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Structural Integrity Assessment of Metallic Components Based on Representative Specimens

Zhu, Jiangchao (2023)
Structural Integrity Assessment of Metallic Components Based on Representative Specimens.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024511
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Structural Integrity Assessment of Metallic Components Based on Representative Specimens
Language: English
Referees: Vormwald, Prof. Dr. Michael ; Zerbst, Prof. Dr. Uwe
Date: 28 September 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: III, IV, 164 Seiten
Date of oral examination: 17 July 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024511
Abstract:

Safety relevant components, for which a failure in service could have catastrophic consequences, are usually designed for extremely low probability of failure and they are subjected to stringent part qualification procedures according to guidelines set by regulatory agencies. Manufacturers are often pushed to perform tests on full scale or scaled components to ensure the structural integrity under defined loading conditions, which are usually more severe than those expected in-service. This is usually related to a huge experimental and financial effort. Therefore, companies try to develop new strategies such as digital twins, which allow to reduce costs massively, without compromising safety. This work aims at introducing a new structural integrity assessment procedure, the main idea of which is to replace, or at least reduce, the experimental testing on components by designing specimens representative of the component, having the major benefit to be tested on conventional lab testing machines under quasi-static conditions. The effectiveness of the methodology is demonstrated on an industrial case study, namely the structural integrity of a Ni base superalloy disk used in gas turbine aero-engines at overspeed conditions. Firstly, the most stressed sites in the component under combined thermo-mechanical loads have been identified by numerical analyses. The maximum permissible defect defined by regulatory agencies has been introduced at the critical locations to calculate the crack-tip parameters to be used for the representative specimen design. Fracture mechanics specimens have been designed iteratively by numerical simulations to match the stress state including the constraint conditions and the crack-tip loading parameters determined on the component. An extensive experimental campaign has been conducted on representative specimens to determine the failure modes (ductile tearing or plastic collapse). The information about the stable crack extension have been determined post-mortem by fractographic analyses and used in conjunction with dedicated numerical analyses to determine the crack growth resistance curves (R-curves). These have been used in the frame of an analytical flaw assessment procedure based on the CDF philosophy according to the European SINTAP procedure, in order to predict the failure modes and the corresponding critical loads. The results are in good agreement with the experimental tests and show the potential of the presented methodology to predict failures in metallic components.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Sicherheitsrelevante Bauteile, bei denen ein Versagen im Betrieb katastrophale Folgen haben könnte, sind in der Regel auf eine extrem niedrige Versagenswahrscheinlichkeit ausgelegt und werden strengen Bauteilqualifizierungsverfahren gemäß von den Aufsichtsbehörden festgelegter Richtlinien unterzogen. Die Hersteller sind oft gezwungen, Tests an Komponenten in originaler bzw. skalierter Größe durchzuführen, um die Strukturintegrität unter definierten Belastungsbedingungen sicherzustellen. Diese sind in der Regel strenger, als die im Betrieb zu erwartenden. Dies ist in der Regel mit einem enormen experimentellen und finanziellen Aufwand verbunden. Daher versuchen die Hersteller, neue Strategien wie digitale Zwillinge zu entwickeln, mit denen die Kosten massiv gesenkt werden können, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, ein neues Verfahren zur Bewertung der Strukturintegrität einzuführen, dessen Hauptidee darin besteht, die experimentelle Prüfung von Bauteilen zu ersetzen oder zumindest zu reduzieren, indem für das Bauteil repräsentative Proben entworfen werden, die den großen Vorteil haben, dass sie auf herkömmlichen Laborprüfmaschinen unter quasi-statischen Bedingungen geprüft werden können. Die Wirksamkeit der Methodik wird anhand einer industriellen Fallstudie demonstriert, nämlich der Strukturintegrität einer Turbinenscheibe aus einer Ni-basierten Superlegierung, wie sie in Gasturbinen-Flugzeugtriebwerken eingesetzt wird, bei Überdrehzahl. Zunächst wurden die am stärksten belasteten Stellen im Bauteil unter kombinierten thermomechanischen Belastungen durch numerische Analysen bestimmt. An den kritischen Stellen wurden von den Aufsichtsbehörden vorgegebene, maximal zulässige Defekte angenommen. Für diese wurden die Rissspitzenparameter berechnet. Die später zu prüfenden Bruchmechanikproben wurden iterativ durch numerische Simulationen so entworfen, dass sie den Spannungszustand einschließlich der Constraintbedingungen und die am Bauteil ermittelten Rissspitzenbeanspruchungen reproduzierten. Mit ihnen wurde eine umfangreiche Versuchskampagne durchgeführt, bei denen das Versagen (Ductile Tearing oder plastischer Kollaps) experimentell untersucht wurde. Die Informationen über das stabile Risswachstum wurden post-mortem durch fraktographische Analysen ermittelt und in Verbindung mit speziellen numerischen Analysen zur Bestimmung der Risswiderstandskurven (R-Kurven) verwendet. Diese wurden im Rahmen eines analytischen Bauteilbewertungsverfahrens, das auf der CDF-Philosophie nach der europäischen SINTAP-Prozedur basiert, zur Vorhersage der Versagensarten und der entsprechenden kritischen Lasten verwendet. Die Ergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Tests überein und zeigen das Potenzial der vorgestellten Methodik zur Vorhersage des Bauteilversagens.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-245119
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics > Fachgebiet Werkstoffmechanik
Date Deposited: 28 Sep 2023 12:04
Last Modified: 29 Sep 2023 07:13
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24511
PPN: 511960581
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