Improved Limit State Definitions for Pressure Vessels by a Scale-bridging Application of Damage Mechanics

  • Verbesserte Grenzzustandsdefinitionen für Druckbehälter durch eine skalenübergreifende Anwendung der Schädigungsmechanik

Brinnel, Victoria; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Feldmann, Markus (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Die Anwendung moderner hochfester niedriglegierter Stähle (HSLA, high strength low alloy steels) im Druckbehälterbau wird derzeit durch die jeweiligen Auslegungsnormen behindert, obwohl dadurch ressourceneffizientere Konstruktionen möglich wären. HSLA Stähle werden hierbei durch eine eingeschränkte zulässige Ausnutzung ihrer Eigenschaften benachteiligt, welche dünnere Bauweisen verhindert. Diese Einschränkung resultiert aus der Bemessungsspannungsdefinition der Auslegungsnormen, z.B. der europäischen Richtlinie EN 13445. Diese bestimmt die Bemessungsspannung für hochfeste Stähle in Abhängigkeit der Zugfestigkeit mit einem hohen Sicherheitsfaktor. Dies führt dazu, dass für hochfeste Stähle aufgrund ihres hohen Streckgrenzenverhältnisses niedrigere Auslegungsspannungen zulässig sind. Für einen Stahl der Sorte P690Q beträgt die Auslegungsspannung lediglich 46% der Streckgrenze.Die derzeit gültigen Sicherheitsfaktoren wurden auf der Basis von Erfahrungswerten mit herkömmlichen, niedrigfesten Stahlsorten festgelegt. Probabilistische Sicherheitskonzepte, wie etwa im Eurocode (EN1990) definiert, sind geeignet, um systematisch passendere Sicherheitsfaktoren zu bestimmen. Allerdings benötigen sie als Datenbasis eine große Anzahl von Berstversuchen. Da diese jedoch sehr kostspielig und aufwendig sind, sind probabilistische Sicherheitskonzepte derzeit nicht direkt auf Druckbehälteranwendungen übertragbar. Ein Lösungsansatz für dieses Problem besteht darin, einen Teil der benötigten Versuche durch Simulationen zu ersetzen. Das duktile Versagen kann hierbei von schädigungsmechanischen Modellen vorhergesagt werden. Jedoch werden solche Modelle derzeit eher für die Simulation von kleinen Laborproben oder für die Versagensvorhersage bereits defektbehafteter Komponenten eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein umfassendes Modellierungskonzept für die Grenzzustandsvorhersage in Druckbehältern auf Basis schädigungsmechanischer Simulationen zu entwickeln.Ein solches Modellierungskonzept muss drei Hauptanforderungen erfüllen: Es muss effizient in einer großen Zahl von Druckbehältersimulationen eingesetzt werden können, es muss alle relevanten Lastzustände erfassen und es muss sich auf Nennzähigkeitsforderungen beziehen können. Letzteres ist erforderlich, da die Auslegung von Druckbehältern immer auf Basis von Nennmaterialkennwerten erfolgt.Durch das Zusammenführen bestehender Modellierungskonzepte sowie die Bereitstellung neuartiger Verknüpfungsansätze wurde ein solches Konzept entwickelt. Der Versagensprozess in HSLA Stählen wurde anhand gestoppter Experimente untersucht, um einen geeigneten Grenzzustand zu identifizieren. Als solcher wurde der Beginn lokaler Entfestigung, homogenisiert über die typische Größe finiter Elemente, definiert. Die zugehörigen Grenzdehnungen in Abhängigkeit des Spannungszustands wurden numerisch aus Zellelementen abgeleitet, welche Gurson-Modelle zur Abbildung der mechanischen Antwort enthielten. Die Anwendung von Gurson-Modellen ermöglicht hierbei einen Bezug zu Nennzähigkeitsforderungen, welche durch eine künstliche Verschlechterung der Gurson-Parameter eingestellt werden können. Dieses Konzept wurde um Lodewinkelabhängigkeit und die Berücksichtigung adiabatischer Erwärmung erweitert. Zusätzlich wurde ein Kalibrierungsschema auf Basis einer Sensitivitätsanalyse definiert, um eine zuverlässige Korrelation von Gurson-Parametersätzen und Zähigkeitsniveaus zu ermöglichen. Da die Anwendung dehnungsbasierter Grenzzustandskriterien in großskaligen Simulationen mit variierender Netzgröße problematisch sein kann, wurde eine Skalierungsfunktion entwickelt und getestet, die eine Anpassung des Grenzdehnungskriteriums an die Netzgröße ermöglicht.Zum experimentellen Abgleich wurde ein Druckbehälter, der aus dem hochfesten Stahl P690Q hergestellt wurde, in einem Berstversuch zerstörend getestet. Der Druckbehälter besaß eine Länge von etwa 3 m, einen Außendurchmesser von 1200 mm, einen eingeschweißten Stutzen mit einem Außendurchmesser von 470 mm und eine Wanddicke von 50 mm. Die schädigungsmechanischen Modelle wurden an Kleinproben kalibriert, die aus identischem Material hergestellt wurden. Während des Berstversuchs wurde der Behälter mit Wasser durch Ventile im Stutzendeckel befüllt. Der Berstdruck betrug 680 bar, das Versagen begann am Übergang von Stutzen zum Behältermantel. Der Druckbehälter konnte damit dem Dreifachen seines Auslegungsdrucks von 226 bar standhalten. Das entwickelte Modellierungskonzept wurde in Simulationen des Berstversuchs getestet. Der Grenzzustand wurde in der Simulation zuerst bei 653 bar erreicht, dies entspricht 96% des Berstdrucks. Die Orte, an welchen erste Risse im Druckbehälter auftraten, wurden korrekt am Übergang von Stutzen zu Mantel vorhergesagt. Die entwickelte Skalierungsfunktion ermöglichte hierbei eine weitgehend netzunabhängige Vorhersage des Grenzzustands. Die Vorhersagefähigkeit des entwickelten Modellierungskonzeptes konnte daher erfolgreich demonstriert werden.Die Anwendung des Modellierungskonzeptes unter Bezugnahme auf nominale Zähigkeitsanforderungen konnte zeigen, dass die vorhergesagten nominalen Grenzdrücke unterhalb des globalen nichtlinearen Verhaltens lagen, jedoch deutlich höher als der Auslegungsdruck. Das nominale Grenzdehnungskriterium wurde im begleitenden Forschungsprojekt in einer Vielzahl von Druckbehältersimulationen eingesetzt. Diese bildeten die Datenbasis für den folgenden Einsatz probabilistischer Sicherheitskonzepte. Das berechnete, angemessene Niveau für eine Auslegungsspannung betrug 63% der Streckgrenze. Dies ist ein deutlicher Hinweis, dass die aktuelle Benachteiligung hochfester Stähle nicht gerechtfertigt ist. Die sichere Anwendbarkeit hochfester Druckbehälterstähle konnte sowohl im Experiment als auch in numerischen Simulationen demonstriert werden. Das Reduktionspotential der Sicherheitsfaktoren wurde durch die probabilistische Analyse aufgezeigt. Das entwickelte Modellierungskonzept ermöglicht eine innovative, skalenübergreifende Versagensmodellierung von großskaligen Strukturen und Komponenten unter Berücksichtigung von Nennmaterialkennwerten. Dieses Konzept kann in zukünftigen Studien zur Untersuchung der effizienten und sicheren Anwendung hochfester Stähle in weiteren Konstruktionen und Komponenten angewendet werden.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

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