Modeling of high temperature creep for structural analysis applications [Elektronische Ressource] / von Konstantin Naumenko

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• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Modeling of High-Temperature
Creep for Structural Analysis
Applications
Habilitationsschrift
zur Erlangung des akademischen Grades
Dr.-Ing. habil.
vorgelegt der
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakulta¨t
der Martin-Luther-Universita¨t Halle-Wittenberg
von
Herrn Dr.-Ing. Konstantin Naumenko
geb. am 3.08.1966 in Kharkov (Ukraine)
Gutachter:
1. Prof. Holm Altenbach, Halle (Saale)
2. Prof. Reinhold Kienzler, Bremen
3. Prof. Jacek Skrzypek, Krako´w
Halle (Saale), 12. April 2006
urn:nbn:de:gbv:3-000010187
[http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=nbn%3Ade%3Agbv%3A3-000010187]Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wa¨hrend meiner Ta¨tigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut fu¨r Prozess- und Stoffmodellierung der Martin-Luther-
Universita¨t Halle-Wittenberg.
Von Herrn Professor H. Altenbach wurde ich zu dieser Arbeit angeregt. Ich mo¨chte
ihm ganz herzlich fu¨r die Motivation, großzu¨gige Unterstu¨tzung sowie fu¨r die Be-
gutachtung dieser Arbeit danken.
Mein herzlicher Dank gilt Herrn Professor R. Kienzler und Herrn Professor
¨J. Skrzypek fu¨r die freundliche Ubernahme der Begutachtung, fu¨r das Interesse an
dieser Arbeit und wertvolle Hinweise.
Weiterhin danke ich Herrn Professor J. Altenbach, Herrn Professor O. K. Mo-
rachkowsky und Herrn Professor P. A. Zhilin fu¨r zahlreiche Anregungen, die zur
Entstehung und der Abrundung dieser Arbeit beigetragen haben.
Nicht zuletzt danke ich allen Mitarbeitern des Lehrstuhls fu¨r Technische Mechanik
fu¨r ihre Hilfe, konstruktive Diskussionen sowie das angenehme Arbeitsklima.
Mein besonderer Dank gilt meiner Familie, ohne deren liebevolle Unterstu¨tzung
diese Arbeit nicht mo¨glich gewesen wa¨re.
Halle (Saale), im April 2006
Konstantin NaumenkoAbstract
For many structures designed for high temperature applications, e.g. piping systems
and pressure vessels, an important problem is the life time assessment in the creep
range. The objective of this work is to present an extensive overview about the the-
oretical modeling and numerical analysis of creep and long-term strength of struc-
tures. The study deals with three principal topics including constitutive equations
for creep in structural materials under multi-axial stress states, structural mechanics
models of beams, plates, shells and three-dimensional solids, and numerical proce-
dures for the solution of initial-boundary value problems of creep mechanics.
Within the framework of the constitutive modeling we discuss various exten-
sions of the von Mises-Odqvist type creep theory to take into account stress state
effects, anisotropy as well as hardening and damage processes. For several cases
of material symmetries appropriate invariants of the stress tensor, equivalent stress
and strain expressions as well as creep constitutive equations are derived. Primary
creep and transient creep effects can be described by the introduction of harden-
ing state variables. Models of time, strain and kinematic hardening are examined
as they characterize multi-axial creep behavior under simple and non-proportional
loading conditions. A systematic review and evaluation of constitutive equations
with damage variables and corresponding evolution equations recently applied to
describe tertiary creep and long term strength is presented. Stress state effects of
tertiary creep and the damage induced anisotropy are discussed in detail.
For several structural materials creep curves, constitutive equations, response
functions and material constants are summarized according to recently published
data. Furthermore, a new model describing anisotropic creep in a multi-pass weld
metal is presented.
Governing equations for creep in three-dimensional solids are introduced to for-
mulate initial-boundary value problems, variational procedures and time step algo-
rithms. Various structural mechanics models of beams, plates and shells are dis-
cussed in context of their applicability to creep problems. Emphasis is placed on
effects of transverse shear deformations, boundary layers and geometrical nonlin-
earities.
A model with a scalar damage variable is incorporated into the ANSYS finite
element code by means of a user defined material subroutine. To verify the sub-
routine several benchmark problems are developed and solved by special numerical
methods. Results of finite element analysis for the same problems illustrate the ap-
plicability of the developed subroutine over a wide range of element types including
shell and solid elements. Furthermore, they show the influence of the mesh size on
the accuracy of solutions. Finally an example for long term strength analysis of a
spatial steam pipeline is presented. The results show that the developed approach is
capable to reproduce basic features of creep and damage processes in engineering
structures.Zusammenfassung
Fu¨r zahlreiche Bauteile fu¨r Hochtemperaturanwendungen ist die Lebensdauerab-
scha¨tzung im Kriechbereich die wichtigste Aufgabe bei der Vorbereitung von Ein-
¨satzentscheidungen. Ziel dieser Arbeit ist es, einen umfassenden Uberblick u¨ber die
theoretische Modellierung und die Analyse des Kriechens und der Langzeitfestig-
keit von Bauteilen zu geben. Dabei stehen folgende Schwerpunkte im Mittelpunkt:
Konstitutivgleichungen fu¨r das Kriechen von Ingenieurwerkstoffen unter mehrach-
sigen Beanspruchungen, strukturmechanische Modelle fu¨r Balken, Platten, Schalen
und dreidimensionale Ko¨rper sowie numerische Verfahren fu¨r die Lo¨sung nichtli-
nearer Anfangs-Randwertaufgaben der Kriechmechanik.
Im Rahmen der konstitutiven Modellierung werden zahlreiche Erweiterungen
der Mises-Odqvist-Kriechtheorie wie die Einbeziehung der Art des Spannungszu-
standes, der Anisotropie sowie der Verfestigungs- und Scha¨digungsvorga¨nge dis-
kutiert. Fu¨r Sonderfa¨lle der Materialsymmetrien werden geeignete Invarianten des
Spannungstensors, Ansa¨tze fu¨r Vergleichsspannungen und -dehnungen sowie Kon-
stitutivgleichungen zum anisotropen Kriechen formuliert. Das Prima¨rkriechen und
transiente Kriechvorga¨nge ko¨nnen durch die Einfu¨hrung von Verfestigungsvaria-
blen beschrieben werden. Die Modelle der Zeit- und Deformations- sowie der kine-
matischen Verfestigung werden bezu¨glich der Vorhersagbarkeit des mehrachsigen
¨Kriechens untersucht. Danach erfolgen ein systematischer Uberblick und die Be-
wertung der Konstitutivgleichungen mit Scha¨digungsvariablen, die bisher auf die
Beschreibung des Tertia¨rkriechens und der Langzeitfestigkeit angewandt wurden.
Fu¨r einige Ingenieurwerkstoffe werden Kriechkurven, Konstitutivgleichungen,
konstitutive Funktionen und Werkstoffkennwerte anhand der in der Literatur publi-
zierten Daten zusammengefasst. Ferner wird ein neues Modell zur Beschreibung
des anisotropen Kriechens in einem mehrlagigen Schweißgut vorgestellt.
Die Grundgleichungen fu¨r das Kriechen in dreidimensionalen Ko¨rpern werden
zum Zweck der Formulierung von Anfangs-Randwertproblemen, Variationsverfah-
ren und Zeitschrittalgorithmen zusammengefasst. Zahlreiche Modelle der Struktur-
mechanik fu¨r Balken, Platten und Schalen werden bezu¨glich ihrer Anwendbarkeit
auf Kriechprobleme diskutiert. Hier wird auf Effekte wie Querschubverzerrung,
Randschichten und geometrische Nichtlineatita¨ten aufmerksam gemacht.
Modelle mit Scha¨digungsvariablen werden mit Hilfe einer benutzerdefinierten
subroutine in das Programmsystem ANSYS eingebunden. Fu¨r deren Verifikation
werden Testaufgaben entwickelt und mit Hilfe spezieller numerischer Verfahren
gelo¨st. Berechnungen der selben Aufgaben mit der Methode der finiten Elemente
illustrieren die Anwendbarkeit der entwickelten subroutine fu¨r verschiedene Ty-
pen von finiten Elementen. Weiterhin zeigen sie den Einfluss der Netzdichte auf
die Lo¨sungsgenauigkeit. Abschließend wird die Langzeitfestigkeitsanalyse einer
ra¨umlichen Rohrleitung vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte
Verfahren in der Lage ist, die wesentlichen Kriech- und Scha¨digungsvorga¨nge in
Ingenieurkonstruktionen darzustellen.VIContents
1 Introduction .................................................. 1
1.1 Creep Phenomena in Structural Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Uni-Axial Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Multi-Axial Creep and Stress State Effects . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Creep in Engineering Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 State of the Art in Creep Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 Scope and Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Constitutive Models of Creep ................................. 19
2.1 General Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Secondary Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Isotropic Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25