Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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.
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.
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 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.