Schadenstolerante Auslegung mit hochfestem Gusseisen EN-GJS-700-2

Heine, Luisa-Marie; Münstermann, Sebastian; Broeckmann, Christoph

doi:37680

Schadenstolerante Auslegung mit hochfestem Gusseisen EN-GJS-700-2 = Damage Tolerant Design with High Strength Cast Iron EN-GJS-700-2

Heine, Luisa-Marie^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeLuisa-Marie Heine

Ausgabe1st

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (XII, 195 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-6318-9

ReiheWerkstoffanwendungen im Maschinenbau ; 18

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230605
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/750471/files/750471.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau und Institut für Werkstoffkunde (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bruchmechanik (frei) ; Ermüdungsfestigkeit (frei) ; Gusseisen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen der Energiewende nehmen technisch zuverlässige Windenergieanlagen eine zentrale Rolle ein. Vornehmlich in deren Gondel werden großvolumige Gussstrukturbauteile verbaut, bei denen fertigungsbedingte Defekte nicht ausgeschlossen werden können. Infolgedessen fordern Zertifizierer häufig, als Ergänzung zum konventionellen, einen bruchmechanischen Festigkeitsnachweis. Dabei mangelt es oft an Verständnis zu den Versagensmechanismen im Werkstoff sowie an ausgereiften Auslegungskonzepten. Insbesondere bei dem Planetenträger des Hauptgetriebes, gefertigt aus der hochfesten Gusseisengüte EN-GJS-700-2, ist der Bedarf hoch. Dieses Bauteil und sein Konstruktionswerkstoff sind folglich Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit. Ziel ist die Entwicklung eines schadenstoleranten Auslegungskonzepts, welches alle drei Stadien der Werkstoffermüdung: Schwellenwertverhalten, Kurz- und Langrissfortschritt, erfasst. Der Lösungsansatz beinhaltet dabei sowohl experimentelle und metallographische als auch numerische Methoden. Ergebnis der Untersuchungen sind Gesetzmäßigkeiten für alle drei Stadien der Schadensentwicklung. Zunächst wird das Schwellenwertverhalten in Abhängigkeit der Defektgröße beschrieben. Dies geschieht in Anlehnung an das Kitagawa-Takahashi-Diagramm sowie das Risswiderstandskurvenkonzept. Ferner wird ein funktionaler Zusammenhang zur Charakterisierung des Beanspruchungszustandes gusseisentypischer Defekte präsentiert. Dieser ist Grundlage für die Quantifizierung des Kurzrissfortschritts, bei dem insbesondere Mikrostruktureffekte und die risslängenabhängige Entwicklung des Rissschließens im Fokus stehen. Sowohl letzteres als auch der Einfluss einer variierenden statischen Vorlast werden von den im Anschluss vorgestellten Langrissfortschrittsgesetzen adressiert. Die Kombination aller Erkenntnisse resultiert im Vorschlag eines schadenstoleranten Auslegungskonzepts für EN-GJS-700-2, welches abschließend im Labormaßstab validiert wird. Im Übergang zum Langzeitfestigkeitsbereich zeigen die Vorhersagen dabei eine hohe Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen.

In the course of the energy revolution, technically reliable wind energy plants play a central role. In particular within their nacelle, high-volume structural cast iron components are used. Here, production-related defects cannot be excluded. As a result, certifiers often demand a fracture mechanically based strength assessment, in addition to a conventional one. Thereby, it often lacks a profound knowledge of the failure mechanisms within the material and sophisticated design concepts. Especially for the main gear unit’s planet carrier, manufactured out of the high strength cast iron EN-GJS-700-2, the demand is high. This component as well as its construction material are consequently the present work’s subject of investigation. The aim is the development of a damage tolerant design concept considering all the three stages of material fatigue: threshold behaviour, short and long crack growth. Thereby, the solution approach comprehends experimental and metallographic as well as numerical methods. Laws, describing all the three stages of failure development, are the result of the investigations. First, the threshold behaviour is defined as a function of the defect size. This is done in the style of the Kitagawa-Takahashi-Diagram and of the cyclic resistance curve method. Further, functional relationships, describing the loading conditions of typical casting defects, are presented. They are the basis for the quantification of the short crack growth. Here, microstructural effects and the crack length dependent development of crack closure are of special interest. The latter one as well as the impact of a varying static preload are addressed by the subsequently presented long crack growth laws. The combination of all findings results in the proposal of a damage tolerant design concept for EN-GJS-700-2. It is finally validated on laboratory scale. Thereby, in the transition region to long life fatigue, the predictions show a great accordance with experimental observations.

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