Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Werkstoffverhalten unter Mehrachsigkeit
© Fraunhofer IWM
Risswachstum unter komplexen Beanspruchungen
© Fraunhofer IWM
Ermüdungsverhalten und Bruchmechanik
Lasttragende Bauteile und Strukturen sind stets komplexen Spannungszuständen ausgesetzt. Das betrifft alle Industriebereiche, beispielsweise Automobil- und Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt oder Stahl- und Brückenbau. Viele technische Schadensfälle lassen sich auf eine Materialermüdung infolge von zyklischen mechanischen Beanspruchungen zurückführen. Für den zuverlässigen Einsatz kritischer Komponenten kommt der Beschreibung der Materialermüdung eine entscheidende Bedeutung zu.
Mit unseren Werkstoff- und Schädigungsmodellen für ermüdungsgefährdete Bauteile und Strukturen führen wir zuverlässige Lebensdauerberechnungen durch, sodass unsere Kunden die Festigkeitsreserven ihrer Konstruktionswerkstoffe unter extremen Belastungen bestmöglich ausschöpfen können.
Moderne Bruchmechanik
Der bruchmechanische Nachweis gehört zum Stand der Technik bei der Auslegung sowie der Bewertung von sicherheitsrelevanten Komponenten. Bei Vorliegen von detektierten oder postulierten rissartigen Fehlern ermöglichen die Methoden der Bruchmechanik quantitative Aussagen im Hinblick auf die Gebrauchseignung des Bauteils, dessen Restlebensdauer sowie die Sicherheit gegen eine unkontrollierte Rissausbreitung. Auf dieser Basis können fundierte Entscheidungen über die Inbetriebnahme, Laufzeitverlängerung, wiederkehrende Prüfung oder auch eine Reparatur bzw. den Austausch des Bauteils getroffen werden. Typische Einsatzgebiete der Bruchmechanik umfassen u.a.:
- Luft und Raumfahrt
- Anlagenbau
- Druckbehälter und Rohrleitungen von Kraftwerken
- Gas- und Dampfturbinen
- Pipelines
- Schienenfahrzeuge
- Stahlkonstruktionen, wie z.B. im Kran- und Brückenbau
- geschweißte Bauteile
Wir unterstützen unsere Kunden bei bruchmechanischen Aufgaben mit unseren Kompetenzen in der Werkstoffprüfung, der numerischen Simulation, der analytischen Fehlerbewertung sowie der Schadensanalyse und erarbeiten zusammen mit ihnen Lösungen zur Beurteilung der Sicherheit und Restlebensdauer von Maschinen und Anlagen, deren Laufzeitverlängerung, der Festlegung von Inspektionsintervallen, der Designoptimierung und der Werkstoffauswahl unter sicherheitsrelevanten Aspekten. Ferner helfen wir bei der Erstellung von Gutachten bzw. vertreten Untersuchungsergebnisse gegenüber technischen Aufsichtsbehörden.
Sprechen Sie uns an! Gemeinsam finden wir eine maßgeschneiderte Lösung für Ihre Fragestellung.
IWM VERB ist ein Softwaretool zur Beurteilung von Komponenten mit rissartigen Defekten. Die rechnerische Grundlage des Programms besteht aus Methoden und Lösungen der elastischen und elastisch-plastischen Bruchmechanik, die Bewertungsmethodik folgt international anerkannten Richtlinien und Dokumenten. Der Anwendungsbereich umfasst vor allem statisch oder zyklisch beanspruchte metallische Bauteile, aber auch nichtmetallische Werkstoffe können berücksichtigt werden, sofern ihr Verhalten mit den gängigen bruchmechanischen Konzepten beschrieben werden kann.
Das Fehlerbewertungsprogramm IWM VERB wird von vielen Unternehmen weltweit bei der Lösung bruchmechanischer Fragestellungen eingesetzt, wobei die Weiterentwicklung des Programms in einer engen Zusammenarbeit mit unseren Kunden erfolgt. Darüber hinaus bieten wir Schulungen zur Anwendung der bruchmechanischen Methoden an.
Unser Leistungsspektrum reicht von der Werkstoffcharakterisierung bis zur Sicherheits- und Lebensdauerbewertung von Strukturbauteilen.
- Werkstoffqualifizierung
- Mikrostruktur- und Schadensanalysen
- Experimentelle und numerische Spannungs- und Dehnungsanalysen an Bauteilen unter statischer und zyklischer Beanspruchung
- Numerische Bauteilbewertung unter statischer und zyklischer Beanspruchung mit experimenteller Begleitung durch Bauteilversuche
- Experimentelle und numerische und experimentelle Festigkeits- und Sicherheitsnachweise
- Schweißsimulation und Festigkeitsbewertung von Schweißverbindungen unter der Berücksichtigung von Eigenspannungen und Verzug
- Numerische Simulation von Kugelstrahlen, Festwalzen und Hochfrequenzhämmern mit Beschreibung der entstehenden Druckeigenspannungen
- Quantifizierung des Lebensdauergewinns sowie zuverlässige Abschätzung des Kosten-/Nutzen-Verhältnisses
Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte:
- Risszähigkeit, Risswiderstandskurven, zyklische Rissfortschrittskurven
- Risswiderstandsversuche im Temperaturbereich von ca. -196° C bis 600 °C in Anlehnung an anerkannte Prüfnormen wie z.B. ASTM E399, E1820, E1921 und E647
- nicht genormte Versuche unter kundenspezifischen Bedingungen bzw. an speziellen Proben
Beanspruchungsanalysen:
- für Proben und Bauteile mit Rissen bzw. Fehlern
- unter komplexen thermo-mechanischen Randbedingungen
- unter Verwendung gängiger sowie fortschrittlicher Werkstoffmodelle
- mit Berücksichtigung von elastisch-plastischen Verformungen, Kriechvorgängen und fortschreitender Schädigung
- bei statischer sowie zyklischer Belastung
- unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen
Bruchmechanische Bewertung:
- nach anerkannten Regelwerken wie z.B. R6, SINTAP, FITNET, BS 7910, API 579, FKM-Richtlinie
- unter Anwendung spezieller Software, z.B. IWM VERB oder ERWIN
- inkl. Umsetzung kundenspezifischer Anforderungen (Bauteil- und Rissgeometrie, Beanspruchungsbedingungen, Werkstoffeigenschaften) in der Software
- mit deterministischen sowie probabilistischen Methoden
Ferner erarbeiten wir fortschrittliche Lösungsansätze sowie Bewertungskonzepte und setzen diese konsequent in unseren Berechnungsprogrammen ein sowie in der von uns mitentwickelten FKM-Richtlinie »Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis« um (FKM = Forschungskuratorium Maschinenbau).
- Elektromechanische, servohydraulische und Resonanz-Prüfmaschinen (N bis MN Bereich) zur Durchführung von statischen und zyklischen Werkstoff- und Bauteilversuchen
- Mehrachsige Belastungsvorrichtungen (Tension-Torsion; Spannfeld) für mehrachsige Bauteilprüfung
- Klimatisierte Shock- und Vibrationsprüfung
- Metallografie und Bruchflächenanalyse
- Ausstattung zur Durchführung bruchmechanischer Charakterisierungsversuche (z.B. ASTM E399, E1820, E1921, E647) über große Kraft- und Temperaturbereiche
- Dehnungsermittlung über Clip-Gauges oder Grauwertkorrelation zur flächenhaften Dehnungsmessung