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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As elastic-plastic fatigue analyses are still time consuming the simplified elastic-plastic analysis (e.g. ASME Section III, NB 3228.5, the French RCC-M code, paragraphs B 3234.3, B 3234.5 and B3234.6 and the German KTA rule 3201.2, paragraph 7.8.4) is often applied. Besides linearly elastic analyses and factorial plasticity correction (Ke-factors) direct methods are an option. In fact, calculation effort and accuracy of results are growing in the following graded scheme: a) linearly elastic analysis along with Ke correction, b) direct methods for the determination of stabilized elastic-plastic strain ranges and c) incremental elastic-plastic methods for the determination of stabilized elastic-plastic strain ranges.
The paper concentrates on option b) by substantiating the practical applicability of the simplified theory of plastic zones STPZ (based on Zarka’s method) and – for comparison – the established Twice Yield method. Application relevant aspects are particularly addressed. Furthermore, the applicability of the STPZ for arbitrary load time histories in connection with an appropriate cycle counting method is discussed.
Note, that the STPZ is applicable both for the determination of (fatigue relevant) elastic-plastic strain ranges and (ratcheting relevant) locally accumulated strains. This paper concentrates on the performance of the method in terms of the determination of elastic-plastic strain ranges and fatigue usage factors. The additional performance in terms of locally accumulated strains and ratcheting will be discussed in a future publication.
Die Grundlagen der Vereinfachten Fließzonentheorie (VFZT) werden dargestellt. Für einige praxisnahe Beispiele aus dem Bereich der Kerntechnik wird die VFZT zur Ermittlung der Dehnschwingbreite und der akkumulierten Verzerrungen im Einspielzustand heran gezogen. Die Bewegungen des Spannungsbildvektors aufgrund veränderlicher Belastung werden anschaulich animiert im deviatorischen Hauptspannungsraum dargestellt. Die Entwicklung der Dehnungsakkumulation wird für zahlreiche Belastungszyklen im Spannungs-Dehnungs-Diagramm sowie im Dehnungshistogramm animiert dargestellt.
Die Implementierung der Zarka-Methode als User-Subroutine in ANSYS wird vorgestellt. Ihr Ausbau-Potential zur Erfassung temperaturabhängiger Streckgrenzen und die Praxisrelevanz hiervon in Hinblick auf die Abschätzung elastisch-plastischer Beanspruchungen in zyklisch belasteten Tragwerken werden aufgezeigt. Anhand zahlreicher Animationen wird für einen thermozyklisch belasteten Behälterstutzen das thermische und das Strukturverhalten veranschaulicht und die Qualität der Zarka-Methode im Vergleich zu einer inkrementellen Analyse dargestellt.
Die Zarka-Methode zur vereinfachten Berechnung elastisch-plastisch beanspruchter Tragwerke wird vorgestellt. Ihre historische Entwicklung und ihr theoretisches Fundament werden dargelegt. An einigen Beispielen (Lochscheibe, dickwandiger Zylinder unter Innendruck, Griffith-crack, Bree-Modell) wird die Notwendigkeit ihrer Weiterentwicklung belegt, aber auch ihr Potential zur Abschätzung sog. post-shakedown quantities mittels weniger linear elastischer Analysen.
Die theoretische Basis des vereinfachten Ermüdungsnachweises im deutschen, US-amerikanischen, französischen und japanischen kerntechnischen Regelwerk wird aufgezeigt. Insbesondere wird Kritik geübt am Faktor Ke. Mehrere alternative Berechnungsmethoden werden aufgezeigt (Hübel, Roche, Seshadri, Zarka). Die theoretische Basis des vereinfachten Ratcheting-Nachweises in den Regelwerken durch Begrenzung der Dehnungen wird kritisch gewürdigt, insbesondere die des Bree-Diagramms.
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.
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.
Life assessment of a structure subject to cyclic loading rests on quantifying strain accumulated prior to shakedown and the strain range experienced after plastic shakedown has been achieved. Few methods exist to predict these quantities. Zarka's method is one of these methods. It is evaluated by analyzing several examples of structures and comparing the quality of the results obtained and the numerical effort required with evolutive analyses by using a commercial Finite Element program.