Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Referierte Publikation
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Schlagworte
- Duktilität (1)
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Diese Arbeit umfasst die Entwicklung, Implementierung und Anwendung einer nicht-lokalen, gradientenabhängigen Erweiterung des lokalen Gurson-Modells zur Simulation duktiler Schädigung für metallische Werkstoffe, um die Anwendungsgrenzen lokaler Schädigungsmodelle im Rahmen der FE-Methode bzgl. Netzabhängigkeit und Lokalisierung von Simulationsergebnissen zu überwinden. Zu den offenen Problemen bei der Anwendung von lokalen, inelastischen Schädigungsmodellen gehört u. a. die Abhängigkeit der erzielten Ergebnisse von der Größe und Orientierung der zur Strukturdiskretisierung eingesetzten Finiten Elemente. Diese Netzabhängigkeit tritt insbesondere bei der Verwendung lokaler Stoffgesetze und der Simulation entfestigenden Materialverhaltens auf. Diese Beschränkungen lokaler Modelle sind maßgeblich auf den Eindeutigkeitsverlust der Lösung des Systems der konstitutiven Gleichungen durch die Modellierung von Entfestigungsvorgängen zurückzuführen. Ausgangspunkt für die Entwicklung einer nicht-lokalen Formulierung des Gurson- Modells stellt die Zielsetzung dar, die lokale Beschreibung der Schädigungsentwicklung durch die Evolutionsgleichung des Hohlraumvolumenanteils unter Berücksichtigung des Gradienten der räumlichen Schädigungsverteilung zu erweitern.
Für den sicheren Betrieb von Brennstoffzellen und für die Hochdruckwasserelektrolyse wurden die Explosionsgrenzen und Explosionsdrücke von Wasserstoff und Wasserstoff/Methan-Gemischen bei Anfangsdrücken von bis zu 200 bar gemessen. Der Bericht gibt eine Übersicht über die Druck- und Temperaturabhängigkeiten der Explosionsbereiche mit Luft und Sauerstoff als oxidierende Komponenten. Dabei waren ebenfalls die Grenzwerte zur Inertisierung der Gemische mit Stickstoff von Interesse. Für den sicheren Umgang mit Wasserstoff bei atmosphärischen Bedingungen sind die Dreistoffsysteme Brenngas/Stickstoff/Luft zusätzlich nach einer neuen europäischen Norm (prEN 1839) bestimmt worden.
Die UV/VIS-Spektrometrie an lumineszierenden und reflektierenden Materialien zur Bestimmung optischer Kennwerte wird nach der 2-Monochromator-Methode (2MM) (monochromatische Anregung) und der 1- Monochromator-Methode (1 MM) (poly-chromatische Anregung) praktiziert. Wie weit die verschiedenen Methoden zu vergleichbaren Ergebnissen kommen, sollte in einem Rundversuch mit insgesamt drei 2MM- und sieben 1 MM-Spektrometern anhand eines umfangreichen Probensatzes aus verschiedenen Materialtypen bestimmt werden. Während die 2MM-Spektrometer eine von der Strahlungsquelle unabhängige Bestimmung der spektralen Strahldichtefaktoren von Lumineszenz und regulärer Reflexion für vorgegebene Lichtart zulassen, aus denen die Gesamtstrahldichtefaktoren zu bilden sind, benötigen die 1 MM-Spektrometer im Idealfall eine präzise D65-Strahlungsquelle, wenn auf Normlichtart D65 bezogene spektrale Gesamtstrahldichtefaktoren bestimmt werden sollen. Diese Voraussetzung war nur in einem Fall erfüllt, die übrigen 1 MM-Spektrometer verwendeten eine Xenonlampe in Verbindung mit einer UV-Partialfilterung justiert für optisch aufgehellte weiße Proben, die nur den UV-Spektralbereich der Xenon-Quelle auf ähnliche Wirkung wie die der Normlichtart D65 bringt. Die 2MM-Spektrometer erwiesen sich als gut übereinstimmende Referenzgeräte bei kaum bis schwach strukturierten Proben. Bei starker Probenstruktur verändern sich bei unterschiedlicher Messgeometrie vor allem die spektralen Strahldichtefaktoren der regulären Reflexion erheblich, während die der Lumineszenz nahezu unabhängig bestimmbar bleiben. Bei den 1 MM-Spektrometern mit UV gefilterter Xenonlampe werden wegen der speziellen Justierung die spektralen Gesamtstrahldichtefaktoren von optisch aufgehellten weißen Proben mit relativ geringer Streuung wiedergegeben. Bei bunt lumineszierenden Proben versagt die UV-Anpassung, da auch Teile des nicht angepassten VIS-Spektrums die Lumineszenz erzeugen. In diesen Fällen wird bei gerichteter Messgeometrie die Lumineszenz mit Bezug zur Normlichtart D65 überhöht dargestellt, bei Kugelgeometrie wegen des bekannten Kugelfehlers zu niedrig. Die farbmetrischen Auswertungen bilden die spektralen Differenzen analog ab. Die Frage, ob trotz fehlender Übereinstimmung in den absoluten Kennzahlen wenigstens relative Farbunterschiede von den verschiedenen Spektrometern vergleichbar ermittelt werden, ließ sich ansatzweise aus einigen zusammengestellten Probenpaaren beantworten: die 1 MM- Spektrometer unterscheiden sich deutlich stärker als die 2MM-Spektrometer.
Industrieanlagen, die aufgrund ihres Stoffinhaltes der Störfall-Verordnung unterliegen und sich in der Nähe von Start- bzw. Einflugschneisen von Flugplätzen befinden, müssen einen bestimmten Abstand zum System der Start- und Landebahnen einhalten. Liegen diese Anlagen innerhalb der Start- bzw. Einflugschneise, muss eine Bewertung der "umgebungsbedingten Gefahrenquelle Luftverkehr" vorgenommen werden. Dies ist um so mehr notwendig, als die Abmessungen der Passagierflugzeuge kontinuierlich zugenommen haben. Auf Grund dieser Entwicklung ist es geboten, die damit einhergehenden Risiken und bestehende n Regelungen zu überprüfen. In der vorliegenden Arbeit wird durch Analyse und Auswertung von internationalen Unfallstatistiken der Zivilluftfahrt gezeigt, dass es nicht mehr gerechtfertigt ist, den Absturz eines Großraumflugzeuges im globalen Maßstab als seltenes Ereignis zu definieren. Die Risiken flugplatznaher Industriestandorte und die Risiken für die Bewohner flugplatznaher Siedlungsgebiete wie auch die Lebensrisiken der Passagiere und Besatzungen eines Flugzeuges werden untersucht und bewertet. Ein Kapitel beschäftigt sich mit dem Unfallfolgen durch Terrorakte. Anhand statistischer Testverfahren (Chi-Quadrat-Test- bzw. Kolmogoroff-Smirnov- Anpassungstest) wird gezeigt, dass es gerechtfertigt ist, eine Exponentialverteilung der Unfallhäufigkeit in der Hauptbewegungsrichtung der Luftfahrzeuge anzunehmen. Durch die Verknüpfung von zwei Wahrscheinlichkeitsaussagen, der spezifischen Absturzhäufigkeit und der spezifischen Trefferwahrscheinlichkeit, kann die Wahrscheinlichkeit eines Direktreffers in ein definiertes Flächenelement in den Start- und Einflugschneisen angegeben werden. Es werden Flächenbereiche angegeben, innerhalb derer die Errichtung und der Betrieb von Anlagen mit gefährlichem Stoffinhalt ein erhöhtes Risiko darstellt und deshalb nicht empfohlen werden kann.
Die Schwingfestigkeitsuntersuchungen im Labor V32 "Betriebsfestigkeit Maschinenelemente" der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hatten die Ermittlung regelwerksfähiger zulässiger Spannungen für den Betriebsfestigkeitsnachweis von Lastanschlagspunkten aus austenitischen Stählen an Lasten in Kernkraftwerken zum Ziel. Dabei wurde an in einem vorausgegangenen Untersuchungsvorhaben SR 0421 erarbeitete Werte angeknüpft und die Datenbasis durch Untersuchung des Mittelspannungseinflusses sowie des Betriebsfestigkeitsverhaltens erweitert. Um das Untersuchungsziel zu erreichen, wurden statistisch geplante und ausgewertete Schwingfestigkeitsversuche an gekerbten und geschweißten Flachproben aus dem austenitischen Stahl 1.4541 durchgeführt. Die Flachproben wurden in Einstufen- Wöhlerversuchen bei Wechselbeanspruchung (R = -1) und bei schwellender Zugbeanspruchung (R = 0,5) geprüft. Die Untersuchungen umfassen gemäß der Terminologie der DIN 15 018 den Spannungsspielbereich N1 ... N4 für das Spannungskollektiv S3. Die Betriebsfestigkeits-versuche wurden mit zwei unterschiedlichen Lastkollektiven bei schwellender Zugbeanspruchung (R = 0) sowie in einem Fall bei R = 0,5 durchgeführt. Diese Untersuchungen umfassen gemäß der Terminologie der DIN 15 018 den Spannungsspielbereich N1 ... N4 für das Spannungskollektiv So sowie ein weiteres Spannungskollektiv, das genau in der Mitte zwischen S1 und S2 liegt. Um im Sinne des Untersuchungsziels möglichst praxisnahe Ergebnisse zu erreichen, wurden die Proben bei der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg gefertigt; die Qualitätssicherung der Probenfertigung übernahm der TÜV Nord nach den Richtlinien der KTA 3905. Die Qualitätssicherung war im Hinblick auf die Vergleichbarkeit der hier dargelegten Ergebnisse mit denjenigen aus dem Vorgängervorhaben SR 0421 besonders bedeutsam. Umfangreiche fraktografische und metallografische Begleituntersuchungen erbrachten Aufschluss über die Qualität der Schweißnähte und die Ursachen der chwingbruchinitiierung. Die Schweißnahtqualität der untersuchten Proben war durchgehend als gut bis sehr gut zu kennzeichnen. Die Mittelspannungsabhängigkeit, die für drei Kerbfälle bei drei Spannungsverhältnissen in Versuchsreihen im Übergangsgebiet zur Dauerfestigkeit bestimmt wurde, folgt keinem einheitlichen Trend: In zwei Fällen erscheint die GOODMAN-Gerade ansatzweise die Abhängigkeit zu beschreiben; in einem Fall ist eine annehmbare Näherung durch die GERBER-Parabel möglich. Die Ergebnisse von Einstufenversuchen hinsichtlich der Mittelspannungsabhängigkeit sind jedoch nicht auf diejenigen von Betriebsfestigkeitsversuchen übertragbar. Anhand der erarbeiteten Lebensdauerlinien und der vorliegenden Bauteilwöhlerlinien konnten die tatsächlichen Schadenssummen nach der gemäß HAIBACH modifizierten Schadensakkumulationshypothese berechnet werden. Die derart berechneten tatsächlichen Schadenssummen liegen zwischen 0,001 und 1,5. Dieses Ergebnis verdeutlicht, dass ohne Kenntnis der Bauteilwöhlerlinie erhebliche Fehleinschätzungen - hier zum Teil auf der unsicheren Seite liegend - der zu erwartenden Lebensdauer möglich sind. Die Herleitung zulässiger aus ertragbaren Spannungen für die Einstufenversuche an Schweißverbindungen wurde wie folgt vorgenommen: Die Neigung der Wöhlerlinie im Zeitfestigkeitsgebiet wurde aus den experimentellen Ergebnissen für eine Überlebenswahr- scheinlichkeit von 50% abgeleitet; die Streuungen wurden mit Hilfe des den Angaben in der DS 804 zugrunde liegenden einheitlichen Streubands für Schweißverbindungen aus dem Wöhlerlinienkatalog von OLIVIER und RITTER abgeschätzt. Dabei wurde angenommen, dass das Streuverhalten der hier ermittelten Schwingfestigkeitswerte mit Hilfe der Groß- zahluntersuchungen des einheitlichen Streubands für Schweißverbindungen sicherer abgeschätzt wird als aus den vergleichsweise kleinen Stichproben der hier dargelegten Versuchsergebnisse. Für die Kerbstäbe mit Mittenloch wurde der aus den ertragbaren Spannungen auf eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 99,9 % extrapolierte Wert als zulässig angegeben. In gleicher Weise wurden die zulässigen Spannungen für die Betriebsfestigkeitsversuche ermittelt. In beiden Fällen fehlt nämlich die Datenbasis aus dem Wöhlerlinienkatalog nach OLIVIER und RITTER, die lediglich für Schweißverbindungen unter einstufiger Beanspruchung gilt. Der Vergleich der derart ermittelten zulässigen Spannungen mit den Angaben aus der DIN 15 018 zeigt, dass die Werte der DIN-Norm teils nicht konservativ, teils konservativ sind. Bei ein und demselben Kerbfall wechseln in einigen Fällen - je nach Schwingspielzahlbereich - nicht konservative und konservative Bereiche. In ergänzenden Versuchen wurde das elastisch-plastische Verhalten des Grundwerkstoffs bestimmt. Hierzu wurde die Dehnungswöhlerlinie aufgenommen und nach MANSON- COFFIN ausgewertet. Ebenso wurde die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass die zyklische Ersatzstreckgrenze doppelt so groß wie die zügige ist. Dies weist auf das vergleichsweise hohe Verfestigungspotential des untersuchten Werkstoffs unter zyklischer Beanspruchung hin. Im Hinblick auf die Abschätzung der Restnutzungsdauer anrissbehafteter Bauteile wurde das Rissfortschrittsverhalten nach PARIS sowie der bruchmechanische Schwellwert der zyklischen Spannungsintensität ermittelt.