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- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (358)
The prevention of brittle fracture of spent fuel claddings during long-term dry interim storage is based on experimental investigations, numerical analyses and assessment methods for predicting the mechanical behavior and determining limiting conditions. The ring compression test (RCT) is an established experimental method for characterizing cladding material. Test results for various high-burnup pressure water reactor zirconium-based fuel cladding alloys (e.g., ZIRLO®, M5®) are publicly available. To reduce the effort associated with irradiated samples in hot cells, it is helpful to perform studies on unirradiated surrogate cladding material. Based on such experimental data, load-displacement curves were numerically analyzed for selected cladding materials. In the presence of radial hydrides, a sample may suddenly fail by fracture even at small deformations. Noticeable load drops in the RCT occur associated to unstable crack propagation through the radial hydride network. The failure mechanism is quasi-cleavage in the hydrides and micro-void nucleation, growth, and coalescence in the zirconium matrix, with ductile tearing patches connecting neighboring hydrides. The failure process was simulated by cohesive zones controlled by the fracture energy and the cohesive strength. A modeling approach is presented in which the radial hydride morphology is taken into account. Based on the developed fracture mechanics approach with cohesive zone modeling, not only the deformation behavior but also the failure behavior of irradiated as well as unirradiated claddings with radial hydrides under RCT loading conditions can be adequately described.
Task 3 of Work package 8 (Spent Fuel Characterization) of the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of the work is to understand and describe the be-haviour of spent nuclear fuel (SNF), irradiated cladding, fuel/cladding chemical interaction (FCCI) and ageing under conditions of extended interim storage, transportation and em-placement in a final disposal system. BAM contributes to the project as partner and leads Task 3. The presentation gives an overview of the project status, main achievements in experimental work and modelling studies, deviations from the plan, delays and challenges ahead.
The European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) is working on Spent Fuel Characterization (SFC) in its work package (WP) 8. Inspired by the EURAD activities, the International Atomic Energy Agency (IAEA) established an international Coordinated Research Project (CRP) on SFC. The EURAD WP SFC
participants are collaborating as a team on the IAEA CRP on SFC. The EURAD WP SFC project consists of four tasks. Task 3 investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of these activities is to understand and describe the evolution of the cladding-pellet system and its ageing under conditions of extended interim storage, transportation and emplacement in a final disposal system. At a Consultancy Meeting, BAM as contributor to Task 3 presented current results of the failure analysis of irradiated ZIRLO® claddings under conditions of the Ring Compression Test.
Es wird über die Weiterentwicklung des ASME (American Society of Mechanical Engineers) – Regelwerks berichtet. Relevant für das Design von Behältern ist ASME BPVC (ASME Boiler and Pressure Vessel Code) Section III Division 3. In den ASME BPVC in der Fassung von 2015 wurden dehnungsbasierte Bewertungskriterien aufgenommen. Eine dehnungsbasierte Bewertung erfordert die genaue Kenntnis der aufgetretenen Dehnungen, d.h. speziell möglichst genaue numerische Berechnungen der Behälterbeanspruchungsszenarien. Daher sind regulatorische Vorgaben notwendig für die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung numerischer Simulationen. In einer Arbeitsgruppe (ASME Special Working Group on Computational Modeling for Explicit Dynamics) werden dazu Leitlinien für die Anwendung numerischer Berechnungsverfahren entwickelt. Im Vortrag werden diese Leitlinien vorgestellt.
Influence of impact angle and real target properties on drop test results of cubic containers
(2017)
Drop test scenarios with cubic containers without impact limiters at interim storage sites or in a final repository have been investigated by numerical simulations. An ideally flat drop is impossible to conduct as a free fall of a container even under laboratory conditions. Dynamic stresses and strains inside the container structure are sensitive to the impact angle. Even very small impact angles cause remarkable changes in the experimental or numerical results when a flat bottom or wall of a container hits a flat target. For drop tests with transport packages the International Atomic Energy Agency (IAEA) regulations define an essentially unyielding target. In contrast, potential accident scenarios for storage containers are derived from site-specific safety analyses or acceptance criteria in Germany. Each interim storage site or repository has a yielding or so-called real target with individual structural and material properties. The real target acts as a kind of impact limiter. A more conservative container design is required if the impact limiting effect of the target is not considered.
Long-term dry interim storage may adversely affect the mechanical properties of spent fuel rods, possibly resulting in a reduced resilience during handling or transport after storage. The cladding is the first barrier for the spent fuel pellets. An established method for characterising the cladding material is the ring compression test (RCT), in which a small, cylindrical sample of the cladding tube is subjected to a compressive load. Radial hydrides may precipitate in zirconium-based alloys (Zircaloy) under pre-storage drying and during slow cooling, which result in embrittlement of the cladding material and eventually a possible sudden failure of cladding integrity under additional mechanical loads. The focus of the presented research is on the development of appropriate nu-merical methods for predicting the mechanical behaviour and identification of limiting conditions to prevent brittle fracture of Zircaloy claddings. A modelling approach based on cohesive zones is ex-plained which is able to reproduce the propagation of cracks initiated at radial hydrides in the zir-conium matrix. The developed methods are applied to defueled samples of cladding alloy ZIRLO®, which were subjected to a thermo-mechanical treatment to reorient existing circumferential hy-drides to radial hydrides. A selected sample showing sudden load drops during a quasi-static ring compression test is analysed by means of fracture mechanics for illustrative purposes. Based on the developed fracture mechanics approach, not only the deformation behaviour but also the fail-ure behaviour of irradiated as well as unirradiated Zircaloy claddings with radial hydrides under RCT loading conditions can be adequately described.
The European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) is working on Spent Fuel Characterization (SFC) in its work package (WP) 8. Inspired by the EURAD activities, the International Atomic Energy Agency (IAEA) established an international Coordinated Research Project (CRP) on SFC. The EURAD WP SFC participants are collaborating as a team on the IAEA CRP on SFC. The EURAD WP SFC project consists of four tasks. Task 3 investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of these activities is to understand and describe the evolution of the cladding-pellet system and its ageing under conditions of extended interim storage, transportation and emplacement in a final disposal system. At the Third Research Coordination Meeting on Spent Fuel Characterization, BAM as contributor to Task 3 reported on the activities and status of its research work.
Brittle Failure Limits of Spent Fuel Claddings Subjected to Long-Term Dry Interim Storage Conditions
(2024)
The mechanical properties of spent fuel claddings can be adversely affected under the conditions of long-term dry interim storage, so that the failure limits may be reached in case of mechanical loads during handling or transport after storage. Pre-storage drying and the early stage of interim storage can expose the cladding to higher temperatures and higher tensile hoop stresses than those associated with in-reactor operation and pool storage. During slow cooling of a cladding tube under internal pressure, radial hydrides may precipitate in zirconium-based cladding alloys. This can lead to embrittlement of the material and sudden failure of the cladding integrity under mechanical stress. In order to prevent brittle failure, numerical methods are being developed to predict the mechanical behaviour and identify limiting conditions. Experimental investigations, numerical analyses and evaluation methods are discussed.
An established experimental method for characterising cladding materials is the Ring Compression Test (RCT). Some test results on irradiated cladding tubes after operation in pressure water reactors are publicly available. However, it is helpful to carry out studies on unirradiated surrogate claddings with similar material properties to reduce the effort associated with irradiated samples in hot cells and to perform material tests with a wider range of parameters. On the basis of such experimental data, load-displacement curves have been numerically analysed for a selection of cladding materials.
Radial hydrides can cause a sample to break suddenly due to fracture even at low deformation. Noticeable load drops in the RCT are caused by unstable crack propagation through the radial hydride network. The failure mechanism is quasi-cleavage in the hydrides and micro-void nucleation, growth, and coalescence in the zirconium matrix, with ductile tearing patches connecting adjacent hydrides. The cohesive zone approach was used to simulate the failure process taking into account the radial hydride morphology.
The developed method can adequately describe both the deformation and failure behaviour of irradiated as well as unirradiated claddings of zirconium-based alloys with radial hydrides under RCT conditions. Limiting conditions can be expressed in terms of fracture energy and cohesive strength.
The European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) is working on Spent Fuel Characterization (SFC) in its work package (WP) 8. Inspired by the EURAD activities, the International Atomic Energy Agency (IAEA) established an international Coordinated Research Project (CRP) on SFC. The EURAD WP SFC participants are collaborating as a team on the IAEA CRP on SFC. The EURAD WP SFC project consists of four tasks. Task 3 investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of these activities is to understand and describe the evolution of the cladding-pellet system and its ageing under conditions of extended interim storage, transportation and emplacement in a final disposal system. At the Second Research Coordination Meeting on Spent Fuel Characterization, BAM as leader of Task 3 reported on the status of the research work.
Task 3 of Work package 8 (Spent Fuel Characterization) of the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of the work is to understand and describe the behaviour of spent nuclear fuel (SNF), irradiated cladding, fuel/cladding chemical interaction (FCCI) and ageing under conditions of extended interim storage, transportation and emplacement in a final disposal system. BAM contributes to the project as partner and leads Task 3. The presentation gives an overview of the project status, main achievements in experimental work and modelling studies, deviations from the plan, delays and challenges ahead.
Embrittlement of spent fuel claddings during long-term dry interim storage - Current approach at BAM
(2019)
The integrity of fuel rods and cladding tubes must be demonstrated throughout the dry interim storage of spent nuclear fuel in Germany. For at least a relevant number of casks, an extension of interim storage between 40 and 100 years is foreseeable. The drying procedure for the fuel rods in conjunction with the thermomechanical storage conditions may change the microstructure of the cladding tubes and lead to their possible embrittlement. The failure probability might increase under mechanical load by handling procedures (transport after storage) on potentially embrittled cladding tubes of fuel rods especially at low temperatures after long-term storage. Results of ring compression tests on unirradiated pre-hydrided as well as irradiated samples with radial hydrides are investigated by finite element analyses to be able to describe the failure process and to identify failure criteria.
In order to demonstrate the safety of both spent fuel and the storage system, a good understanding of the processes that might cause deterioration is required. The International Atomic Energy Agency (IAEA) continued the coordinated research on Spent Fuel Performance Assessment and Research (SPAR) into a fourth phase starting in 2015 to evaluate fuel and materials performance under wet and dry storage and to assess the impact of interim storage on associated spent fuel management activities (such as handling and transport). BAM’s understanding and experiences in the field of long-term storage of spent fuel and especially spent fuel characterization are presented to assist the preparation of the final project report.
The characterization of spent fuel and radioactive waste is essential in the evaluation of the ability of these materials to meet acceptance criteria. Prior to determining a method for spent fuel characterization, it is necessary to identify the type of data required to support safety and other analyses for the storage, transportation and final disposal of spent fuel. BAM’s understanding and capabilities in the field of spent fuel characterization are presented for the scope of a coordinated research project on the topic.
The European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) deals in work package (WP) 8 with Spent Fuel Characterization (SFC). Inspired by the EURAD activities, an international Coordinated Research Project (CRP) on SFC was established by the International Atomic Energy Agency (IAEA). The EURAD WP SFC participants are collaborating as a team on the IAEA CRP on SFC. The EURAD WP SFC project is divided into four tasks. Task 3 investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of these activities is to understand and describe the evolution of the cladding-pellet system and its ageing under conditions of extended interim storage, transportation and emplacement in a final disposal system. During an IAEA consultancy meeting, BAM as leader of Task 3 reported on the current status of the research work.
Embrittlement of spent fuel claddings during long-term dry interim storage - Current approach at BAM
(2019)
In this presentation, the actual situation of long-term dry interim storage of spent nuclear fuel in Germany is reported. An extension of the interim storage period between 40 and 100 years for at least a relevant number of casks is foreseeable. To demonstrate the integrity of fuel rods and cladding tubes throughout the extended dry interim storage, a potential cladding embrittlement should be investigated. The current approach at BAM is a research project on experimental and numerical investigations of sudden failure of unirradiated pre-hydrided cladding tubes after hydride reorientation at small deformation under Ring Compression Test conditions. A fracture mechanics based failure analysis and suggested failure criteria for a potential brittle failure of spent fuel claddings after long-term dry interim storage under mechanical loads are discussed.
The current research project BRUZL (Fracture mechanical analysis of spent fuel claddings during long-term dry interim storage) is presented. General aim of the project is the development of methods for risk assessment and identification of boundary conditions to prevent potential sudden brittle failure of spent fuel claddings at small deformation during long-term dry interim storage and subsequent transportation. The project is funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) under contract no. 1501561.
The safety evaluation of cask components made of ductile cast iron includes investigations to prevent brittle fracture. Generally, ductile cast iron is endangered by brittle fracture especially at low temperatures (down to -40°C) and in combination with existing crack-like material defects. An applicable method is the assessment of fracture resistance using fracture mechanics according to the IAEA guidelines. The approach is based on the prevention of fracture initiation. For application of these principles for drop loads, account must be taken both of dynamic stresses within the component and dynamic material behavior. Basically, the dynamic stress intensity factor of postulated pre-existing crack-like defects is compared with the dynamic fracture toughness of the material. Applicable numerical and experimental methods for the safety assessment of cask components are demonstrated for the case of an artificially pre-cracked cylindrical cast iron cask which undergoes dynamic loading conditions as result of the hard impact between the cask and a concrete target. The proposed evaluation procedure is a combination of numerical and experimental steps. Exemplarily, the calculated stress intensity factor is compared with measured fracture toughness values from single edge notched bending specimens.
A reliable finite element analysis presupposes a qualified model of the object to be analyzed. The finite element mesh density may significantly vary throughout a model. A transition between dissimilar meshes can be accomplished by a gradual change of element size or by an interface with constraint conditions. Some issues may arise from such mesh transitions. Generally, a finer mesh can transmit signals of higher frequency than a coarser mesh. Stress wave propagation through the model could be affected by the transition region or the artificially induced interface. Stress waves generated within the fine mesh could be partly encapsulated by the surrounding coarse mesh. Therefore poor mesh transitions could result in reflections or shape changes of stress waves. A thin rod is investigated to demonstrate the effects.
This study supports the development of the ASME Guidance Document "Use of Explicit Finite Element Analysis for the Evaluation of Nuclear Transport and Storage Packages in Energy-Limited Impact Events".
The Fatigue Crack Propagation threshold as a design criterion - actual developments and open issues
(2014)
Starting from an introduction into important Basic questions of failure analysis and fracture mechanics, the author specifies what kind of questions in failure analysis can be effectively solved by fracture mechanics (and which can't). He illustrates his discussion with a number of case studies. Much more pronounced than in the design stage the benefit of fracture mechanics in failure analysis depends on ist accuracy. This is limited by both, intrinsic factors of the method and the availability and quality of the input information. The author discusses the various aspects and provides the participants with background information helpful for better understanding the prospects and limitations of fracture mechanics in failure analysis and the conditions of its application.
Bruchmechanik: Konzepte, Kennwertermittlung, Bauteilbewertung. Kurzeinführung Betriebsfestigkeit
(2015)
The idea to determine the fatigue strength of weldments by means fractuie mechanics was originally based on the empirical observation that the major portion of the fatigue life in weldments is frequently spent in crack propagation. The present paper gives a brief OverView on the basic principles of fracture mechanics-based determination of fatigue strength and on special features which have to be considered for weldments. Based on this Information, the ongoing research project IBESS is introduced and briefly reviewed.
Unterschiedliche Werkstoffeigenschaften reagieren auf jeweils spezifische Weise auf Gittertyp, Gefüge und Defekte. Für die schadenstolerante Betrachtung von Werkstoff und Bauteil ist das Verständnis dieser Zusammenhänge essentiell. Der Beitrag gibt mit Hinblick auf additiv gefertigte metallische Bauteile(Selective Laser Melting) einen kurzen, keineswegs vollständigen Überblick über Faktoren, die die Steifigkeit, Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Ermüdungsrissausbreitung und Schwingfestigkeit beeinflussen. Es wird aufgezeigt, wie die bruchmechanische Betrachtung zur Quantifizierung der Zusammenhänge beitragen kann
The paper provides an overview on the results of a German cluster project on the use of fracture mechanics to the determination of the fatigue strength of weldments with fatigue cracks originating at the weld toes. The approach includes (a) a concept for short crack propagation for which the common K concept is not applicable and the crack closure effects are still being gradually build-up, (b) a method for determining fatigue life relevant initial crack sizes as they are needed in any fracture mechanics analysis and (c) multiple cracking and crack coalescence at load levels higher than the endurance limit. The analyses are stochastically performed. Both, the endurance limit as defined for 107 loading cycles and the finite life branch of the S-N curve are determined.
Besides a brief introduction into the approach, a wide range of validation examples is presented. These comprise different weldment types (butt welds, cross joints and longitudinal stiffened plates), two steels of quite different strengths, different weld geometries due to different welding techniques (TIG, MAG), as-welded and stress relieved welds and different stress ratios varying from R = -1 to R = 0.5.
Um bruchmechanisch Schwingfestigkeiten ermitteln zu können, sind einige Voraussetzungen erforderlich:
(a) Das Wachstum sowohl langer als auch mechanisch und physikalisch kurzer Risse muss adäquat beschrieben werden. Das erfordert die Anwendung elastisch plastischer Konzepte zur Beschreibung der zyklischen Rissspitzenbeanspruchung sowie die Modellierung des graduellen Aufbaus der Rissschließeffekte im Kurzrissbereich.
(b) Es müssen physikalisch sinnvolle Ausgangsrissgrößen für die bruchmechanische Analyse bestimmt werden.
(c) Bei Spannungen oberhalb der Dauerfestigkeit respektive der Versagensspannung bei 107 Lastwechseln muss gegebenenfalls Mehrfachrisswachstum berücksichtigt werden. Der Vortrag diskutiert diese Punkte und zeigt Lösungswege auf.
The presentation provides a brief overview on results obtained in the context of fracture mechanics based flaw assessment particularly in the context of short crack propagation. Background is the planned updating of international fitness-for-service procedures such as BS 7910. Specific topics addressed are the determination of the cyclic elastic-plastic crack driving force, the description of the gradual build-up of the crack closure phenomenon at the short crack stage, cyclic R curve analysis and residual stresses.
Der Vortrag bietet eine Übersicht über die im Rahmen des IBESS-Projektes entwickelte Methodik zur bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen. Schwerpunkte sind die Beschreibung des Wachstums kurzer Risse, die mit den klassischen linear-elastischen Bruchmechanik-Konzepten nicht möglich ist, die Ermittlung einer physikalisch sinnvollen Ausgangsrissgröße für das Bruchmechanik-Modell, die Ermittlung der Bauteildauerfestigkeit und des Zeitfestigkeitsastes diverser Schweißnahtgeometrien und eine Diskussion der Eigenspannungsproblematik. Die Ergebnisse werden mittels Validierungsbespielen illustriert.
Damage development and damage tolerance of structures manufactured by selective laser melting
(2017)
The additive manufacturing technology of Selective Laser Melting (SLM) experiences a rapid development within an increasing marked of quite different application fields. The properties of SLM materials and structures are influenced by a number of tech-nological parameters such as the metal powder (particle size, homogeneity, cleanliness), the laser tool (power, beam diameter, pulse lengths), the scanning operation (speed, sequence and orientation of melting paths), parameters of the over-all equipment (design and preheating of the base plate, currents and turbulence in the protective gas atmosphere) and, last not least, the hatching strategy including the build-up direction of the structure with respect to the loading direction of the component.
For the perspective use of SLM structures as load carrying, safety-relevant components the knowledge of their mechanical properties is necessary. It is essential to understand these in the context of the manufacturing-related features and at the back-ground of the basic characteristics of metallic materials: crystal lattice, microstructure and material defects. The paper provides an overview on factors which affect the mechanical parameters stiffness, strength, ductility, toughness, fatigue crack propagation and fatigue strength in the context of selective laser melting.
Ein Defekt ist „eine Imperfektion …, für die in einer quantitativen Analyse gezeigt werden kann, dass sie Versagen verursacht hat, welches ohne die Imperfektion nicht aufgetreten wäre“. Defekte in diesem Sinn können einerseits Werkstoffimperfektionen wie nichtmetallische Einschlüsse, Poren und Porennester, Nichtdurchschweißungen oder Bereiche defekter Mikrostruktur, andererseits unbeabsichtige geometrische Imperfektionen wie Kratzer, Eindrücke, Korrosionsgrübchen, Einbrandkerben, zu große Oberflächenrauheit u.a. sein. Sie können in der Fertigung, im Betrieb oder auch bei der Wartung entstehen. Nicht jede Imperfektion ist ein Defekt im oben genannten Sinn. Entscheidend ist zumeist nicht, dass an ihr ein oder mehrere Risse initiiert werden, sondern dass wenigstens ein Riss wachstumsfähig bleibt und so innerhalb der projektierten Lebensdauer zum Bruch oder anderweitigem Versagen führt. Aufgrund des begrenzten Umfangs bleibt die vorliegen-de Übersicht beschränkt.
Unter der zyklischen R-Kurve versteht man die Abhängigkeit des Schwellenwertes gegen Ermüdungsrissausbreitung von der Risstiefe im Kurzrissbereich. Bei Spannungsverhältnissen R = omin/omax < ca. 0,7 erhöht sich der Schwellenwert AKltl ausgehend von einer intrinsischen, werkstoffspezifischen Untergrenze mit zunehmender Risstiefe, bis er einen risslängenunabhängigen Wert erreicht.
Ursache ist der graduelle Aufbau unterschiedlicher Rissschließeffekte. Die besondere Bedeutung des Kurzrisswachtums allgemein und der zyklischen R-Kurve speziell besteht darin, dass sie ein physikalisches Bindeglied zwischen der konventionellen Schwingfestigkeit (Wöhlerkurve) und der Bruchmechanik repräsentieren. Der Beitrag befasst sich sowohl mit der experimentellen Ermittlung der zyklischen R-Kurve als auch mit ihrer Anwendung auf Rissarrest im Zusammenhang mit Schwingfestigkeitsbetrachtungen.
Die experimentelle Ermittlung der zyklischen R-Kurve erfordert einen experimentellen Aufwand, der deutlich über den der Langrissbruchmechanik hinausgeht. Insbesondere im Anfangsbereich ist eine sehr genaue Messung der Risstiefe erforderlich, was eine Verbesserung etwa der konventionellen Potentialmethode erforderlich macht. Von wesentlicher Bedeutung ist auch, dass der Ausgangsriss vor
Beginn des eigentlichen Versuchs keine Rissschließeffekte gesehen haben darf. Realisiert wird das durch eine vorgeschaltete Phase von sog. „Compression Pre-cracking“, d.h. durch Anschwingen komplett im Druckbereich.
The Topic of the presentationis a discussion on defects which can cause failure in cyclically loaded metallic components. Although also touching Features such as material defects such as pores or micro-shrinkages, etc. and geometric defects such as surface roughness and secondary notches (which are not considered in the design process) which origin in manufacturing, and others the presentation concentrates on non-metallic inclusions. It is prefaced by an introduction to the life cycle of a fatigue crack from initiation up to fracture. Special emphasis is put on the fact that only cracks which are not arrested during one of their distinct Propagation stages can grow to a critical size.
Die Präsentation diskutiert Besonderheiten von Schweißnähten bei der Bestimmung der Zähigkeit bei monotoner Belastung, bei der Ermittlung des zyklischen Rissfortschritts und bei der Ermittlung der Gesamtlebensdauer/Schwingfestigkeit mittels moderner bruchmechanischer Methoden. Besonderes Augenmerk liegt auf der Inhomogenität des Werkstoffs in den einzelnen Nahtbereichen, die sich statistisch (stochastische Verteilung von Gefügeschwachstellen) und systematisch (Effekte von Festigkeits-Mismatch) auswirkt. Als weiterer Faktor kommen Schweißeigenspannungen hinzu, bei denen für die bruchmechanische Analyse eine Fallunterscheidung in primäre und sekundäre Eigenspannungen vorgenommen werden muss. Diskstiert werden die Konsequenzen für die Zähigkeitsermittlung und die Bauteilbewertung.
The presentation provides a discussion and damage tolerant assessment of metallic AM components. In the focus are problems of the determination of representative material data, the effect of material defects and residual stresses. Starting with the actual state-of-the-art in the field, options and possibilities of a damage tolerant design for AM are discussed.
Der Vortrag behandelt in grundsätzlicher weise die Anwendung bruchmechanischer Methoden auf die rechnerische Ermittlung der Wöhlerkurve. Dabei werden die Besonderheiten des Kurzrisswachstums (Notwendigkeit der elastisch-plastischen Beschreibung der zyklischen Rissspitzenbelastung, gradueller Aufbau des Rissschlißphänomens) ebenso diskutiert wie das Problem des Mehrfachrissewachstums und Rissarrest. Die Ausführungen werden an einem Beispiel illustriert.
Der Vortrag thematisiert die Behandlung von Schweißeigenspannungen bei der Auslegung geschweißter Bauteile. Ausgehend von Fragen der Klassifizierung unterschiedlicher Typen von Eigenspannungen wird auf Fragen der Behandlung von Primär- und Sekundärspannungen, der Ermittlung und Aussagefähigkeit von Eigenspannungs-Tiefen-Profilen und der Stabilität der Eigenspannungen bei zyklischer Beanspruchung eingegangen. Neben der Auslegung auf Bruch wird die Beschreibung der Ermüdungsrissausbreitung bei Vorhandensein von Eigenspannungen diskutiert, wobei neben der klassischen Langrissbruchmechanik auch Besonderheiten der Kurzrissbruchmechanik angesprochen werden.
If fracture mechanics shall be applied to the total lifetime respectively the fatigue limit of components (within the meaning of the S-N curve approach) it has to address four challenges:
(a) It has to adequately describe so-called short crack propagation, which cannot be based on the common long crack concepts for principle reasons. Since the crack size is in the order of the plastic zone size, the modelling of short crack propagation cannot be based on the common linear elastic Delta K concept. Instead, an elastic-plastic parameter such as the cyclic J integral has to be applied. A second point is that the crack closure concept has to be modified in that the crack opening stress is not a constant, crack size- independent parameter but shows a transient behaviour with increasing short crack size.
(b) It has to provide a meaningful definition of the initial crack dimensions as the starting point for an S-N curve relevant (residual) lifetime analysis. This can be based either on the (statistical) size of material defects which can be treated as cracks or by the size of the crack which would arrest subsequent to early crack propagation, whatever is larger.
(c) It has to cope with the problem of multiple cracks for load levels higher than the fatigue limit such as it occurs in many applications in the absence of very large initial defects.
(d) This requires consequent statistical treatment taking into account variations in the local geometry of the area where crack initiation has to be expected as well as the scatter in the initial crack size and in the material data used for the analyses.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung bei der Auswertung von Schienenprüfungen zu verbessern. Der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung wird analysiert und die Schienenfehler sowie Artefakte werden in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem weiteren Schritt die automatische Fehlererkennung und Klassifizierung mit KI-Algorithmen trainieren zu können. Zu diesem Zweck werden Ultraschalldatensätze auf der Grundlage der Regelwerke und Informationen aus der Instandhaltung mit einer Simulationssoftware erstellt, die Anzeigen der verschiedenen Schienenschädigungen und Artefakte enthalten.
Die Schienenfehler werden bei der Auswertung in Fehlerklassen eingeordnet, für das KI-Training priorisiert und auf Basis der von der DB Netz AG ausgewählten Informationen untersucht. Hierfür werden die Schienenfehler nach den für das KI-Training relevanten Merkmalen zerlegt und die Konfiguration der Parameter der Simulation entsprechend abgestimmt.
Für die Grundstruktur des Datensatzes wird ein Schienenmodell mit einer Länge von einem Meter für die Simulation eingesetzt, auf dessen Basis alle bei der Schienenprüfung zu verwendenden Prüfköpfe für den jeweiligen Reflektortyp betrachtet werden. Die simulierten Daten werden auf einer Testschiene im Labormaßstab validiert. Mögliche Einflussparameter wie z. B. der Signal-Rausch-Abstand sowie die Fahrgeschwindigkeit werden in den Datensätzen herangezogen. Die Zusammenstellung eines Testdatensatzes mit lokal veränderlichen Einflussgrößen erfolgt aus den simulierten Daten unter Verwendung der skriptbasierten Programmierumgebung Python und Matlab.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AIFRI „Arteficial Intelligence for Rail Inspection“ wird der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem zweiten Schritt mit KI-Algorithmen eine automatisierte Defekterkennung und -klassifizierung trainieren zu können. Hierzu werden relevante Schienenschädigungen und in der Schiene vorhandene Artefakte analysiert und in skalierbare Modelle übertragen.
Die Norm DIN EN 16729-1 „Bahnanwendungen - Infrastruktur - Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis - Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ gilt für die Prüfausrüstung von Schienenprüffahrzeugen und handgeführten Rollgeräten und legt die Anforderungen an die Prüfgrundsätze und -systeme bei der Prüfung verlegter Eisenbahnschienen fest, um vergleichbare Ergebnisse in Bezug auf Lage, Art und Größe der Unregelmäßigkeiten in den Schienen zu erhalten.
Um die Performance von Prüfsystemen in der Simulation zu evaluieren, wurden die in den Anhängen der DIN EN 16729-1 angegebenen Bezugsreflektoren als künstliche Reflektoren (nach Anhang A) und simulierte Reflektoren (nach Anhang B) in einem digitalen Zwilling mit einem Schienenprofil 54E4 nach DIN EN 13674-1 sowie mit vereinfachter Geometrie als virtuelle Testschienen abgebildet.
Die Simulationen wurden mit den in den Tabellen 3 und 4 nach DIN EN 16729-1 definierten Prüfkopfwinkeln durchgeführt. Die Rechnungen wurden im Labormaßstab an Testkörpern verifiziert und die Signal-Rausch-Abstände für Untersuchungen im Feld ermittelt.
Ergebnisse der Untersuchungen und Möglichkeiten der Anwendung werden vorgestellt.
Das Forschungsvorhaben wird durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) im Rahmen von mFund unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 gefördert.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Je nach Prüfverfahren werden relevante Schienenschädigungen (z. B. Head Checks) und Artefakte (z. B. Bohrungen) entsprechend analysiert und in einem parametrisierbaren digitalen Zwilling abgebildet, um anschließend die KI-Algorithmen trainieren zu können. Mit der Simulation können Prüffahrten virtuell durchgeführt und Schadensbilder für das KI-Training erzeugt werden, die das Verhalten komplexer Systeme reproduzieren, ohne dass das reale System benötigt wird. Die Modellannahmen sind dabei von erheblicher Bedeutung, denn unzureichende Modellannahmen führen leicht zu falschen Simulationsergebnissen. Um die Ergebnisse einer Simulation ordnungsgemäß darstellen zu können, ist das Simulationsmodell selbst zu überprüfen.
Die Vollständigkeit, Richtigkeit und Genauigkeit der Simulationsergebnisse werden anhand von realen Prüfungen verifiziert. Für die Verifikation der Ultraschallsimulation werden hier Stegbohrungen als Referenzreflektoren herangezogen. Als Testkörper stehen Schienensegmente mit unterschiedlichen Profiltypen sowie speziell angefertigte Testkörper mit schienenähnlicher Geometrie zur Verfügung. In den Testkörpern befinden sich künstliche und reale Schädigungen in Kopf-, Steg- und Fußbereich, sowie Bohrungen mit Nuten. Die Validierung der Wirbelstromsimulation erfolgt an Testkörpern, die aus Schienenköpfen gefertigt sind. Dabei werden die Signale für unterschiedliche Nuttiefen und Nutenpaare mit unterschiedlichen Abständen untersucht.
Für die Modellierung der Simulationsergebnisse verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Simulation von Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten für die Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
In der Vergangenheit wurde immer wieder diskutiert, ob die Porenhalsverteilung poröser silikatischer Medien maßgeblich die Relaxationszeit in Messergebnissen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) bestimmt und dementsprechend auch neuere Ansätze, Porenweitenverteilungen aus diesen Daten abzuleiten, zuverlässig sein können. Systematische Studien an Gesteinen mit sehr unterschiedlichen Porenverteilungen zeigten, dass in Materialien mit engen Porenhälsen (z.B. < 5 μm) vor allem oder zusätzlich zum vermuteten Porenhalspeak niederfrequente Relaxationen zu beobachten sind, deren Ursache noch unklar ist.
Unter Einbeziehung der Methoden Röntgen-Computertomografie (μ-CT), Quecksilberporosimetrie (MIP), Stickstoffabsortion, Nukleare Magnetische Resonanz, SIP und Auflichtmikroskopie untersuchen wir den Porenraum hinsichtlich der Parameter Porosität, Permeabilität und innere Oberfläche und bestimmen die geometrischen Eigenschaften wie Porenweitenverteilungen oder fraktale Dimension durch verschiedene Algorithmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Methoden hinsichtlich der Grenzen ihres Auflösungsvermögens unterscheiden. Mit einer Zusammenführung der Ergebnisse aller Methoden kann eine mehrere Längenskalen überdeckende Charakterisierung der Porenraumgeometrie erfolgen.
Die Anwendung und Auswertung der verschiedenen Methoden werden am Beispiel von Baumberger Kalksandstein und Bentheimer Sandstein verglichen und diskutiert.
Bei der Trocknung von Gesteinen vermindert sich der Anteil des Wasservolumens im Porenraum, der als Sättigung bezeichnet wird. Mit abnehmender Sättigung sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Gesteins. Die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Sättigung wird durch ein Potenzgesetz entsprechend der 2. Archie-Gleichung beschrieben: log(#CHR:sigma_LOWER#)=n log(S<sub>w</sub>), wobei n der Sättigungsexponent ist. Bei der Trocknung von Gesteinen muss beachtet werden, dass die Wasserleitfähigkeit mit abnehmender Sättigung zunimmt, da die Konzentration der im Wasser gelösten Salze ansteigt. Das hat zur Folge, dass die bei Trocknungsexperimenten bestimmten Sättigungsexponenten deutlich kleiner sind als bei Verdrängungsexperimenten (z.B. Wasser durch Öl) mit gleichbleibender Wasserleitfähigkeit. Bei der Spektral(en) Induzierten Polarisation wird die komplexe elektrische Leitfähigkeit des Gesteins als Funktion der Frequenz betrachtet. Für den Real- und Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit werden unterschiedliche Sättigungsexponenten bestimmt.
Wir haben an zwei Sandsteinproben (Langenauer und Gravenhorster Sandstein) und einem Baumberger Kalksandstein Trocknungsexperimente durchgeführt. Die Sättigung wurde schrittweise von 100 % bis auf 10 % reduziert. In jeder Sättigungsstufe wurden an den Proben die Spektren der komplexen elektrischen Leitfähigkeit aufgezeichnet. Unsere Experimente zeigen, dass die Sättigungsexponenten für den Imaginärteil der komplexen elektrischen Leitfähigkeit mit 1,23 bis 1,59 deutlich größer sind als die des Realteils mit Werten zwischen 0,41 und 0,90. Dieser Unterschied resultiert aus der Tatsache, dass der Imaginärteil der Leitfähigkeit weniger stark mit zunehmender Wasserleitfähigkeit ansteigt als der Realteil. Für den Realteil der elektrischen Leitfähigkeit wird nach der 1. Archie-Gleichung ein linearer Zusammenhang zwischen Wasserleitfähigkeit und Gesteinsleitfähigkeit erwartet. Der Anstieg des Imaginärteils mit der Wasserleitfähigkeit kann mit einem Potenzgesetz mit einem Exponenten zwischen 0.1 und 0.62 beschrieben werden. Unsere Experimente zeigen, dass der Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit wesentlich deutlicher auf die Austrocknung von Gesteinen reagiert und damit ein wirksamer Indikator zur Überwachung von Sättigungsänderungen sein kann.
This presentation focuses on the basic ideas and current status of the development of an arithmetical method to predict the failure rotational speed of turbine disks. The certification specification requires that a gas turbine aero-engine must hold 5 minutes at overspeed conditions without critical failure. Therefore, instead of experimental proof from spin-tests using test-disks similar to engine components, it is considered to use simple specimen with similar test conditions compared to real overspeed scenarios. These test conditions, or stress fields are determined using arithmetical method, e.g. finite element method, with consideration of fracture mechanics under quasi-static conditions with a given rotational speed.
Failure modes like hoop burst and rim peeling are considered during determination of stress fields. Various crack-tip parameters are used to explore the similarity of stress field between simple specimen and real overspeed scenarios. Additionally, probabilistic aspects and the implementation of a global stability criterion for overspeed analysis are also considered.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. While these tests provide, on the one hand, a reliable definition of the critical conditions for real components, on the other hand they represent a relevant cost item for engine manufacturers. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. In particular, the rim-peeling failure mode is considered as case study. A semi-circular surface crack is modelled at the most stressed region at the diaphragm of a turbine disk, with the crack plane perpendicular to the radial direction. The crack is therefore subjected to a biaxial stress state and grows under increasing rotational speed until it triggers the rim-peeling failure. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of J-integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest J-integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. Probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Turbinenscheiben sind thermisch und mechanisch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten in Gasturbinen. Ihre Integrität wird in Bauteiltests unter Überdrehzahlbedingungen nachgewiesen. Kontext des Aufsatzes ist die Erarbeitung einer zusätzlichen Bewertungsebene auf der Grundlage von Versuchen unter monotoner Beanspruchung, die die Beanspruchung im Bauteil realistisch wiedergeben soll. Dazu werden zwei Typen von bruchmechanischen Proben anwendungsnah ausgelegt und aus einer Turbinenscheibe ausgeschnitten: Der erste Typ ist eine biaxiale Probe, die die Beanspruchung und den Dehnungsbehinderungszustand am Diaphragm der Turbinenscheibe abbildet, die zweite eine bruchmechanische Probe, die die einachsige Beanspruchung und den Dehnungsbehinderungszustand am Bore der Turbinenscheibe wiedergibt.
Im Rahmen eines Schadentoleranzansatzkonzepts ist anschließend jeweils ein halbelliptischer Riss an den genannten Stellen der Turbinenscheibe zu betrachten. Mittels numerischer Berechnungen wird ein kritischer Punkt auf der Rissfront des Risses am Diaphragm bestimmt, dort wo die höchste Rissspitzenbelastung (J-Integral) auftritt. Auf der Basis der Rissspitzenbelastung, des Dehnungsbehinderungszustands und des entsprechenden Spannungsverhältnisses an diesem kritischen Punkt wird eine Kreuzprobe mit einem Durchriss konzipiert, die diese Verhältnisse im Bauteil widerspiegelt. Die Versuche werden unter der Temperatur am Diaphragm der Turbinenscheibe durchgeführt. Die J-R-Kurve und die plastische Kollapsgrenze werden bestimmt. Auch die einachsigen Versuche werden unter der Temperatur am Bore der Turbinenscheibe durchgeführt. Die Zugprobe enthält halbelliptische Oberflächenrisse. Ähnlich wie bei der Auslegung der Kreuzproben werden die Rissspitzenbelastung, der Dehnungsbehinderungszustand und das Spannungsverhältnis vergleichbar mit der Turbinenscheibe eingestellt. Die J-R-Kurve und die plastische Kollapsgrenze werden bestimmt.
Mit den Versuchsergebnissen werden die kritischen Lasten für verschiedene Versagensmechanismen (instabiles Risswachstum, plastischer Kollaps) der bruchmechanischen Proben ermittelt, die der kritischen Überdrehzahl der Turbinenscheibe entsprechen.
Turbinenscheiben sind thermisch und mechanisch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten in Gasturbinen. Ihre Integrität wird in Bauteiltests unter Überdrehzahlbedingungen nachgewiesen. Kontext des Aufsatzes ist die Erarbeitung einer zusätzlichen Bewertungsebene auf der Grundlage von Versuchen unter monotoner Beanspruchung, die die Beanspruchung im Bauteil realistisch wiedergeben soll. Betrachtet wird ein halbelliptischer Riss, der bei der weiteren Ausbreitung als Umfangsriss wächst (rim peeling). Die Simulation dieser Stelle im Bauteil schließt die mechanische und thermische Beanspruchung sowie sie Dehnungsbehinderung ein. Letztere wird anhand zweier Parameter, der Spannungsmehrachsigkeit ℎ und des (allerdings modifizierten) Constraint-Parameters nach Newman, der die Spannungen über den plastisch verformten Bereich mittelt, bestimmt. Erwartungsgemäß zeigt sich, dass die höchste Dehnungsbehinderung weder an den Oberflächenpunkten, noch an den tiefsten Punkten, sondern an einer Stelle zwischen beiden auf der Rissfront auftritt. Als Versuchsgeometrie für die monotonen Tests soll eine Kreuzprobe mit wanddurchdringenden Rissen ausgehend von einer Innenbohrung dienen. Durch geeignete Wahl der Risstiefe sowie der in beiden Richtungen angreifenden Kräfte gelingt es, bauteiladäquate Zustände zu erzeugen.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.