Numerische Beanspruchungsanalysen und bruchmechanische Festigkeitskriterien zur Optimierung der Thermoschockbeständigkeit von gradierten und geschichteten Strukturen aus Feuerfestwerkstoffen
Final Report Abstract
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.
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