Estimation and description of the cut-edge influence on the strain-life curve of thin sheets

Die Bedeutung des Kantenzustandes für das Schwingfestigkeitsverhalten ist darauf zurückzuführen, dass Schwingungsrisse in der Regel an der Oberfläche schwingend beanspruchter Bauteile initiiert werden. Der Kantenzustand fasst dabei den fertigungsbedingten Zustand im Bereich der Kante in Form von Oberflächenrauheit, Verfestigung der oberflächennahen Randschicht und das Auftreten von Eigenspannungen sowie etwaige Gefügeveränderungen zusammen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Eignung bekannter Abschätzmethoden für die Beschreibung eines Kanteneinflusses laserstrahl- und schergeschnittener Feinbleche im Rahmen des Örtlichen Dehnungskonzepts untersucht. Hierfür werden bestehende Korrelationen dreier bekannter Abschätzmethoden um die Daten sechs verschiedener Stahlfeinbleche mit polierter, laserstrahl- und schergeschnittener Kante erweitert, wobei für jeden Kantenzustand eine eigene Korrelation angestrebt wird. Als größtes Problem wird identifiziert, dass teilweise einzelne der zyklischen Kennwerte unabhängig von beispielsweise der Zugfestigkeit konstant gehalten werden. Ein möglicher Lösungsansatz sind entsprechende Korrelationen. Weiterhin zeichnet sich ab, dass eine Unterteilung der Werkstoffgruppe Stahl anhand des Gefüges und der Verformungs- und Verfestigungseigenschaften sinnvoll oder gar erforderlich sein kann. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird eine Weiterentwicklung einer der Abschätzmethoden erarbeitet, welche gute Vorhersagen der schergeschnittenen Kante bietet. Für die laserstrahlgeschnittenen Kanten liefert der Ansatz keine brauchbare Abschätzung der Dehnungs-Wöhlerlinie. Für einen weiteren Ansatz, den Integralen Ansatz, wird die Manson-Coffin-Beziehung durch Multiplikation mit dem Einflussterm e'(N)^d erweitert. Dieser beschreibt den Verlauf der Potenzfunktion, die zur Beschreibung des Kanteneinflusses verwendet wird. Es zeigt sich, dass der Quotient aus der Gesamtdehnung der Schneidkante und der polierten Kante im Verlauf über der Schwingspielzahl in guter Näherung durch ein Potenzgesetz beschrieben werden kann. Mit diesem Ansatz können zufriedenstellende Näherungen der laserstrahl- und schergeschnittenen Kanten erstellt werden. Für die Bildung einer Abschätzfunktion werden die neu eingeführten Kennwerte e' und d mit der 0,2%-Dehngrenze des Grundwerkstoffes korreliert.The importance of the edge condition for the fatigue behavior is due to the fact that fatigue cracks are usually initiated at the surface. In this context, the edge condition summarizes the manufacturing-related condition in the area of the edge in the form of surface roughness, hardening of the surface-near boundary layer and the occurrence of residual stresses as well as any microstructural changes. Within the scope of the present work, the suitability of known estimation methods for the description of an cut-edge influence of laser- and shear-cut thin sheets is investigated in the context of the local strain concept. For this purpose, existing correlations of three known estimation methods are extended by the data of six different steel sheets with polished, laser- and shear-cut edges, aiming at a separate correlation for each edge condition. The biggest problem identified is that in some cases individual of the cyclic material parameters are held constant independently of, for example, the tensile strength. Furthermore, it becomes apparent that a subdivision of the steel material group on the basis of the microstructure and the deformation and hardening properties may be useful or even necessary. Based on these findings, a further development of one of the estimation methods is worked out, which offers good predictions of the shear-cut edge. For the laser-cut edges, the approach does not provide a useful estimate of the strain Woehler line. For another approach, the integral approach, the Manson-Coffin relation is extended by multiplying it by the influence term e'(N)^d. This describes the course of the power function used to describe the cut-edge influence. It is shown that the quotient of the total strain of the cut-edge and the polished edge as it evolves over the number of cycles can be described in good approximation by a power law. With this approach, satisfactory approximations of the laser- and shear-cut edges can be produced. For the formation of an estimation function, the newly introduced parameters e' and d are correlated with the 0.2% offset yield stress of the base material

Dezentrale Zustandsüberwachung für intelligente Niederspannungsnetze

Die Transformation des Energiesystems hin zu mehr erneuerbaren Energien stellt insbesondere die Verteilungsnetzebene des elektrischen Energieversorgungsnetzes vor neue Herausforderungen. Die bisher typischen Leistungsflüsse im Mittel- und Niederspannungsnetz sind gekennzeichnet durch eine zentralisierte, unidirektionale Energieverteilung. Die zukünftigen Anforderungen an die Niederspannungsnetze, die bereits heute wahrnehmbar sind, ergeben sich durch eine ständig wachsende Durchdringung dieser Netze mit dezentralen Energieerzeugungsanlagen, aber auch durch die zunehmende Anzahl von Verbrauchern mit hohem Leistungsbedarf, wie z.B. Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen. Die heutigen Niederspannungsnetze sind für diese Anforderungen nicht ausgelegt worden. Zur Vermeidung des kostenintensiven Ausbaus der Netzkapazität wird heute zunehmend die Ausstattung der Netze mit geeigneter Automatisierungstechnik und damit der Ausbau zu intelligenten Netzen (Smart Grids) favorisiert. Im Zuge dieser Entwicklung gewinnt die Kenntnis über den aktuellen Netzzustand erheblich an Bedeutung. Im heutigen, passiven Niederspannungsnetz wird der Netzzustand allerdings nicht überwacht. Die vorliegende Arbeit stellt neue Verfahren zur dezentralen Echtzeit-Zustandsüberwachung für intelligente Niederspannungsnetze vor. Die besondere Herausforderung dieser Verfahren liegt in der Bewältigung der systemimmanenten Unterbestimmtheit des Netzgleichungssystems, da die Messtopologie im Niederspannungsnetz aus wirtschaftlichen Erwägungen in aller Regel spärlich ist. Die Funktionsfähigkeit der im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Verfahren wurde zunächst simulatorisch validiert. Anschließend wurden die Verfahren in die Firmware eines geeigneten Kleinfernwirksystems implementiert und in der Praxis erprobt. Damit wurde eine solide Entscheidungsgrundlage für nachgelagerte Regelungsalgorithmen, die die Leistungsflüsse in kritischen Netzsituationen minimalinvasiv beeinflussen, bereitgestellt

Statisches und zyklisches Verformungsverhalten fein- und ultrafeinkörniger Werkstoffzustände eines metastabilen austenitischen Stahls

Ein metastabiler austenitischer Stahl der Zusammensetzung 16Cr-7Mn-6Ni wurde einerseits über die Methode der Rückumwandlung in Werkstoffzustände verschiedener Korngrößen überführt und andererseits additiv über das Electron Beam Melting (EBM)-Verfahren gefertigt. Das statische und das zyklische Verformungsverhalten werden stark von der Korngröße beeinflusst. Insbesondere der ultrafeinkörnige Zustand verzeichnete einen erheblichen Anstieg der Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität. Die Lebensdauer übertraf bei niedrigen Dehnungsamplituden die Lebensdauer der Vergleichszustände und lag - für ultrafeinkörnige Gefüge außergewöhnlich - selbst bei hohen zyklischen Beanspruchungen auf einem vergleichbaren Niveau. Im Gegensatz zur Korngröße hatten die prozessinhärenten Defekte der mittels EBM hergestellten Varianten kaum einen Effekt auf das Verformungsverhalten des Stahls. Auch die Absenkung der Lebensdauer fiel vergleichsweise gering aus. Diese hervorragende Schadenstoleranz wird der hohen Duktilität in Kombination mit der enormen Verfestigungskapazität zugeschrieben

Ermüdungsfestigkeit von Stumpfnahtverbindungen größerer Blechdicke gefügt mit Hochleistungsschweißverfahren

In vielen Bereichen des Ingenieurwesens gehört das Schweißen zu den maßgebenden und am häufigsten angewendeten Verbindungstechniken. Auch für Tragstrukturen von Windenergieanlagen, zu denen u. a. Türme und Monopiles gehören, sind stumpfgestoßene, dickwandige Schweißverbindungen charakteristisch. Durch die zunehmenden Dimensionen und Beanspruchungen geraten konventionelle Hochleistungsfügeverfahren wie das Unterpulverschweißen an die Grenzen ihrer technischen Umsetzbarkeit. Gleiches gilt auch für das Design und die Bemessung dieser Verbindungen. Zum Nachweis der Ermüdungssicherheit ist bisher das Nennspannungskonzept, basierend auf experimentell ermittelten Wöhlerlinien, Stand der Technik und maßgebend in gültigen Bemessungsnormen wie dem Eurocode 3. Dieses Verfahren ist einfach in der Anwendung, bietet aber kaum Möglichkeiten, lokale Nahteigenschaften zu berücksichtigen und so zu einer individuellen Dimensionierung zu gelangen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu einer zuverlässigen Lebensdauerprog-nose auf Basis lokaler Ermüdungskonzepte, indem sie die Anwendbarkeit des Zwei-Phasenmodells, d. h. einer Kombination aus Kerbdehnungs- und Rissfortschrittskonzept, für die Bemessung von dickwandigen Stumpfstößen untersucht. Wesentliche Eingangsgrößen für dieses Modell sind die aus der Nahtgeometrie resultierende, elastische Spannungserhöhung und die lokale, inhomogene Festigkeitsverteilung über den Nahtquerschnitt. In großem Umfang wurden daher die Nahtprofile der Schweißproben vor der Schwingprüfung messtechnisch erfasst und durch entsprechende Filter für die numerische Analyse der Kerbformzahlen aufbereitet. Erst durch das Filtern mit entsprechender Grenzwellenlänge werden Messdaten vereinheitlicht und grundsätzlich vergleichbar. Für das Qualitätsmanagement innerhalb der Schweißfertigung und auch den direkten Eingang in Bemessungskonzepte ist dieser Schritt essentiell. Am Ende der Untersuchung steht eine umfassende Datenbasis zur Kerbgeometrie stumpfgeschweißter Verbindungen. Diese lokalen Nahtgeometrieeigenschaften und aus der Härte umgewertete Festig-keitsverteilungen über den Querschnitt bilden nun die maßgebenden Eingangspara-meter für das Zwei-Phasenmodell. Die Validierung an experimentell ermittelten Schwingfestigkeiten zeigt die Anwendbarkeit und das Potential des Modells. Die erreichte Prognosegüte für verschiedene Stahlwerkstoffe und Randbedingungen ist hoch. Durch die große Datenbasis ist es möglich, statistische Verteilungen dieser Eingangsparameter abzuleiten und im Rahmen stochastischer Monte-Carlo-Simulationen zu untersuchen. Das Potential lokaler Nachweiskonzepte für eine wirtschaftliche und sichere Bemessung großer Stahlstrukturen kann damit eindeutig aufgezeigt werden

Die wirtschaftliche Entwicklung im Inland zur Jahreswende 2010/2011 - Feste Konjunktur in unsicherem Umfeld

Die deutsche Wirtschaft befindet sich in einem kräftigen Aufschwung. Das BIP ist 2010 um 3,6% gewachsen – die höchste Rate seit der Wiedervereinigung. Wesentliche Impulse kamen aus dem Ausland, da sich an den dramatischen Einbruch des Welthandels im Jahr 2009 eine Phase seiner Normalisierung anschloss. Diese Impulse übertrugen sich auf die Inlandsnachfrage. Bei verbesserten Absatzaussichten nahm die Investitionsneigung der Unternehmen zu, und die günstigen Arbeitsmarktperspektiven stärkten den privaten Konsum. Gefördert wurde all dies durch das historisch niedrige Zinsniveau. Dieses trug dazu bei, dass die Wohnungsbauinvestitionen kräftig ausgeweitet wurden. Allerdings hat das Aktivitätsniveau vielfach noch nicht den Stand vor Ausbruch der Finanzkrise erreicht. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Situation am Arbeitsmarkt überraschend günstig dar. Die Zahl der Erwerbstätigen liegt bereits um mehr als 300 000 über dem Höchststand vor der Finanzkrise und die Zahl der registrierten Arbeitslosen ist auf den niedrigsten Stand seit 1992 gesunken. Ein Schatten auf den Aufschwung wirft der Preisanstieg: Im Februar betrug die Inflationsrate 2,0%, worin sich in erster Linie der Anstieg der Rohstoffpreise bemerkbar machte. Jedoch ist inzwischen auch ein Anziehen der Kerninflation festzustellen. So wie die niedrigen Zinsen der EZB derzeit den Aufschwung unterstützen, so begünstigt die expansive Geldpolitik die Teuerung.[...] Projektion der mittelfristigen Wirtschaftsentwicklung bis 2015Konjunktur; wirtschaftliche Entwicklung; Inland

Festigkeits- und bruchmechanische Untersuchungen einer hochtemperaturbelasteten Forsterit-Keramik für die Anwendung in Festoxidbrennstoffzellen (SOFC)

In dieser Arbeit wurde eine dotierte Forsterit-Keramik (Mg2SiO4) im Hinblick auf ihre Eignung als Substratmaterial in einer Festoxidbrennstoffzelle untersucht. Aufgrund der relativ hohen Betriebstemperaturen von 700 - 800 °C fand zur Absicherung der thermomechanischen Stabilität der dotierten Forsterit-Keramik eine Analyse des Verhaltens unter simulierten SOFC-Betriebsbedingungen statt, wobei die Auswirkungen von Temperatur und Feuchtigkeit auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften besonders berücksichtigt wurden. Für den Ausgangszustand konnte eine Härte (870 HV), Bruchzähigkeit (1,25 MPa√m), charakteristische Festigkeit (110 MPa), der Weibull-Modul (8,4) und der E-Modul (172 GPa) ermittelt werden. Die Analyse der Mikrostruktur zeigt ein mehrphasiges Gefüge, bestehend aus der Forsteritmatrix, Poren und einer Al-, Zn-reichen Sekundärphase. Für die Untersuchungen des zeit- und temperaturabhängigen Materialverhaltens unter einer statisch thermischen Auslagerung bei 750 °C und 950 °C konnte keine wesentliche Veränderung der mechanischen Eigenschaften oder der Gefügestruktur ermittelt werden. Durch eine thermische Zyklierung bei einer Temperatur von 900 °C kommt es jedoch zu einem deutlichen Abfall (ca. 50%) der charakteristischen Festigkeit. In-Situ Untersuchungen bei erhöhten Temperaturen zeigen eine Zunahme der Bruchzähigkeit, während es bei erhöhten Temperaturen zu einer Abnahme der charakteristischen Festigkeit kommt. Durch fraktographische Analysen der Bruchflächen konnten größere, bruchauslösende Defekte festgestellt werden. Es lässt sich vermuten, dass es aufgrund herstellungsbedingter Verunreinigungen mit Al2O3 zur Bildung einer Zn(Al1,4Fe0,6)O4-Spinellphase kommt, welche zu einem abnormalen Kornwachstum führt. Bedingt durch thermische Eigenspannungen kommt es infolge dieser kritischen Defekte zu einem frühzeitigen Materialversagen, was vor allem die charakteristische Festigkeit in allen untersuchten Zuständen in einem starken Maße beeinflusst