FG Baustatik, Stahlbau, FEM
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In case of cyclic loading, strain may accumulate due to a ratcheting mechanism until the state of shakedown is possibly achieved. Design Codes frequently require strain limits to be satisfied at the end of the specified lifetime of the structure. However, this requirement is sometimes tied to misleading prerequisites, and little guidance is provided on how the strains accumulated in the state of shakedown can be calculated. Incremental elastic-plastic analyses which require to go step-by-step through many cycles of a given load histogram are rather costly in terms of engineering time and numerical effort. As an alternative, the Simplified Theory of Plastic Zones (STPZ) is used in the present paper. Being a direct method, effects from load history are disregarded. The theory is described shortly and exemplarily applied to a simplification of a pipe bend and a straight pipe, both subjected to combinations of several loads which vary independently from each other so that a multidimensional load domain is represented. It is shown that the Simplified Theory of Plastic Zones is well suited to provide reasonable estimates of strains accumulated in the state of elastic shakedown at the cost of few linear elastic analyses.
The Simplified Theory of Plastic Zones (STPZ) may be used to determine post-shakedown quantities such as strain ranges and accumulated strains at plastic or elastic shakedown. The principles of the method are summarized. Its practical applicability is shown by the example of a pipe bend subjected to constant internal pressure along with cyclic inplane bending or/and cyclic radial temperature gradient. The results are compared with incremental analyses performed step-by-step throughout the entire load history until the state of plastic shakedown is achieved.
The Simplified Theory of Plastic Zones (STPZ) may be used to determine post-shakedown quantities such as strain ranges and accumulated strains. The principles of the method are summarized succinctly and the practical applicability is shown by the example of a pipe bend subjected to internal pressure and cyclic in-plane bending.
Das Phänomen Ratcheting - Auswirkung plastischen Materialverhaltens bei ortsveränderlicher Belastung
(2017)
Bei Belastungsänderungen kann eine progressive Deformation (Ratcheting) auftreten, sobald plastische Beanspruchungen im Tragwerk existieren. Dann akkumulieren sich Dehnungen und Verformungen im Falle zyklischer Belastung in jedem Belastungszyklus. Dieser Vorgang begrenzt die Lebensdauer eines Tragwerks, ist aber unabhängig von einer eventuell ebenfalls auftretenden Ermüdungsschädigung als eigenständige mögliche Schadensursache zu betrachten. Bekannt als Auslöser von Ratcheting und in manchen Regelwerken bereits berücksichtigt sind Konfigurationen, bei denen ein Tragwerk mindestens zwei unterschiedlichen Belastungsarten unterworfen ist, nämlich einer konstanten Belastung (der Primärlast) und einer überlagerten zyklischen Belastung. Selbst wenn letztere klein ist und für sich alleine keine plastischen Deformationen hervorruft, kann sie durch Zusammenwirkung mit der Primärlast dennoch eine progressive Deformation in Gang setzen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein weiterer, Ratcheting erzeugender Mechanismus vorgestellt, der allein auf ortsveränderliche Wirkung einer einzelnen Lastgröße zurück zu führen ist. Im einfachsten Fall lässt sich dieser erklären durch die sukzessive Aktivierung von (gegebenenfalls unendlich vielen existierenden) Fließgelenken. Die Inkremente der Dehnungen und Verformungen können von Zyklus zu Zyklus ab- oder zunehmen, wenn die Verfestigung des Werkstoffs berücksichtigt wird, elastische Bettung vorliegt, die Formulierung des Gleichgewichts am verformten System erfolgt (Theorie II. Ordnung) oder die wahre Verformungsgeometrie (Theorie III. Ordnung) berücksichtigt wird.
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). 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es werden Ke,r-Faktoren als Dehnungserhöhungsfaktoren für vereinfachte elastisch-plastische Ermüdungsanalysen vorgeschlagen, die realistischer sind als in Regelwerken vorhandene Ke-Faktoren. Letztere dienen einer meistens konservativen Erfassung der auftretenden elasto-plastischen Dehnungen, sie sind aber weder physikalisch nachvollziehbar, noch werkstoffgerecht formuliert. Die bisher exemplarisch durchgeführten Verifikationsrechnungen belegen, dass die vorgeschlagenen realistischen Ke,r-Faktoren leicht bestimmbar sind und zudem ausreichend konservative Ergebnisse liefern. Somit liegt mit dieser neuen Methode ein beachtenswertes Potential vor, das jedoch noch durch weitere Verifikationsrechnungen abgesichert werden muss, bevor es in das KTA-Regelwerk eingebunden werden kann.