Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Sensitivitätsanalyse des Eigenspannungszustandes in Composite-Druckgefäßen mittels Modalanalyse
(2017)
Auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit sowie des damit einhergehenden Gewichtsvorteils kommt es bei der Auslegung von Druckgefäßen vermehrt zum Einsatz von faserverstärkten Kunststoffverbunden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wird das Alterungsverhalten von Atemluftflaschen in Verbundbauweise untersucht, um künftig genauere Aussagen zur Abschätzung der Lebensdauer geben zu können. Gegenstand der hier aufgezeigten Untersuchungen bilden dabei Typ-III Druckgefäße mit metallischen Liner und einer kohlefaserverstärkten Armierung. Als wichtiger, der Betriebsfestigkeit zugrunde legender Parameter wurden Druckeigenspannungen im Aluminium-Liner ausgemacht, welche fertigungsseitig zur Steigerung der Lastwechselfestigkeit in die Druckgefäße induziert werden.
Ziel ist es, mit Hilfe einer Modalanalyse die aufgezeigten inneren Spannungsverhältnisse durch eine genaue Betrachtung der modalen Parameter zu identifizieren und zu bewerten. Durch den Aufbau eines Finite-Elemente Modells und einer anschließenden Sensitivitätsanalyse der Fertigungsparameter werden zunächst Potential und Aussagekraft des Analyseverfahrens geprüft und bewertet. Anschließend erfolgt eine Eingrenzung relevanter Schwingformen sowie eine Abschätzung zu erwartender spannungsabhängiger Änderungen entsprechender modaler Kennwerte. Durch die Entwicklung und den Aufbau eines geeigneten Prüfstandes werden, darauf aufbauend, im Rahmen einer Betriebsschwingungsanalyse erste Messungen an Atemluftflaschen unterschiedlicher Alterungs- und Schädigungsstufen durchgeführt. Durch einen Vergleich mit Simulationsergebnissen und Erkenntnissen aus alternativ durchgeführten Eigenspannungsmessungen erfolgt abschließend eine kritische Bewertung der experimentell gewonnenen Ergebnisse.
Sensitivitätsanalyse des Eigenspannungszustandes in Composite-Druckgefäßen mittels Modalanalyse
(2017)
Auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit sowie des damit einhergehenden Gewichtsvorteils kommt es bei der Auslegung von Druckgefäßen vermehrt zum Einsatz von faserverstärkten Kunststoffverbunden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wird das Alterungsverhalten von Atemluftflaschen in Verbundbauweise untersucht, um künftig genauere Aussagen zur Abschätzung der Lebensdauer geben zu können. Gegenstand der hier aufgezeigten Untersuchungen bilden dabei Typ-III Druckgefäße mit metallischen Liner und einer kohlefaserverstärkten Armierung. Als wichtiger, der Betriebsfestigkeit zugrunde legender Parameter wurden Druckeigenspannungen im Aluminium-Liner ausgemacht, welche fertigungsseitig zur Steigerung der Lastwechselfestigkeit in die Druckgefäße induziert werden.
Ziel ist es, mit Hilfe einer Modalanalyse die aufgezeigten inneren Spannungsverhältnisse durch eine genaue Betrachtung der modalen Parameter zu identifizieren und zu bewerten. Durch den Aufbau eines Finite-Elemente Modells und einer anschließenden Sensitivitätsanalyse der Fertigungsparameter werden zunächst Potential und Aussagekraft des Analyseverfahrens geprüft und bewertet. Anschließend erfolgt eine Eingrenzung relevanter Schwingformen sowie eine Abschätzung zu erwartender spannungsabhängiger Änderungen entsprechender modaler Kennwerte. Durch die Entwicklung und den Aufbau eines geeigneten Prüfstandes werden, darauf aufbauend, im Rahmen einer Betriebsschwingungsanalyse erste Messungen an Atemluftflaschen unterschiedlicher Alterungs- und Schädigungsstufen durchgeführt. Durch einen Vergleich mit Simulationsergebnissen und Erkenntnissen aus alternativ durchgeführten Eigenspannungsmessungen erfolgt abschließend eine kritische Bewertung der experimentell gewonnenen Ergebnisse.
Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen.
Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen.
Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar.
Höherfeste Feinkornbaustähle werden zunehmend in modernen Schweißkonstruktionen bspw. dem Mobilkranbau eingesetzt. Während der schweißtechnischen Verarbeitung sind für diese Stahlgüten aufgrund ihres speziellen Gefüges und relativ hohen Streckgrenzenverhältnisses engere Verfahrensgrenzen einzuhalten als bei Stählen mit niedrigerer Festigkeit. Zudem erfordert die Sicherheit höherfester Schweißverbindungen präzise Kenntnisse über die Höhe und Verteilung schweißbedingter Beanspruchungen, da diese die erreichbare Tragfähigkeit und Bauteilperformance sowie den wirtschaftlichen Einsatz beeinflussen. Geltende Fertigungsrichtlinien für Schweißkonstruktionen wurden vorrangig für niedrigfeste Güten erarbeitet und vernachlässigen reale Steifigkeits- und Wärmeableitungsbedingungen.
In dieser Arbeit wird deshalb der Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in Schweißverbindungen typischer Vertreter höherfester Feinkornbaustähle (z.B. S960QL) systematisch untersucht. Zur Berücksichtigung äußerer Bauteilsteifigkeiten wurden die Proben in Nahtquerrichtung unter definierten realitätsnahen Einspanngraden in speziellen dreidimensional wirkenden Prüfanlagen mehrlagig geschweißt. Dabei ließen sich die resultierenden Kräfte und Spannungen multiaxial in-situ analysieren und ein deutlicher Einfluss der Wärmeführung auf den Kräfte- und Momentenhaushalt aufzeigen. Mittels statistischer Auswertung wurden wesentliche Aussagen für adaptierte Wärmeführungs- und Schweißparameter zur Beanspruchungsoptimierung entwickelt. Die Bewertung der Effekte und Interaktionen der Einflussfaktoren nach Wirkungsart und -ort gestattete zudem, Ansätze zur Berücksichtigung schweißbedingter Beanspruchungen bei der Auslegung höherfester Schweißkonstruktionen zu erarbeiten.
Höherfeste Feinkornbaustähle werden zunehmend in modernen Schweißkonstruktionen bspw. dem Mobilkranbau eingesetzt. Während der schweißtechnischen Verarbeitung sind für diese Stahlgüten aufgrund ihres speziellen Gefüges und relativ hohen Streckgrenzenverhältnisses engere Verfahrensgrenzen einzuhalten als bei Stählen mit niedrigerer Festigkeit. Zudem erfordert die Sicherheit höherfester Schweißverbindungen präzise Kenntnisse über die Höhe und Verteilung schweißbedingter Beanspruchungen, da diese die erreichbare Tragfähigkeit und Bauteilperformance sowie den wirtschaftlichen Einsatz beeinflussen. Geltende Fertigungsrichtlinien für Schweißkonstruktionen wurden vorrangig für niedrigfeste Güten erarbeitet und vernachlässigen reale Steifigkeits- und Wärmeableitungsbedingungen.
In dieser Arbeit wird deshalb der Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in Schweißverbindungen typischer Vertreter höherfester Feinkornbaustähle (z.B. S960QL) systematisch untersucht. Zur Berücksichtigung äußerer Bauteilsteifigkeiten wurden die Proben in Nahtquerrichtung unter definierten realitätsnahen Einspanngraden in speziellen dreidimensional wirkenden Prüfanlagen mehrlagig geschweißt. Dabei ließen sich die resultierenden Kräfte und Spannungen multiaxial in-situ analysieren und ein deutlicher Einfluss der Wärmeführung auf den Kräfte- und Momentenhaushalt aufzeigen. Mittels statistischer Auswertung wurden wesentliche Aussagen für adaptierte Wärmeführungs- und Schweißparameter zur Beanspruchungsoptimierung entwickelt. Die Bewertung der Effekte und Interaktionen der Einflussfaktoren nach Wirkungsart und -ort gestattete zudem, Ansätze zur Berücksichtigung schweißbedingter Beanspruchungen bei der Auslegung höherfester Schweißkonstruktionen zu erarbeiten.
Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen.
Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen.
Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.
Die mechanische Spannung ist ein maßgeblicher Parameter ferromagnetischer Materialien. Wird ein solches Material unter die Curie Temperatur abgekühlt, zerfällt es spontan in nahezu selbstgesättigte magnetische Domänen. Diese Magnetisierung führt gleichzeitig zu einer Verformung der mit ihr gekoppelten Kristallgitter. Ein Effekt der auch reziprok gilt: wird die Gitterverformung durch eine Spannung behindert ändert sich zwangsweise der magnetische Zustand.
Man kann annehmen, dass zwischen unterschiedlichen, für sich aber homogen verspannten Werkstoffbereichen, lokale magnetische Streufelder auftreten, weil magneto-mechanische Effekte eine Inkompatibilität der Domänenstruktur induzieren. Bekanntlich bilden sich Spannungsgradienten nach Schweißprozessen durch ungleichmäßigen Wärmeeintrag, thermischer Dehnung, und unterschiedlichen Abkühlraten aus.
Unter dieser Prämisse untersuchen wir Wolfram-Inertgas geschweißte Blindnahtproben (250x100x4,8 mm^3) aus einem hypereutektoiden Baustahl.
Der Spannungszustand der Proben wurde anhand von Neutronendiffraktometrie (ND) am Instrument E3 am Reaktor BERII (Helmholzzentrum Berlin, HZB) charakterisiert. ND ist ein Referenzverfahren für die quantitative Bestimmung von elastischen Dehnungen in kristallinen Materialien, deren Gitter selbst der Messmaßstab ist. Die Auswertung zeigt hohe Längsspannungen mit lokalen Maxima in Größenordnung von 600 MPa, die von umgebenen Druckspannungszonen kompensiert werden.
Zur Detektion der magnetischen Kleinststreufelder verwenden wir speziell designte GMR-Sensorik (GMR - Giant Magneto Resistance), die aufgrund der geringen Größe ihrer aktiven Sensorelemente hohe Ortsauflösung mit Sensitivität vereint. Die Visualisierung der Messergebnisse lässt eine klare magnetische Mikrostruktur der Schweißnähte erkennen, in der die Streufelder lateral in Größenordnung des Erdmagnetfeldes variieren (~50 µT).
Wir zeigen durch einen Vergleich beider Messverfahren, dass lokale magnetische Streufeldmaxima in hohem Maße mit den Spannungsgradienten übereinstimmen.
Die mechanische Spannung ist ein maßgeblicher Parameter ferromagnetischer Materialien. Wird ein solches Material unter die Curie Temperatur abgekühlt, zerfällt es spontan in nahezu selbstgesättigte magnetische Domänen. Diese Magnetisierung führt gleichzeitig zu einer Verformung der mit ihr gekoppelten Kristallgitter. Ein Effekt der auch reziprok gilt: wird die Gitterverformung durch eine Spannung behindert ändert sich zwangsweise der magnetische Zustand.
Man kann annehmen, dass zwischen unterschiedlichen, für sich aber homogen verspannten Werkstoffbereichen, lokale magnetische Streufelder auftreten, weil magneto-mechanische Effekte eine Inkompatibilität der Domänenstruktur induzieren. Bekanntlich bilden sich Spannungsgradienten nach Schweißprozessen durch ungleichmäßigen Wärmeeintrag, thermischer Dehnung, und unterschiedlichen Abkühlraten aus.
Unter dieser Prämisse untersuchen wir Wolfram-Inertgas geschweißte Blindnahtproben (250x100x4,8 mm^3) aus einem hypereutektoiden Baustahl.
Der Spannungszustand der Proben wurde anhand von Neutronendiffraktometrie (ND) am Instrument E3 am Reaktor BERII (Helmholzzentrum Berlin, HZB) charakterisiert. ND ist ein Referenzverfahren für die quantitative Bestimmung von elastischen Dehnungen in kristallinen Materialien, deren Gitter selbst der Messmaßstab ist. Die Auswertung zeigt hohe Längsspannungen mit lokalen Maxima in Größenordnung von 600 MPa, die von umgebenen Druckspannungszonen kompensiert werden.
Zur Detektion der magnetischen Kleinststreufelder verwenden wir speziell designte GMR-Sensorik (GMR - Giant Magneto Resistance), die aufgrund der geringen Größe ihrer aktiven Sensorelemente hohe Ortsauflösung mit Sensitivität vereint. Die Visualisierung der Messergebnisse lässt eine klare magnetische Mikrostruktur der Schweißnähte erkennen, in der die Streufelder lateral in Größenordnung des Erdmagnetfeldes variieren (~50 µT).
Wir zeigen durch einen Vergleich beider Messverfahren, dass lokale magnetische Streufeldmaxima in hohem Maße mit den Spannungsgradienten übereinstimmen.