheinlichkeiten von Komponenten stochastisch bestimmen zu können. Wir sehen unseren Beitrag insbesondere in der Entwicklung von Werkstoffmodellen, die z.B. mit prozessbedingten Variationen mikrostruktureller Merkmale und Defekte umgehen können und darauf basierend Vorhersagen zur Schädigungsentwicklung und zur Ausfallwahrscheinlichkeit erlauben.

Leistungen

 

  • Werkstoffcharakterisierung von metallischen Werkstoffen unter thermischen und mechanischen Lasten bei Temperaturen von -180 °C bis über 1000 °C. Hierzu gehören insbesondere (C)LCF, TMF, überlagerte LCF/HCF- und TMF/HCF Versuche, hochzyklische Thermoschock-Versuche auch mit überlagerter niederzyklischer Ermüdungsbelastung und Kriechermüdungsversuche.
  • Durchführung von Rissfortschrittsversuchen unter isothermen und anisothermen Bedingungen mit der (Wechselstrom)Potenzialsonde und/oder optischen Methoden, Kurzrisswachstumsmessungen mit der Replika-Technik
  • Durchführung von Warmzug-, SSRT- und Druckversuchen, Relaxationsversuchen und (Kurzzeit)Kriechversuchen
  • Konzeption, Konstruktion, rechnerische Auslegung von speziellen Prüfaufbauten und komponentenähnlichen Prüfkörpern sowie Durchführung dieser Versuche.
  • Möglichkeit der Durchführung von Versuchen unter Schutzgas oder Hochvakuum
  • Aufklärung von Verformungs- und Schädigungsmechanismen in Knet-, Guss- und additiv gefertigten Legierungen
  • Anpassung von Verformungsmodellen für LCF, TMF, Kriechen und Kriechermüdung
  • Anpassung und Weiterentwicklung von Lebensdauermodellen für LCF, TMF, Kriechermüdung und Kriechen
  • Anpassung und Weiterentwicklung von Risswachstumsmodellen für isotherme, anisotherme und Kriechermüdungsbeanspruchung
  • Bereitstellung, Weiterentwicklung und Schulung in der Anwendung von Softwaretools zur Lebensdauerbewertung von Komponenten
  • Entwicklung von Wissensdatenbanken zu o.g. Experimenten und Modellen

 

Themen

 

Modelle für Anriss, Risswachstum und Lebensdauer

 

Thermomechanisch ermüdungsbeanspruchte Komponenten in Verbrennungsmotoren, thermischen Kraftwerken und Anlagen sowie stationären Gas- und Flugturbinen sind in der Regel mindestens lokal größeren plastischen Verformungen ausgesetzt, wodurch die Rissbildung eines mikrostrukturell kurzen Anrisses an und in Mikrostrukturmerkmalen (z.B. Ausscheidungen, Körnern,...

 

Lebensdauerkonzepte und Softwaretools zur Bewertung des Einsatzverhaltens von Komponenten


Die am Fraunhofer IWM entwickelten Verformungs- und Schädigungsmodelle wurden in die Berechnungssoftware ThoMat implementiert. Die Berechnungssoftware ThoMat steht gegenwärtig für die kommerziellen Finite-Elemente Programme ABAQUS und ANSYS für die thermomechanische Analyse...

 

Modelle für Wechselplastizität, zyklisches Kriechen und Alterung

 

Mit fortschrittlichen Verformungsmodellen lassen sich typische Werkstoffphänomene wie Verfestigung, Kriechen, Relaxation und Dehnrateneffekte beschreiben, wobei mikrostrukturelle Veränderungen und ihre Auswirkungen auf die Mechanik ebenfalls berücksichtigt werden können. Da sich diese Veränderungen im Werkstoff auf unterschiedlichen Zeitskalen abspielen...

Publikationen zum Thema Lebensdauerkonzepte, Thermomechanik

 

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