Implementierung eines strukturabhaengigen Werkstoffmodells fuer die Superlegierung IN738LC in das Finite Elemente Programm ABAQUS

Abstract

Superalloys, mainly consisting of nickel, are used for applications in aerospace as well as in stationary gas turbines. In the temperature range above 800 C the blades, which are manufactured of these superalloys, are subjected to high centrifugal forces and thermal induced loads. For computer based analysis of the thermo-mechanical behaviour of the blades models for the stress-strain behaviour are necessary. These models have to give a reliable description of the stress-strain behaviour, with emphasis on inelastic affects. The implementation of the model in finite element codes requires a numerical treatment of the constitutive equations with respect to the given interface of the used code. In this paper constitutive equations for the superalloy IN738LC are presented and the implementation in the finite element code ABAQUS with the numerical preparation of the model is described. In order to validate the model calculations were performed for simple uniaxial loading conditions as well as for a complete cross section of a turbine blade under combined thermal and mechanical loading. The achieved results were compared with those of additional calculations by using ABAQUS, including Norton's law, which was already implemented in this code. (orig.)Als Werkstoff fuer Turbinenschaufeln, sowohl in der Luftfahrt als auch bei stationaeren Gasturbinen, kommen Superlegierungen zum Einsatz, die ueberwiegend aus Nickel bestehen. Die aus ihnen gefertigten Schaufeln werden im Temperaturbereich ueber 800 C hohen Fliehkraftbelastungen und thermisch induzierten Beanspruchungen ausgesetzt. Zur rechnergestuetzten Analyse des thermomechanischen Verhaltens der Schaufeln sind Werkstoffmodelle erforderlich. Diese Modelle muessen das Spannungs-Verzerrungsverhalten zuverlaessig beschreiben. Hierbei kommt es vor allem auf die Erfassung inelastischer Effekte an. Die Implementierung des Werkstoffmodells in ein FE-Programm erfordert eine numerische Aufbereitung der konstitutiven Gleichungen. Sie muss unter Beachtung von Schnittstellendefinitionen des vorliegenden FE-codes durchgefuehrt werden. In der folgenden Arbeit wird das Werkstoffmodell fuer die Superlegierung IN738LC vorgestellt und die Implementierung in ABAQUS mit der damit verbundenen numerischen Aufbereitung des Modells beschrieben. Zur Validierung wurden Testrechnungen sowohl fuer einfache einachsige Belastungsfaelle als auch fuer ein Turbinenschaufelprofil unter thermischer und mechanischer Belastung durchgefuehrt. Die erzielten Ergebnisse wurden mit den Resultaten weiterer ABAQUS-Rechnungen verglichen, bei denen das bereits implementierte Norton-Gesetz verwendet wurde. (orig.)Diplomarbeit submitted by J. WoltersAvailable from TIB Hannover: RA 831(2907) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEDEGerman