Modellierung des Hochtemperaturkriechens für strukturmechanische Anwendungen

Für zahlreiche Bauteile für Hochtemperaturanwendungen ist die Lebensdauerabschätzung im Kriechbereich die wichtigste Aufgabe bei der Vorbereitung von Einsatzentscheidungen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen umfassenden Überblick über die theoretische Modellierung und die Analyse des Kriechens und der Langzeitfestigkeit von Bauteilen zu geben. Dabei stehen folgende Schwerpunkte im Mittelpunkt: Konstitutivgleichungen für das Kriechen von Ingenieurwerkstoffen unter mehrachsigen Beanspruchungen, strukturmechanische Modelle für Balken, Platten, Schalen und dreidimensionale Körper sowie numerische Verfahren für die Lösung nichtlinearer Anfangs-Randwertaufgaben der Kriechmechanik. Im Rahmen der konstitutiven Modellierung werden zahlreiche Erweiterungen der Mises-Odqvist-Kriechtheorie wie die Einbeziehung der Art des Spannungszustandes, der Anisotropie sowie der Verfestigungs- und Schädigungsvorgänge diskutiert. Für Sonderfälle der Materialsymmetrien werden geeignete Invarianten des Spannungstensors, Ansätze für Vergleichsspannungen und -dehnungen sowie Konstitutivgleichungen zum anisotropen Kriechen formuliert. Das Primärkriechen und transiente Kriechvorgänge können durch die Einführung von Verfestigungsvariablen beschrieben werden. Die Modelle der Zeit- und Deformations- sowie der kinematischen Verfestigung werden bezüglich der Vorhersagbarkeit des mehrachsigen Kriechens, die bisher auf die Beschreibung des Tertiärkriechens und der Langzeitfestigkeit angewandt wurden. Für einige Ingenieurwerkstoffe werden Kriechkurven, Konstitutivgleichungen, konstitutive Funktionen und Werkstoffkennwerte anhand der in der Literatur publizierten Daten zusammengefasst. Ferner wird ein neues Modell zur Beschreibung des anisotropen Kriechens in einem mehrlagigen Schweißgut vorgestellt.Die Grundgleichungen für das Kriechen in dreidimensionalen Körpern werden zum Zweck der Formulierung von Anfangs-Randwertproblemen, Variationsverfahren und Zeitschrittalgorithmen zusammengefasst. Zahlreiche Modelle der Strukturmechanik für Balken, Platten und Schalen werden bezüglich ihrer Anwendbarkeit auf Kriechprobleme diskutiert. Hier wird auf Effekte wie Querschubverzerrung, Randschichten und geometrische Nichtlineatitäten aufmerksam gemacht. Modelle mit Schädigungsvariablen werden mit Hilfe einer benutzerdefinierten subroutine in das Programmsystem ANSYS eingebunden. Für deren Verifikation werden Testaufgaben entwickelt und mit Hilfe spezieller numerischer Verfahren gelöst. Berechnungen der selben Aufgaben mit der Methode der finiten Elemente illustrieren die Anwendbarkeit der entwickelten subroutine für verschiedene Typen von finiten Elementen. Weiterhin zeigen sie den Einfluss der Netzdichte auf die Lösungsgenauigkeit. Abschließend wird die Langzeitfestigkeitsanalyse einer räumlichen Rohrleitung vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Verfahren in der Lage ist, die wesentlichen Kriech- und Schädigungsvorgänge in Ingenieurkonstruktionen darzustellen.