TY - THES A1 - Keller, Christian T1 - Beitrag zur numerischen Beanspruchungsanalyse an dünnwandigen Stahlblechcontainern im Fallversuch - Schädigungsmechanische Materialmodellierung duktiler Werkstoffe unter Berücksichtigung der Dehnratenabhängigkeit der plastischen Instabilität N2 - Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Bereitstellung expliziter numerischer Simulationen von Fallversuchen mit dünnwandigen Stahlblechcontainern, die als Endlagerbehälter für radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung, d. h. schwach- und mittelradioaktive Abfälle, für die Verbringung in das Endlager Konrad vorgesehen sind. Die Betrachtung von potentiellen Absturzszenarien ist ein grundlegender und zentraler Bestandteil der Sicherheitsnachweise zur Auslegung der verschiedenen endlagergängigen Behälter- und Containertypen gegen mechanische Störfallbelastungen. Für dünnwandige Stahlblechcontainer existierten bislang keine sicherheitstechnischen Untersuchungen, die auf numerischen Bewertungsmethoden basieren und eine Bewertung der vorhandenen Sicherheitsreserven hinsichtlich der mechanischen Integrität ermöglichen. Daraus resultierte die Motivation, ein verifiziertes Finite-Elemente-Modell eines repräsentativen Referenzcontainers zu entwickeln, das das dynamische Verformungs- sowie duktile Schädigungs- und Versagensverhalten in numerischen Simulationen von dynamischen Lastfällen physikalisch mit der erforderlichen Güte beschreibt. Duktile Schädigungs- und Versagensvorgänge metallischer Werkstoffe gehen grundsätzlich mit großen plastischen Dehnungen einher und führen somit unweigerlich zu der Notwendigkeit der Diskussion von plastischer Instabilität und damit verknüpften Lokalisierungseffekten, die einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des lokalen Beanspruchungszustands haben. Für die schädigungsmechanische Materialmodellierung folgt hieraus das grundsätzliche Erfordernis der korrekten Berücksichtigung des Instabilitätsbeginns, der in der Regel dehnratenunabhängig angenommen wird. Für dynamische Randbedingungen ist der werkstoffspezifische Einfluss der Dehnrate auf das Einsetzen der Lokalisierung jedoch nicht uneingeschränkt vernachlässigbar, so dass im Rahmen dieser Arbeit ein theoretischer Ansatz ausgearbeitet wird, der die plastische Instabilität dehnratenabhängiger Werkstoffe anhand des zeit- und ortsabhängigen Dehnungsgradienten im einachsigen Zugversuch diskutiert. Darüber hinaus ist für eine hinreichend genaue Materialmodellierung neben der korrekten Prognose des Instabilitätsbeginns auch die korrekte Beschreibung des Verformungsverhaltens jenseits der Gleichmaßdehnung notwendig. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit eine konstitutive Beziehung entwickelt, die sowohl unter Berücksichtigung der plastischen Instabilität als auch unter der Beachtung von ver- sowie entfestigenden Einflussfaktoren der dynamischen Plastizität formuliert werden kann. Insgesamt wird eine praxistaugliche Bewertungsmethode der mechanischen Integrität dünnwandiger Stahlblechcontainer unter Störfallbedingungen auf Basis expliziter dynamischer Simulationen erarbeitet, die die komplexen duktilen Schädigungs- und Versagensmechanismen dehnratenabhängiger Werkstoffe berücksichtigt. Mit der zur Simulation von Fallversuchen entwickelten numerischen Modellbildung und den zur Verifizierung entsprechend mit Testcontainern im Originalmaßstab durchgeführten Fallversuchen wird nachgewiesen, dass anhand des Finite-Elemente-Modells eines repräsentativen Referenzcontainers zum einen eine quantitativ belegte Bestimmung ungünstiger Fallorientierungen hinsichtlich maximaler Verformungen und zum anderen eine realistische Abbildung des duktilen Versagensverhaltens ermöglicht wird. Damit können tatsächlich vorhandene Sicherheitsreserven bei potentiell zu unterstellenden Behälterabstürzen quantitativ aufgezeigt und zukünftig eine verbesserte sicherheitstechnische Beurteilung von Stahlblechcontainern im Fallversuch bereitgestellt werden. Damit leistet die vorliegende Arbeit einen wichtigen Beitrag für die Bewertung von Sicherheitsnachweisen von Endlagerbehältern für radioaktive Abfälle und trägt dazu bei, den langfristigen Schutz von Mensch und Umwelt vor Schäden durch radioaktive Stoffe zu gewährleisten. N2 - The subject of the present work is the provision of explicit numerical simulations of drop tests with thin-walled sheet steel containers, which are intended as repository containers for radioactive waste with negligible heat generation, i.e. low and intermediate level waste, for shipment to the Konrad repository. The consideration of potential crash scenarios is a fundamental and central component of the safety analyses for the design of the various types of casks and containers suitable for final disposal against mechanical accident loads. For thin-walled sheet steel containers, no safety investigations based on numerical assessment methods existed so far that would allow an evaluation of the existing safety reserves with regard to mechanical integrity. This resulted in the motivation to develop a verified finite element model of a representative reference container that physically describes the dynamic deformation and ductile damage and failure behaviour in numerical simulations of dynamic load cases with the required quality. Ductile damage and failure processes of metallic materials are fundamentally accompanied by large plastic strains and thus inevitably lead to the need to discuss plastic instability and associated localisation effects, which have a significant influence on the development of the local stress state. For damage-mechanical material modelling this results in the fundamental requirement of correctly considering the onset of instability, which is usually assumed to be strain-rate independent. For dynamic boundary conditions, however, the material-specific influence of the strain rate on the onset of localisation cannot be neglected without restriction, so that a theoretical approach is elaborated within the scope of this work that discusses the plastic instability of strain-rate-dependent materials on the basis of the time- and location-dependent strain gradient in the uniaxial tensile test. Furthermore, for a sufficiently accurate material modelling, besides the correct prediction of the onset of instability, the correct description of the deformation behaviour in the postcritical region, i.e., beyond the uniform strain, is necessary. For this purpose, a constitutive relationship is developed in this work, which can be formulated both under consideration of the plastic instability as well as under consideration of hardening as well as softening influencing factors of the dynamic plasticity. Overall, a practical assessment method of the mechanical integrity of thin-walled sheet steel containers under accident conditions is developed based on explicit dynamic simulations, which takes into account the complex ductile damage and failure mechanisms of strain rate-dependent materials. With the numerical modelling developed for the simulation of drop tests and the drop tests carried out accordingly with full-scale test containers for verification, it is demonstrated that, on the basis of the finite element model of a representative reference container, on the one hand a quantitatively proven determination of unfavourable drop orientations with regard to maximum deformations and, on the other hand, a realistic representation of the ductile failure behaviour is made possible. This allows it to quantitatively demonstrate actually existing safety reserves in case of potential container crashes and to provide an improved safety assessment of sheet steel containers in drop tests in the future. This work thus makes an important contribution to the evaluation of safety verifications of final storage containers for radioactive waste and helps to ensure the long-term protection of humans and the environment from damage caused by radioactive substances. KW - FEM KW - Dynamische Plastizität KW - Plastische Instabilität KW - Duktile Schädigung KW - Endlager Konrad PY - 2024 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-21874 SP - 1 EP - 188 PB - DepositOnce CY - Berlin AN - OPUS4-61581 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Schlichting, Joachim T1 - Integrale Verfahren der aktiven Infrarotthermografie N2 - Die zerstörungsfreie Prüfung ist eine Aufgabe von großer Bedeutung, sowohl aus wirtschaftlicher Perspektive, als auch um die notwendige Sicherheit technischer Systeme gewährleisten zu können. Mit der Thermografie steht eine schnelle und berührungslose Prüftechnik zur Verfügung, die nicht zuletzt wegen der rapiden Entwicklung auf dem Gebiet der Infrarotkameras in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erfährt. Typischerweise werden thermografisch oberflächennahe, parallel zur Oberfläche ausgedehnte Defekte nachgewiesen. In dieser Arbeit werden zwei untypische Prüfprobleme gelöst. An Punktschweißverbindungen wird mit der Linsengröße eine Struktur in der Mitte der Probe mittels Blitzlichtthermografie indirekt vermessen. Hier können typische Fehlerbilder wie Klebverbindungen und Spritzer sicher erkannt werden, was statistisch abgesichert durch eine Serienmessung und den Vergleich mit zerstörender Prüfung gezeigt wird. Ein Beispiel für orthogonal zur Oberfläche orientierte Fehlstellen stellen Risse dar, wie sie beispielsweise in Schweißnähtenn häufig auftreten. Neben der Entwicklung eines Verfahrens zur Detektion von Rissen, welches auf kommerziell erhältlichen Geräten aufbaut, wurde in Experimenten und Finite-Elemente-Simulationen untersucht, inwieweit sich auch die geometrischen Eigenschaften bestimmen lassen. Mit einem Verfahren, das ebenso wie die Methode zur Prüfung der Schweißpunkte auf der Analyse zeitlich und räumlich integraler Größen basiert, die vom thermischen Widerstand abhängen, ist die gleichzeitige Bestimmung von Winkel und Tiefe möglich. N2 - Non-destructive evaluation is a task of utmost importance for both, the economic point of view and to guarantee the required safety and reliability of technical systems. Thermography is a fast and contactless technique which received continued attention not least through the significant price drop at the infrared camera market. It is typically used to detect near-surface defects which are expanded parallel to the surface. This thesis deals with two non-standard inspection tasks. With the weld lens diameter of spot welds, a feature in the sample's geometrical center is indirectly sized by ash thermography. The presented method is suitable to distinguish typical error classes like stick welds or expulsions. This fact is validated by statistical evaluations of thermographic and destructive test series. As an example for perpendicularly oriented imperfections, surface cracks are investigated, which can be a major problem at welding seams. A technique for detecting cracks entirely based on commercially available equipment is developed. In addition, the accessibility of geometric characteristics of cracks was examined by experiments and FEM-simulations. Similar to the method developed for assessing spot welds, an approach based on the analysis of spatial and temporal integral quantities which depend on the thermal resistance is used. In doing so, the simultaneous determination of crack angle and depth is possible. T3 - BAM Dissertationsreihe - 91 KW - Aktive Thermografie KW - FEM KW - Spot Welding KW - Cracks KW - Nondesstructive Evaluation KW - Active Thermography KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Punktschweißen KW - Risse KW - FEM PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-676 SN - 978-3-9815134-6-2 SN - 1613-4249 VL - 91 SP - 1 EP - 209 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-67 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -