Simplified determination of elastic-plastic accumulated strain for analytical life assessment of structures by means of the Simplified Theory of Plastic Zones based on Zarka's method

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Hartwig Hübel
• Subject Area: Applied Mechanics, Statics and Dynamics ; Mechanics
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 286671283

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Die Projektthemen waren Untersuchungen zur Vereinfachten Fließzonentheorie - eine numerische Methode zur effizienten Abschätzung von Zustandsgrößen zur Bemessung von zyklisch überelastisch beanspruchten Tragwerken. Hierbei wurde der Fokus auf die Beschleunigung des Berechnungsablaufs, der Erweiterung des Anwendungsspektrums und der Steigerung der Leistungsfähigkeit gelegt. In dem Projekt ist es gelungen, eine Vorgehensweise (die Methode der adaptierten Tangentensteifigkeit - MaT) zu entwickeln, die das Implementieren verschiedener Verfestigungsfunktionen ermöglicht. So können neben der Verwendung von multilinearen Werkstofffunktionen nun auch Stoffgesetze mit begrenzter und nichtlinearer Verfestigung implementiert werden. Die herausforderndste Aufgabenstellung war in diesem Projekt die Erweiterung der VFZT auf Belastungen mit mehr als zwei Lastextrema. Sowohl für elastische als auch für plastische Einspielzustände sind Verfahren entwickelt worden, die eine gute Abschätzung der Zustandsgrößen im Einspielzustand unter der Verwendung von Mehrparameterbelastung liefern. Zwar sind diese Verfahren noch gewissen Anwendungsgrenzen unterlegen und bis zur endgültigen Anwendungsreife noch weitere Arbeiten notwendig, doch die prinzipielle Möglichkeit dieser Erweiterung ist nun bestätigt. Weiterhin lässt sich auch die Temperaturabhängigkeit des Tangentenmoduls durch die VFZT berücksichtigen, was eine realistischere Anwendung für thermo-mechanisch beanspruchte Tragwerke zulässt. Durch die Entwicklung der VFZT ist es erstmals praktikabel geworden, sogenannte Dehnungs-Akkumulations-Diagramme (DAD) zu entwerfen. In den DAD‘s werden Dehngrenzen akkumulierter Zustände für eine bestimmte Konfiguration von Bauteilgeometrie, Belastungsart und Materialparameter im Raum der Lastfaktoren dargestellt. Diese Diagramme könnten als Bemessungsgrundlage in Regelwerken wie KTA-Regelwerke und ASME B&PV Code Anwendung finden. Die Entwicklungen in Bezug auf den Programmablauf und die nummerische Stabilität sind in diesem Projekt derart vorangekommen, dass ein Praxistransfer in kommerzielle und nicht-kommerzielle Software nun möglich ist und auch vom Antragsteller und Projektbearbeiter angestrebt wird. Die Forschungsergebnisse wurden in sieben Publikationen mit Peer-review Verfahren und durch sechs Konferenzbeiträge veröffentlicht. Während der Projektphase wurde der wissenschaftliche Nachwuchs durch die Betreuung einer Masterarbeit und einer Promotion gefördert.

Publications

• Determination of post-shakedown quantities of a pipe bend via the simplified theory of plastic zones compared with load history dependent incremental analysis. In: COMPUTER METHODS IN MECHANICS (CMM2017): Proceedings of the 22nd International Conference on Computer Methods in Mechanics, Lublin, Poland, 13–16 September 2017. AIP Conference Proceedings, S. 120004-1 – 120004-12
  Vollrath, B.; Hübel, H.
  
• Ratcheting caused by moving loads. International Journal of Advanced Structural Engineering 9, Heft 2, S. 139 – 152
  Hübel, H.; Vollrath, B.
  
• Simplified Analysis of Strains Accumulated in the State of Elastic Shakedown Considering Multi-Parameter Loadings. In: Volume 3: Design and Analysis. ASME 2018 Pressure Vessels & Piping Conference, July 15-20, 2018, Prague, Czech Republic. American Society of Mechanical Engineers, S. 1 – 10
  Hübel, H.; Vollrath, B.
  
• Simplified determination of accumulated strains to satisfy design code requirements. International Journal of Pressure Vessels and Piping 171, S. 92 – 103
  Hübel, H.; Vollrath, B.
  
• Direct Analysis of Post-Shakedown Quantities With the STPZ Considering Multi-Parameter Loading. In: Volume 3: Design and Analysis. ASME 2019 Pressure Vessels & Piping Conference, San Antonio, Texas, USA, July 14 - 19, 2019. American Society of Mechanical Engineers, S. 1 – 7
  Vollrath, B.; Hübel, H.
  
• Limited Versus Unlimited Strain Accumulation Due to Ratcheting Mechanisms. Journal of Pressure Vessel Technology 141, Heft 3, S. 214 – 223
  Hübel, H.; Vollrath, B.