Probabilistic Modeling Approach to Crack Nucleation from Forging Flaws
Creators: name: Radaelli, Francesco
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Crack Nucleation
LCF
Probabilistic
Rotor
Frac-ture Mechanics
Forging Flaw
Gas Turbine

description: Der Prozess der Rissbildung aus Schmiedefehlern ist in der Literatur kaum beschrieben. In dieser Arbeit wurde dies durch umfangreiche Experimente und verschiedene Modellierungsans ätze gründlich untersucht. Sie ist eine Fortsetzung des Probabilistic Fracture Mechanics (ProbFM) Projektes, welches eine konservative Bewertung des Versagensrisikos basierend auf dem Wachstum von Ermüdungsrissen aus inhärenten Schmiedefehlern in großen Hochleistungsgasturbinen ermöglicht. Der Fokus der Versuchsreihe lag auf der Charakterisierung von typischen Schmiedefehlern und der Quantifizierung der Nukleationslebensdauer durch zyklische Belastung des Materials. Die Nukleationslebensdauer wurde definiert als die Anzahl der Belastungszyklen, die erforderlich sind, um einen scharfen Riss aus einem anfänglichen Fehler zu erzeugen. Dieser Teil des Lebenszyklus wird normalerweise beim Design ignoriert und konservativ gleich null Zyklen angenommen. Aus den Experimenten wissen wir, dass dies nicht stimmt und dass oft etwa 50% der Lebensdauer auf den Nukleationsprozess entfallen. Das Hauptziel der Untersuchungen ist die Entwicklung eines effektiven Modellierungsansatzes zur Quantifizierung der Nukleationslebensdauer von Fehlern unter variierenden Belastungsbedingungen. Dieser Ansatz muss dann in ein Engineering- Tool eingebettet werden, welches zum Design realer Komponenten verwendet wird. Es wurden drei verschiedene Modellierungsansätze untersucht, von denen einer in ProbFM implementiert wurde. Im ersten Ansatz wird der Fehler als eingebettetes Ellipsoid innerhalb des Matrixmaterials mit einer Finite-Elemente-Methode modelliert. Das Dehnungsfeld um das Ellipsoid, das sich aus den angelegten Spannungen und Temperaturen ergibt, dient als Eingabe für die lokale probabilistische LCF Bewertung. Bei dieser Bewertung wird die Wahrscheinlichkeit für Rissbildung als Oberfl¨achenintegral der lokalen Hazarddichte berechnet. Die zugrunde liegende Modellannahme ist, dass die lokale LCF-Lebensdauer Weibull verteilt ist. Der zweite und dritte Versuch basieren auf der Annahme eines Fehlers, der als flacher Oberflächenbereich modelliert ist. Auch hier wird die lokale probabilistische LCF-Lebensdauer berechnet und, in einem Fall, mit einem Lebensdauermultiplikationsfaktor w und, in dem anderen Fall, mit einem Spannungskonzentrationsfaktor Kt korrigiert. Das flächenbasierte Modell mit dem kalibrierten Spannungskonzentrationsfaktor passt am besten zu den experimentellen Ergebnissen und wird zur Implementierung vorgeschlagen. Der Konservatismus wurde während der gesamten Analyse berücksichtigt, um ein zuverlässiges Modell zu gewährleisten, das für eine technische Anwendung geeignet ist. Das resultierende Modell wurde in einer Zuverlässigkeitsbewertung eines realen Rotorscheibendesigns vorgestellt. Die erhaltenen Ausfallwahrscheinlichkeiten sind geringer, wenn die Nukleationslebensdauer berücksichtigt wird, und die Lebensdauer der Komponenten kann potenziell verlängert werden.