Improved Limit State Definitions for Pressure Vessels by a Scale-bridging Application of Damage Mechanics

Brinnel, Victoria; Bleck, Wolfgang; Feldmann, Markus

doi:HT019440221

Improved Limit State Definitions for Pressure Vessels by a Scale-bridging Application of Damage Mechanics = Verbesserte Grenzzustandsdefinitionen für Druckbehälter durch eine skalenübergreifende Anwendung der Schädigungsmechanik

Brinnel, Victoria^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Victoria Brinnel

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 191 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor) ; Feldmann, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07901
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/698680/files/698680.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/698680/files/698680.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gurson model (frei) ; HSLA steel (frei) ; burst test (frei) ; damage mechanics (frei) ; pressure vessel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Anwendung moderner hochfester niedriglegierter Stähle (HSLA, high strength low alloy steels) im Druckbehälterbau wird derzeit durch die jeweiligen Auslegungsnormen behindert, obwohl dadurch ressourceneffizientere Konstruktionen möglich wären. HSLA Stähle werden hierbei durch eine eingeschränkte zulässige Ausnutzung ihrer Eigenschaften benachteiligt, welche dünnere Bauweisen verhindert. Diese Einschränkung resultiert aus der Bemessungsspannungsdefinition der Auslegungsnormen, z.B. der europäischen Richtlinie EN 13445. Diese bestimmt die Bemessungsspannung für hochfeste Stähle in Abhängigkeit der Zugfestigkeit mit einem hohen Sicherheitsfaktor. Dies führt dazu, dass für hochfeste Stähle aufgrund ihres hohen Streckgrenzenverhältnisses niedrigere Auslegungsspannungen zulässig sind. Für einen Stahl der Sorte P690Q beträgt die Auslegungsspannung lediglich 46% der Streckgrenze.Die derzeit gültigen Sicherheitsfaktoren wurden auf der Basis von Erfahrungswerten mit herkömmlichen, niedrigfesten Stahlsorten festgelegt. Probabilistische Sicherheitskonzepte, wie etwa im Eurocode (EN1990) definiert, sind geeignet, um systematisch passendere Sicherheitsfaktoren zu bestimmen. Allerdings benötigen sie als Datenbasis eine große Anzahl von Berstversuchen. Da diese jedoch sehr kostspielig und aufwendig sind, sind probabilistische Sicherheitskonzepte derzeit nicht direkt auf Druckbehälteranwendungen übertragbar. Ein Lösungsansatz für dieses Problem besteht darin, einen Teil der benötigten Versuche durch Simulationen zu ersetzen. Das duktile Versagen kann hierbei von schädigungsmechanischen Modellen vorhergesagt werden. Jedoch werden solche Modelle derzeit eher für die Simulation von kleinen Laborproben oder für die Versagensvorhersage bereits defektbehafteter Komponenten eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein umfassendes Modellierungskonzept für die Grenzzustandsvorhersage in Druckbehältern auf Basis schädigungsmechanischer Simulationen zu entwickeln.Ein solches Modellierungskonzept muss drei Hauptanforderungen erfüllen: Es muss effizient in einer großen Zahl von Druckbehältersimulationen eingesetzt werden können, es muss alle relevanten Lastzustände erfassen und es muss sich auf Nennzähigkeitsforderungen beziehen können. Letzteres ist erforderlich, da die Auslegung von Druckbehältern immer auf Basis von Nennmaterialkennwerten erfolgt.Durch das Zusammenführen bestehender Modellierungskonzepte sowie die Bereitstellung neuartiger Verknüpfungsansätze wurde ein solches Konzept entwickelt. Der Versagensprozess in HSLA Stählen wurde anhand gestoppter Experimente untersucht, um einen geeigneten Grenzzustand zu identifizieren. Als solcher wurde der Beginn lokaler Entfestigung, homogenisiert über die typische Größe finiter Elemente, definiert. Die zugehörigen Grenzdehnungen in Abhängigkeit des Spannungszustands wurden numerisch aus Zellelementen abgeleitet, welche Gurson-Modelle zur Abbildung der mechanischen Antwort enthielten. Die Anwendung von Gurson-Modellen ermöglicht hierbei einen Bezug zu Nennzähigkeitsforderungen, welche durch eine künstliche Verschlechterung der Gurson-Parameter eingestellt werden können. Dieses Konzept wurde um Lodewinkelabhängigkeit und die Berücksichtigung adiabatischer Erwärmung erweitert. Zusätzlich wurde ein Kalibrierungsschema auf Basis einer Sensitivitätsanalyse definiert, um eine zuverlässige Korrelation von Gurson-Parametersätzen und Zähigkeitsniveaus zu ermöglichen. Da die Anwendung dehnungsbasierter Grenzzustandskriterien in großskaligen Simulationen mit variierender Netzgröße problematisch sein kann, wurde eine Skalierungsfunktion entwickelt und getestet, die eine Anpassung des Grenzdehnungskriteriums an die Netzgröße ermöglicht.Zum experimentellen Abgleich wurde ein Druckbehälter, der aus dem hochfesten Stahl P690Q hergestellt wurde, in einem Berstversuch zerstörend getestet. Der Druckbehälter besaß eine Länge von etwa 3 m, einen Außendurchmesser von 1200 mm, einen eingeschweißten Stutzen mit einem Außendurchmesser von 470 mm und eine Wanddicke von 50 mm. Die schädigungsmechanischen Modelle wurden an Kleinproben kalibriert, die aus identischem Material hergestellt wurden. Während des Berstversuchs wurde der Behälter mit Wasser durch Ventile im Stutzendeckel befüllt. Der Berstdruck betrug 680 bar, das Versagen begann am Übergang von Stutzen zum Behältermantel. Der Druckbehälter konnte damit dem Dreifachen seines Auslegungsdrucks von 226 bar standhalten. Das entwickelte Modellierungskonzept wurde in Simulationen des Berstversuchs getestet. Der Grenzzustand wurde in der Simulation zuerst bei 653 bar erreicht, dies entspricht 96% des Berstdrucks. Die Orte, an welchen erste Risse im Druckbehälter auftraten, wurden korrekt am Übergang von Stutzen zu Mantel vorhergesagt. Die entwickelte Skalierungsfunktion ermöglichte hierbei eine weitgehend netzunabhängige Vorhersage des Grenzzustands. Die Vorhersagefähigkeit des entwickelten Modellierungskonzeptes konnte daher erfolgreich demonstriert werden.Die Anwendung des Modellierungskonzeptes unter Bezugnahme auf nominale Zähigkeitsanforderungen konnte zeigen, dass die vorhergesagten nominalen Grenzdrücke unterhalb des globalen nichtlinearen Verhaltens lagen, jedoch deutlich höher als der Auslegungsdruck. Das nominale Grenzdehnungskriterium wurde im begleitenden Forschungsprojekt in einer Vielzahl von Druckbehältersimulationen eingesetzt. Diese bildeten die Datenbasis für den folgenden Einsatz probabilistischer Sicherheitskonzepte. Das berechnete, angemessene Niveau für eine Auslegungsspannung betrug 63% der Streckgrenze. Dies ist ein deutlicher Hinweis, dass die aktuelle Benachteiligung hochfester Stähle nicht gerechtfertigt ist. Die sichere Anwendbarkeit hochfester Druckbehälterstähle konnte sowohl im Experiment als auch in numerischen Simulationen demonstriert werden. Das Reduktionspotential der Sicherheitsfaktoren wurde durch die probabilistische Analyse aufgezeigt. Das entwickelte Modellierungskonzept ermöglicht eine innovative, skalenübergreifende Versagensmodellierung von großskaligen Strukturen und Komponenten unter Berücksichtigung von Nennmaterialkennwerten. Dieses Konzept kann in zukünftigen Studien zur Untersuchung der effizienten und sicheren Anwendung hochfester Stähle in weiteren Konstruktionen und Komponenten angewendet werden.

The application of modern high strength low alloy steels (HSLA) in pressure vessel design is currently hindered by the corresponding design standards although it might foster resource-efficient constructions. HSLA steels are penalised by a limited admissible exploitation of their properties which prevents thinner constructions. This limitation is imposed by the design stress definition of the design standards, such as the European code EN 13445. They relate the design stress for high strength steels to the tensile strength, including a high safety factor. This leads to lower design stresses for high strength steels due to their high yield-to-tensile ratio. The admissible design stress is only 46% of the nominal yield strength for a grade P690Q. The current safety factors are based on experiences with common, low strength steels and do not consider the improved toughness properties of modern HSLA steels. Probabilistic safety concepts, as defined in the Eurocode (EN 1990), are a suitable tool to systematically derive more adequate safety factors for modern steels. However, they require a large number of full-scale burst tests. Since these are very costly, probabilistic safety concepts are not directly applicable in pressure vessel design. A possible solution to this problem is to partially replace burst tests by simulations. Ductile failure can hereby be predicted by the methods of damage mechanics. Yet, these models are mainly applied on the small scale or for the failure prediction in components with defects. The aim of this thesis is to develop a comprehensive modelling concept for the prediction of limit states in pressure vessels by damage mechanics simulations and demonstrate its predictive capabilities in comparison to a burst test.Such a modelling concept needs to fulfil three main requirements: It needs to be efficient so that it can be applied in a high number of large-scale pressure vessel simulations, it needs to cover all relevant stress states, and it needs to refer to nominal toughness values. The latter is necessary because pressure vessel design is always based on nominal material values. The modelling concept was developed by joining existing simulation approaches and providing new solutions for the missing links. The failure process in high quality HSLA steels was investigated by stopped experiments to define a suitable limit state. The local onset of softening, homogenised over the typical size of a finite element, was defined to be a suitable limit state. A numerical procedure using cell elements was applied to derive the corresponding limit strains in dependence of the stress state from simulations using Gurson models. This enabled the reference to nominal toughness levels which can be adjusted by an artificial deterioration of the Gurson parameters. This concept was extended to consider Lode angle dependence and adiabatic heating. Additionally, a calibration scheme was defined on the basis of a sensitivity analysis to enable a reliable correlation of Gurson parameters and toughness level. Since the application of strain-based limit criteria may lead to mesh influences in large-scaled simulations with varying mesh sizes, a scaling function for the limit strain criterion was developed and tested.For comparison, a demonstrator pressure vessel made from the high strength steel grade P690Q was tested in a burst test. The vessel had a length of approximately 3 m, an outer diameter of 1200 mm, a nozzle with an outer diameter of 470 mm and a wall thickness of 50 mm. The simulation models were calibrated on small scale tests performed on samples produced from the identical material. During the burst test the vessel was filled with water through valves in the nozzle top. The burst pressure was 680 bar. The failure initiated at the transition from nozzle to vessel by ductile damage. The pressure vessel withstood three times its design pressure of 226 bar. The modelling concept was tested within simulations of this burst test. The limit state in the simulation was reached first at a pressure of 653 bar; this is 96% of the burst pressure. The critical locations, at which first cracks appeared in the experiment, were predicted correctly at the transition from nozzle to vessel. The scaling function enabled a mesh-independent limit pressure prediction. The prediction capabilities of the developed concept were therefore successfully demonstrated.An application of this modelling concept with reference to nominal toughness values could show that the predicted nominal limit pressure was well below a global nonlinear behaviour but much higher than the design pressure. The nominal limit state criterion was applied in a large number of pressure vessel simulations within the accompanying research project. These formed the basis for a subsequent application of probabilistic safety concepts. The computed appropriate design stress level was 63% of the yield strength. Consequently, these results question the current penalisation of high strength steels.The safe applicability of high strength steels in pressure vessel design could therefore be demonstrated by experiments as well as simulations. The potential for a reduction of the safety factors was revealed by the accompanying probabilistic assessment. The developed modelling concept enables an innovative, scale-bridging failure modelling in large-scaled steel structures with references to nominal toughness requirements. It may be used in future studies to investigate the efficient and safe application of high strength steels in other steel constructions and components as well.

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