Numerische Beanspruchungsanalysen und bruchmechanische Festigkeitskriterien zur Optimierung der Thermoschockbeständigkeit von gradierten und geschichteten Strukturen aus Feuerfestwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Meinhard Kuna
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 113970381

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des vorliegenden Projektes war es, funktional gradierte und geschichtete Keramikstrukturen unter Thermoschockbelastung kontinuums- und bruchmechanisch zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass Eigenspannungen, die durch den Abkühlprozess nach dem Sintern sowie durch Schwindung entstehen, unbedingt zu berücksichtigen sind. Gerade im Hinblick auf eine Optimierung der Struktur für eine verbesserte Thermoschockbeständigkeit können die Materialeigenschaften so gewählt werden, dass an kritischen Orten im unbelasteten Zustand Druckeigenspannungen vorherrschen, welche im belasteten Zustand zu einer Verringerung der thermischen Zugspannungen führen. Dieser Effekt konnte anhand numerischer Simulationen des Abkühlprozesses sehr gut gezeigt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die herkömmlichen Thermoschockkoeffizienten R, R', R'''' und Rst schon allein aufgrund der ortsveränderlichen Materialeigenschaften nicht angewendet werden können. Bezüglich der Berechnung und Modellierung von Eigenspannungen durch Schwindung besteht weiterer Forschungsbedarf. Aufgrund der ortsveränderlichen Materialeigenschaften steigt die Komplexität einer Bauteiloptimierung enorm, sodass ein Optimierungsalgorithmus entwickelt wurde, der MONTE-CARLO-Simulationen mit Evolutionsstrategien kombiniert. Dadurch ist eine Optimierung der Materialeigenschaften in Bezug auf Thermoschockfestigkeit in vertretbarer Zeit möglich geworden. Um neuartige inhomogene FGM-Feuerfeststrukturen bruchmechanisch bewerten zu können, wurde das thermoelastische J-Integral für temperaturabhängige und gradierte Materialien erweitert und in die institutseigene Software implementiert. Der gezeigte Einfluss von FGM auf den K-Faktor eines halbelliptischen Oberflächenrisses und 2D-Kantenrisses macht das Potential dieser neuen FGM-Strukturen deutlich. Bei geschichteten Bauteilen spielen die Grenzflächen eine entscheidende Rolle. Deren Eigenschaften beeinflussen maßgeblich das Wachstum eines Risses durch die Schichten. Es wurden die Auswirkungen der Grenzflächeneigenschaften auf mögliche Risseinläufe in die Grenzflächen numerisch mit Hilfe von Kohäsivzonen untersucht. Aufgrund der Komplexität lassen sich jedoch verallgemeinerte Gestaltungsregeln für Schichtsysteme bei beliebigen thermomechanischen Belastungen nicht ableiten. Konkrete Konfigurationen müssen im Einzelnen betrachtet werden, wozu alle notwendigen Werkzeuge geschaffen wurden. Anwendung fand die bruchmechanische Bewertung von geschichteten und gradierten Bauteilen am Beispiel des Plasmabrennerversuchstandes. Hierzu wurden CaAl-Keramiken hinsichtlich eines verbesserten KI /KIc-Verhältnisses an einem halbelliptischen Oberflächenriss mit kritischer Lage ausgelegt. Bezüglich einer einfachen und schnellen bruchmechanischen Bewertung von planaren Geometrien sind Gewichtsfunktionen für verschiedene Risskonfigurationen und Materialgradierungen bzw. -schichtungen berechnet und tabellarisiert worden. Mit ihrer Hilfe kann KI ohne die aufwendige Modellierung von Rissen ermittelt werden. Des Weiteren wurden Skripte entwickelt, die eine schnelle und automatisierte Ermittlung von Gewichtsfunktionen zu beliebigen Risskonfigurationen und Materialgradierungen erlauben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Interaction integrals for thermal fracture of functionally graded piezoelectric materials. Eng. Fracture Mechanics (2010), 77: 37 - 50
  Rao, B. N., Kuna, M.
  
• Numerical study on interfacial damage of sprayed coatings due to thermo-mechanical fatique, in: XI International Conference on Computational Plasticity. Fundamentals and Applications COMPLAS XI, E. Onate, D.R.J. Owen, D. Peric and B. Suarez (Eds) (2011)
  Roth, S., Kuna, M.
  
• Numerical Study to Optimize Thermal Shock Resistance of a FGM Nozzle. refractories WOLRDFORUM (2012), 1: 175 - 180
  Storm, J., Hein, J., Kuna, M.
  
• Numerical thermal shock analysis of functionally graded and layered materials. International Journal of Thermal Sciences (2012), 60: 41 - 51
  Hein, J., Storm, J., Kuna, M.
  
• Optimal design of layered refractories for thermal shock resistance. ECCOMAS 2012 - European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, e-Book Full Papers (2012): 4511 - 4524
  Hein, J., Kuna, M.
  
• Optimizing Thermal Shock Resistance of Layered Refractories. Advanced Engineering Materials (2012), 14: 408 - 415
  Hein, J., Kuna, M.
  
• Prospects of a New Generation of Refractories Made by Ceramic Multilayer Technology. Refractories Manual 2/2012, 91 - 95
  Hein, J., Scheithauer, U., Haderk, K., Kuna, M., Michaelis, A.
  
• Thermoelastisches J-Integral für gradierte und temperaturabhängige Materialien. DVM-Bericht (2014), 246: 43 - 52
  Hein, J., Kuna, M.
  
• A 3D J-integral for functionally graded and temperature dependent thermoelastic materials, Procedia Structural Integrity 2: 2246–2254, 2016
  Hein, J., Kuna, M.
  
• Influence of Interfaces on Crack Propagation through a Layered Refractory Loaded by Thermal Shock, Journal of Ceramic Science and Technoogy 7 [2]: 203–208, 2016
  Hein, J., El Khatib, O., Kuna, M.
  
• A generalized J-integral for thermal shock analyses of 3D surface cracks in spatially and temperature dependent materials, Theoretical and Applied Fracture Mechanics (2017) 92: 318 - 330
  Hein, J., Kuna, M.