FG Baustatik, Stahlbau, FEM
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Keywords
- Vereinfachte Fließzonentheorie (10)
- Zarka-Methode (7)
- KTA (6)
- Ratcheting (6)
- Dehnschwingbreite (5)
- Shakedown (4)
- Zarka's method (4)
- Ermüdung (3)
- shakedown (3)
- ANSYS (2)
Institute
BTU
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Es wird der Stand der Entwicklung der Vereinfachten Fließzonentheorie dargestellt, und wie die VFZT konform mit dem KTA-Regelwerk angewendet bzw. weiter ausgebaut werden könnte. Dies betrifft die Ermittlung des Faktors Ke für vereinfachte Ermüdungsanalysen sowie die Ratcheting-Nachweisführung, um erstmals bestehende Lücken im Regelwerk schließen zu können, weil die VFZT unabhängig ist von der speziellen Bauteilgeometrie und der Belastungsart.
Die Vereinfachte Fließzonentheorie beruht auf der Zarka-Methode und gestattet die näherungsweise Ermittlung der elastisch-plastischen Verzerrungen, Spannungen und Verformungen bei monotoner oder zyklischer Belastung. Bei zyklischer Belastung wird sofort der Einspielzustand berechnet, ohne das Belastungshistogramm Zyklus für Zyklus inkrementell durchrechnen zu müssen. Als Berechnungsaufwand fallen lediglich einige modifizierte linear elastische Analysen sowie „lokale“ Berechnungen an, so daß gegenüber den herkömmlichen inkrementellen Berechnungen nach der exakten Fließzonentheorie ein erheblicher Gewinn an Rechenzeit möglich ist. Bei einigen Beispielrechnungen wurde nur etwa 1/10.000 der Rechenzeit benötigt, um sowohl die Dehnungsschwingbreite (zur Ermittlung der Ermüdungsausnutzung) als auch die akkumulierten Verzerrungen (für einen Ratcheting-Nachweis) in guter Näherung abschätzen zu können. Die Vereinfachte Fließzonentheorie wurde mittels einer user-subroutine und einigen Makros in ANSYS implementiert. Es werden die Grundlagen der Vereinfachten Fließzonentheorie dargestellt, ihre Implementierung in ANSYS und einige Beispielrechnungen.
Es wird die Vereinfachte Fließzonentheorie als Weiterentwicklung der Zarka-Methode vorgestellt sowie ihre Implementierung in das FE-Programm ANSYS. Anwendungsbeispiele belegen die gute Ergebnisqualität bei gleichzeitig geringem Berechnungsaufwand für die Ermittlung der plastischen Dehnschwingbreite und der akkumulierten plastischen Verzerrungen bei zyklischer Belastung.
Die Vereinfachte Fließzonentheorie gestattet bei zyklischer Belastung die näherungsweise Ermittlung der elastisch-plastischen Dehnungsschwingbreite und der durch einen Ratcheting-Mechanismus akkumulierten Verzerrungen sowie aller daraus ableitbaren Größen wie etwa Verformungen im elastischen und plastischen Einspielzustand. Sie beruht auf der Zarka-Methode. Im Gegensatz zu den in den technischen Regelwerken der Anlagentechnik zugelassenen vereinfachten Berechnungsmethoden (wie etwa die Anwendung des Faktors Ke) kann sie neben der Werkstoffverfestigung auch den Einfluß der individuellen Konfiguration von Bauteilgeometrie und Belastungsart auf das plastische Verhalten der Struktur erfassen. Sie ist gleichermaßen geeignet, globale Struktureffekte, lokale Kerbeffekte und Einflüsse aus der unterschiedlichen Querdehnungszahl im Elastischen und im Plastischen zu berücksichtigen. Als Berechnungsaufwand fallen lediglich einige modifizierte linear elastische Analysen sowie „lokale“ Berechnungen an. Eine Reihe von Beispielen zeigt, daß sowohl die Dehnungsschwingbreite als auch die akkumulierten Verzerrungen mit geringem Berechnungsaufwand in guter Näherung abgeschätzt werden können.
Es wird eine vereinfachte Fließzonentheorie vorgestellt, mit der das plastische Verhalten eines Tragwerks berechnet werden kann. Sie lässt sich nicht nur auf Stabwerke, sondern auch auf Flächentragwerke unter beliebiger Belastung anwenden. Das zugrunde gelegte Werkstoffgesetz ist bilinear, wodurch Verfestigung erfasst werden kann. Die Theorie beruht auf dem Konzept transformierter interner Variabler nach Zarka, mit dem das plastische Problem in ein geeignet formuliertes elastisches Problem überführt wird. Damit fällt oft nur eine weitere elastizitätstheoretische Berechnung an mit modifizierten elastischen Werkstoffparametern und mit (in Form von Anfangsdehnungen) modifizierter Belastung. Das Ergebnis kann gegebenenfalls iterativ verbessert werden, bis das "exakte" Ergebnis erreicht ist. Mehrere Beispiele erläutern die Methode.
Es wird auf die historische Entwicklung der Zarka-Methode zur vereinfachten Abschätzuung elastisch-plastischer Beanspruchungen in Tragwerken zurück geblickt, auf ihre theoretischen Grundlagen, auf gute sowie schlechte Anwendungserfahrungen. Es erfolgt ein Ausblick auf die Vereinfachte Fließzonentheorie.
Use of Zarka's Method at FHL
(2003)
Es wird ein historischer Abriss der Zarka-Methode gegeben. Ihre Vor- und Nachteile bei der Ermittlung der Strukturantwort monoton oder zyklisch überelastisch beanspruchter Tragwerken werden abgewogen. Erweiterungen, Verbesserungen und Spezialisierungen in Hinblick auf die Vereinfachte Fließzonentheorie werden erläutert und beispielhaft angewendet (thermal stratification, cylindrical shell under axial temperature step). Anforderungen an die Implementierung in eine FE-Umgebung mittels Makros und User-subroutines werden aufgeführt. Ergebnisse eines gemeinsam mit der CUT durchgeführten Benchmarks (Hertz-contact, Bree-tube) werden vorgestellt.
If a mechanical structure is to be designed for operation under cyclic loading, primarily two kinds of failure must be guarded against: (1) low cycle fatigue which may occur due to strains cycling between two states (controlled by the strain range exceeding twice the yield limit);
(2) ductility exhaustion which may occur due to accumulating strain from one load cycle to another.
These two kinds of failure are local failure modes so that strains need to be calculated and then assessed by comparison with code allowables such as the 1%, 2% and 5% strain limits set by the ASME nuclear codes. Elastic-plastic strains can be calculated by incremental (or step-by-step or evolutive) analyses. Unfortunately, this can be extremely costly if thousands of cycles are required to achieve shakedown. Therefore, simplified elastic-plastic analysis methods are desired allowing to obtain specific information at reduced effort, nevertheless accounting for the main features controlling strain such as kinematic hardening. Zarka’s method, early versions of which are available since twenty years, appears promising to provide both strain ranges and accumulated strains in the saturated cycle, i.e. after shakedown has been achieved. However, several attempts to use this method in the nuclear industry failed to qualify the method as a reliable analysis tool. This was due to several reasons:
(1) the publications describing the method were written in a highly scientific language the design engineers in industry were not familiar with;
(2) in some cases Zarka’s method provided excellent results (compared with incremental analyses), but bad ones in others.
Nevertheless, there remained some interest to uncover the potential of this method. For that purpose some calculations are performed for simple configurations of structure and loading (so that the structural response can be interpreted relatively easily). More insight into the performance of the method may thus be gained in terms of computational steps to be followed, the numerical effort required, the quality of the results obtained, and the sensibility with respect to material data and load level.
The basic idea of Zarka's method is to redefine the elastic-plastic problem by an equivalent elastic problem with suitably defined modified elastic material parameters and initial strains. This requires estimating (and iteratively improving) the geometry of the plastic zone and of transformed internal variables. A particular class of material models is admitted, the simplest of which is the linear kinematic hardening model.