FG Baustatik, Stahlbau, FEM
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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.
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.
Die Vereinfachte Fließzonentheorie dient der Berechnung der elastisch-plastischen Beanspruchungen einer Struktur infolge monotoner oder zyklischer Belastung auf der Basis der Zarka-Methode. Sie wurde bereits in den Vorhaben SR 2221, SR 2226 und in früheren Unteraufträgen zum Vorhaben SR 2298 vorgestellt und ihre Leistungsfähigkeit durch umfangreiche Beispielrechnungen relativ einfacher Strukturen mittels Handrechnung belegt. Für realistische und somit kompliziertere Konfigurationen von Bauteilgeometrie und Belastung ist dagegen eine Implementierung der Vereinfachten Fließzonentheorie in ein Finite-Elemente-Programm erforderlich. Dies setzt eine Anpassung der Theorie an diskrete anstelle kontinuierlicher Systeme voraus. Das anzuwendende Finite-Elemente-Programm muß bestimmte Anforderungen erfüllen, um eine Implementierung zu gestatten. Anhand beispielhafter Anwendungen wird gezeigt, dass die Vereinfachte Fließzonentheorie auch auf Finite-Elemente-Modelle anwendbar ist.
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 werden drei vereinfachte Methoden zur Berechnung elastisch-plastischer Dehnschwingbreiten infolge zyklischer Belastung von Komponenten der Kerntechnik vorgestellt. Es handelt sich um die Methoden von Roche, Seshadri und Zarka. Diese werden mit dem Faktor Ke des KTA-Regelwerks sowie dem im Vorhaben SR 2063 unterbreiteten Vorschlag zu seiner Modifikation verglichen. Die ihnen zugrunde liegenden Annahmen werden kritisch durchleuchtet. Ihre Anforderungen an das Werkstoffgesetz im plastischen Bereich sowie der erforderliche Berechnungsaufwand werden herausgestellt. Einfache Beispielrechnungen zeigen, durch Gegenüberstellung mit den exakten Werten, die erzielbare Genauigkeit.