konstruktive auslegung keramischer komponenten

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Konstruktive Auslegung faserkeramischer KomponentenFaserkeramik Kolloquium 2009Kln, 03.11.2009

Sandrine Denis, Bernhard Heidenreich, Severin Hofmann DLR Stuttgart, Institut fr Bauweisen- und Konstruktionsforschung

Folie 1Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

InhaltEinfhrung Schwerpunkte der Auslegung CMC-Befestigungskonzepte Aktueller Simulationsprozess Entwicklungsschwerpunkte Zusammenfassung

Folie 2Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Inhalt

EinfhrungSchwerpunkte der Auslegung CMC-Befestigungskonzepte Aktueller Simulationsprozess Entwicklungsschwerpunkte Zusammenfassung

Folie 3Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC)Einbettung von Fasern in eine keramische Matrix mit schwacher Bindung der Faser an die Matrix oder schwacher Matrix Faser / Matrix Grenzflchen und Mikrorisse wirken als Rissstopper Quasiduktiles Bruchverhalten durch Energiedissipation (Rissumlenkung, Rissberbrckung, Faser-Pull-Out) Hohe Schadenstoleranz Geringere Steifigkeit im Vergleich zu monolithischen KeramikenTypische SpannungsdehnungskurvenFolie 4Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Nach Zok, Evans und Mackin, 1995

Rissausbreitung in CMCs

Vorteile von CMCs gegenber monolithischer KeramikMonolithische Keramik Fehlstellen (Poren, Einschlsse) unter Belastung lokale Spannungsspitzen und Risse Risse werden nicht gestoppt Katastrophaler Sprdbruch CMC Lokale berlastung Risse Energiedissipationsmechanismen wie Rissumlenkung, Rissberbrckung, Faser-Pull-Out Mikrorisse Bruchzhes Verhalten

4mm

Monolitische Keramik, Biegeprobe

C/C-SiC, Biegeprobe

Folie 5Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Vorteile von CMCs gegenber monolithischer KeramikMonolithische Keramik Werkstofffestigkeit abhngig von Fehlstellen und deren stochastischer Verteilung (WeibullWerkstoffe) Bauteilfestigkeit abhngig von Geometrie (Volumen, Oberflche) Probabilistische Auslegung der Versagenswahrscheinlichkeit Groe Bauteile fhren zu dicken Wandstrken und hohem Gewicht CMC Werkstofffestigkeit abhngig von Zusammensetzung (Fasergehalt, Orientierung) Bauteilfestigkeit unabhngig von Bauteilgre Deterministische Auslegung Dnnwandige Leichtbaustrukturen

Waschbecken

Nasenkappe aus C/C-SiC, 700mm, Wandstrke 6mmFolie 6Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

InhaltEinfhrung

Schwerpunkte der AuslegungCMC-Befestigungskonzepte Aktueller Simulationsprozess Entwicklungsschwerpunkte Zusammenfassung

Folie 7Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Werkstoffgerechte AuslegungCMC-Werkstoffe: faserdominant und anisotrop Vielfalt von Werkstoffvarianten aufwndige Ermittlung der Werkstoffkennwerte Fasergerechte Bauweisen fr Leichtbaustrukturen gekennzeichnet durch Faserorientierung parallel zu Lastrichtung und Langfaserverstrkung Endkonturnahe Fertigung Sorgfltige Integration von CMCBauteilen in metallische StrukturenZugfestigkeiten unterschiedlicher CMCs

Folie 8Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Integration von CMC-Bauteilen in MetallstrukturenSchwerpunkte der Auslegung: Stark unterschiedliche Wrmeausdehnungskoeffizienten von CMCs und Metallen Hohe Einsatztemperaturen niedrige Wrmeleitfhigkeit bei schnellen Temperaturvernderungen Spannungsspitzen im CMC Ziele der Auslegung: Ausdehnungskompatible Befestigungskonzepte und KrafteinleitungenAusdehnungskoeffizienten unterschiedlicher CMC und Metalle

Folie 9Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

InhaltEinfhrung Schwerpunkte der Auslegung

CMC-BefestigungskonzepteAktueller Simulationsprozess Entwicklungsschwerpunkte Zusammenfassung

Folie 10Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Ausdehnungskompatible BefestigungskonzepteC/C-SiC Bremsscheibe auf Metallnabe Befestigung ber Nutensteine und Nuten Sichere Positionierung Ungehinderte thermische Ausdehnung von CMC- und Metallstruktur

CMC Metallnabe Animation Bremsscheibe unter Temperaturerhhung C/C-SiC Bremsscheibe in Prfstandanlage Nutensteine und NutenFolie 11Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Ausdehnungskompatible BefestigungskonzepteWHIPOX-Brennkammerauskleidung fr Flugzeugtriebwerke Ringstruktur zusammengesetzt aus Einzelkacheln Befestigung ber radiale Laschen Ungehinderte thermische Ausdehnung von CMC-Liner und MetallgehuseMetallgehuse CMCZwischenplatte Metallkappe

Befestigung der Schindeln mittels Schrauben und Hlsen

Brennkammerrohr aus mehreren Schindeln

CMC-Brennkammerschindel

Bauweise eines Brennkammerrohrs fr Luftfahrt-Triebwerke Triebwerk(Rolls-Royce, the Jet Engine)Folie 12Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Befestigungskonzepte mit kinematischem DehnungsausgleichC/C-SiC Nasenkappe fr Raumtransporter Acht Befestigungselemente auf der Rckseite C/C-SiC Hebelsystem Unterstruktur-Lagerung aus ODSLegierung Dehnung bis ca. 3 mm bei T max. = 1600 CX38-Raumfahrzeug

Befestigungskonzept der Nasenkappe von X38-RaumfahrzeugFolie 13Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

InhaltEinfhrung Schwerpunkte der Auslegung CMC-Befestigungskonzepte

Aktueller SimulationsprozessEntwicklungsschwerpunkte Zusammenfassung

Folie 14Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Aktuelles Vorgehen bei der Auslegung mittels FEMFestigkeitswerte Materialdaten (C/C-SiC, WHIPOX) Lasten (generell Temperaturen aus CFD Berechnungen) und Randbedingungen

Versagenskriterium (Maximum der Spannungen) FE-Modell (ANSYS)

Spannungsanalyse

Sicherheitsfaktoren

Modalanalyse Vernetzung (SolidElemente)

Kritische Frequenzen

CAD-Modell

Umfeldsschwingungen (Flammenschwingungen in Brennkammern)

ModelloptimierungFolie 15Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

MaterialmodellierungAktuelle Schwierigkeiten und BegrenzungenFestigkeitswerte Materialdaten

Konsistenz der Messwerte (Normen) Herstellungsbedingte Streuung

Versagenskriterium

Lasten Experimentell schwer ermittelbare und FE-Modell KennwerteSpannungsanalyse Randbedingungen Homogenisierte Materialeigenschaften

Sicherheitsfaktoren

Ermittlung von Einzellagenkennwerte ber Klassische Laminattheorie bei CMC nicht mglich:Modalanalyse Wegen starken Unterschiede der Mikrostruktur

1 mm

Kritische Frequenzen

zwischen UD- und GewebelaminatenCAD-Modell Vernetzung Umfeldsschwingungen

Modelloptimierung

C/C-SiC Mikrorisssystem eines UD- bzw. 2DGewebelaminatesFolie 16

Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Lasten, RandbedingungenAktuelle Schwierigkeiten und BegrenzungenFestigkeitswerte Materialdaten Versagenskriterium Lasten (generell Lasten Temperaturen aus und CFD Berechnungen) Randbedingungen und Randbedingungen

Ungenaue Daten fr Krfte, Drcke, Temperaturen (Khlung blicherweise fr metallischen Bauweisen ausgelegt) Lasten aus metallischen BauweisenkonzeptenFE-Modell Spannungsanalyse

Sicherheitsfaktoren

Modalanalyse

Kritische Frequenzen

CAD-Modell

Vernetzung

Umfeldsschwingungen

Modelloptimierung Temperaturverteilungen aus CFD-Berechnungen (DLR AT Kln) Modell bzw. Sub-Modell einer BrennkammerschindelFolie 17Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

VernetzungAktuelle Schwierigkeiten und BegrenzungenFestigkeitswerte Materialdaten Versagenskriterium

Lasten und Randbedingungen

FE-Modell

Spannungsanalyse

Sicherheitsfaktoren

Spannungskonzentration an Khlungsbohrungen einer effusivgekhlten Brennkammerschindel

Modalanalyse

Kritische Frequenzen

CAD-Modell

Vernetzung

Vernetzung analog herkmmlicher Verfahren (Metall, CFK) Submodelltechnik anwendbar fr Spannungsspitzen Keine spezielle Vernetzungsmethode fr CMCModelloptimierungFolie 18Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Umfeldsschwingungen

VersagenskriteriumAktuelle Schwierigkeiten und BegrenzungenFestigkeitswerte Materialdaten Versagenskriterium Lasten Stand: analog polymere Faserverbundwerktoffe (Tsai-Wu, Hill, Maximum der Spannungen) Spannungsanalyse und FE-Modell Sicherheitsfaktoren Randbedingungen

blicherweise: Maximum der Spannungen (validiert durch Studien im Bereich der Thermalschutzstrukturen)Modalanalyse

Homogenisierte Kriterien: Defekte wie Poren, Delaminationen nicht bercksichtigtCAD-Modell

Kritische Frequenzen

Fr die Beurteilung von lokalen Spannungserhhungen bei hohen Temperaturen: Vernetzung orthotropen, temperaturabhngigen und nicht lineare Materialmodelle bentigt Umfeldsschwingungen Werkstoffvernderungen (Oxidation, Kriechen) whrend Einsatz nicht bercksichtigtModelloptimierung

Folie 19Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

InhaltEinfhrung Schwerpunkte der Auslegung CMC-Befestigungskonzepte Aktueller Simulationsprozess

EntwicklungsschwerpunkteZusammenfassung

Folie 20Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Erzeugung von numerischen Modellen aus 3D-CT-DatenMikrostrukturmodelle Bercksichtigung der morphologischen Besonderheiten (Mikroporen, Mikrorisse, Faserverlufe, Grenzflchen) Ziel: Einfluss der Mikrostruktur auf die mechanischen Kennwerte Realdefektmodelle Bercksichtigung von Makrodefekten: Form, Gre und Lage in Proben und Bauteilen Ziel: Bewertung des Defekteinflusses auf mechanische Eigenschaften

Beispiel: C/C-SiC-Ausschnitt ca. 0,5 mm Kantenlnge

Beispiel: C/C-SiC Biegeprobe mit Delamination, Mae: 10x5x35 mmFolie 21

Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Bewertung von Defekten durch RealstrukturmodelleCT-Analyse von Proben mit Defekten Segmentierung der Defektbereiche

Erzeugung von 3D-Volumenkrper Beispiel: C/C-SiC Biegeprobe mit Delaminationen1400 1200 1000 Kraft / N 800 600 400 200 0 0,00

Exp. Traversenweg Exp. optischer Wegaufnehmer FEM Realstrukturmodell FEM Idealmodell

Vernetzung und linear-elastische Berechnung Darstellung der Normalspannungen im Realstrukturmodell einer Biegeprobe

0,05

0,10

0,15 Weg / mm

0,20

0,25

0,30

Kraft-Weg-Kurven im Vergleich: Experiment, Ideal- und RealstrukturmodellFolie 22

Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Kopplung Mikro- / Meso- / MakromodelleBestimmung von Materialkenngrssen mit Hilfe der inversen Laminattheorie Validierung und Anpassung bestehender Versagenskriterien von polymeren Faserverbundwerkstoffen Experimentelle Bestimmung von Versagenskriterien (Makroebene) in Kooperation mit DLR Kln und andere : Kopplung Mikro- / Meso- / Makromodelle Nicht lineare Berechnungen Untersuchung Berechnungsmethoden fr Brennkammer Vergleich zwischen: FEM-Ergebnisse und Dehnungsmessungen bei hohen Temperaturen im Brennkammerprfstand (optische Messverfahren)Prinzip der inversen Laminattheorie(Zebdi, Boukhili, Trochu 2008)

Vernetzung aus CT-Daten

FEM: Mikro-, Meso- und MakromodelleFolie 23

Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

InhaltEinfhrung Schwerpunkte der Auslegung CMC-Befestigungskonzepte Aktueller Simulationsprozess Entwicklungsschwerpunkte

ZusammenfassungFolie 24Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

ZusammenfassungAuslegungsschwerpunkte von CMCs bekannt Wegen Vielfalt von CMC-Varianten, Anwendung einer Simulationsmethode schwierig Simulation und Experiment mssen weiter parallel verfolgt werden Ntige Weiterentwicklung von Messtechnologie bei hohen Temperaturen (Dehnungsmessungen) Grundlageforschung fr Simulationsmodelle: Inverse Laminattheorie Versagenskriterien Parametrisierte Mikrostruktur-Modelle (Vortrag H.Richter, M.Bartsch) Kopplung Mikro-, Meso- und Makromodelle Grundlagenforschung fr Lebensdauervorhersage von CMCs im Einsatz notwendig: Defekteinflsse SchadensentwicklungFolie 25Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln

Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit !

Et Merci !

Folie 26Konstruktive Auslegung faserkeramischer Komponenten > Denis, Heidenreich, Hofmann, DLR Stuttgart > Faserkeramik Kolloquium 2009, DLR Kln