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In diesem Forschungsvorhaben erfolgte eine Überprüfung der Übertragbarkeit der Werkstoff- und Rechenmodelle für die Lebensdauervorhersage von ATL-Heißteilen unter TMF-Beanspruchung auf eine andere Werkstoffklasse, d. h. auf eine austenitische Gusseisenlegierung mit Kugelgraphit. Dafür wurde die Legierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S) ausgewählt. Zunächst wurde für diesen Werkstoff eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Unter TMF-Belastung zeigte der untersuchte Werkstoff ein stark abweichendes Verhalten von den im vorangegangenen Vorhaben untersuchten ferritischen SiMo-Legierungen: Der Werkstoff Ni-Resist zeigte insgesamt eine vergleichbare Festigkeit unter OP- und IP-Bedingungen, während die ferritischen Legierungen unter IP-Beanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen. Mit zunehmenden Temperaturen und Haltezeiten unter Zugspannungen wurden dagegen beim Werkstoff Ni-Resist Hinweise auf Kriechschädigung gefunden, die schädigungsrelevant sind. Auch dies ist ein deutlicher Unterschied zu den SiMo-Legierungen. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten in den LCF- und TMF-Versuchen wird durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. Das Gleiche gilt für die Lebensdauervorhersage, die mit Ausnahme der Prüftemperatur 900 °C innerhalb eines Fak-tors zwei liegt. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler, der abwechselnd mit heißem und kaltem Gas durchströmt wurde. Ziel der Bauteilsimulation war insbesondere die Vorhersage der Rissbildungsorte. Eine Vorhersage der exakten Lebensdauer wurde nicht erwartet, da das Bauteil mit einer Gusshaut behaftet war, während die für die Kalibrierung des Lebensdauermodells verwendeten Versuche an bearbeiteten, glatten Proben ohne Gusshaut durchgeführt wurden. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden vorhergesagt. Schließlich war ein wesentliches Ziel des Vorhabens, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Dazu wurde zunächst die Daten-basis aus dem Vorgängervorhaben am Bespiel von SiMo 4.05 deutlich ausgebaut, um die verschiedenen Einflussparameter zu erfassen. Es wurde ein Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass ab einer bestimmten Risstiefe die Überlagerung der HCF-Schwingungen die Rissausbreitung stark beschleunigt. Der Zeitpunkt, wann diese Beschleunigung eintritt, wird als maßgeblich für die Lebensdauerminderung angesehen. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern für beide Werkstoffe in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen.
Concrete is a complex material. Its properties evolve over time, especially at early age, and are dependent on environmental conditions, i.e. temperature and moisture conditions, as well as the composition of the material.
This leads to a variety of macroscopic phenomena such as hydration/solidification/hardening, creep and shrinkage, thermal strains, damage and inelastic deformations. Most of these phenomena are characterized by specific set of model assumptions and often an additive decomposition of strains into elastic, plastic, shrinkage and creep components is performed. Each of these phenomena are investigated separately and a number of respective independent models have been designed. The interactions are then accounted for by adding appropriate correction factors or additional models for the particular interaction. This paper discusses the importance of reconsider even in the experimental phase the model assumptions required to generalize the experimental data into models used in design codes. It is especially underlined that the complex macroscopic behaviour of concrete is strongly influenced by its multiscale and multiphyscis nature and two examples (shrinkage and fatigue) of interacting phenomena are discussed.
A Multi-scale temporal integration scheme for viscoplatic solids subjected to fatigue deterioration
(2016)
Using a continuum mechanics framework for lifetime prediction requires numerical integration of evolving damage until the onset of failure. The primary challenge for the simulation of structural fatigue failure is caused by the enormous computational costs due to cycle by cycle temporal integration throughout the whole loading history, which is in the order of 10^3 - 10^7 cycles. As a consequence, most approaches circumvent this problem and use an empirical method such as Wöhler curves. They are well suited for approximation of the lifetime, but they are not capable to capture a realistic degradation of the material with a redistribution of the stresses. The main objective of the paper is to provide a technique for the long time response of a finite element (FE) model while reducing computational costs.
A multi-scale temporal integration scheme is proposed, which adapts the conventional FE method for realistic modeling of deterioration in a structure subjected to cyclic loading. For a particular case of two-scale temporal homogenization, the displacement field is assumed to satisfy scale separation: a short time scale arises from the oscillatory loading and a long time scale is due to the slow response relating to yielding and damage evolution. The original boundary value Problem (BVP) is approximated by the time-Independent BVPs on the short time scale. Alternation of the displacement field on the long time scale is correlated with the damage evolution by means of the adaptive cycle jump method. The significant acceleration of FE simulations is demonstrated for a constitutive damage model where the progressive damage accumulation under fatigue loading is driven by viscoplastic deformation.