EinFEM-Programmfür ebene.axialsymmetrische ......TECHNISCHE MECHANlK 7(1986)Heftl...

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  • TECHNISCHE MECHANlK 7(1986)Heftl

    Manuskripteingang: 10. 5. 1985

    Ein FEM-Programm für ebene. axialsymmetrische und räumliche

    Riß-‚ Festigkeits- und Wärmeleitprobleme

    U.-M. Eisentraut, M. Kuna

    l. Einleitung

    Bei der Einschätzung der Sicherheit rißbehafteter tech-

    nischer Bauteile durch die Bruchmechanik hat sich ge-

    zeigt, daß neben den mechanischen Beanspruchungen

    vor allem auch thermische Belastungen eine wesentliche

    Rolle spielen, so daß der eigentlichen Festigkeitsberech—

    nung die Lösung eines stationären oder instationären

    Wärmeleitproblems vorangehen muß. Typische Anwen-

    dungsbeispiele für permanente oder schockartige Tempe-

    raturbelastungen sind in energieerzeugenden und -um-

    wandelnden Anlagen wie Kernkraftwerken, Wärmekraft-

    werken, Chemieanlagen u. ä. anzutreffen. Aus diesem

    Grunde ist der Entwicklung von FEM-Software für ther-

    mische Rißprobleme größere Aufmerksamkeit zu schen-

    ken.

    Zur Behandlung ebener und räumlicher linear-elastischer

    Bruchprobleme bei bekannten Temperaturfeldern stan-

    den bisher die FEM—Programmsysteme CRACKQD [l],

    CRACKSD [2] und CRACK3DH [3] zur Verfügung. Da-

    mit fehlten Berechnungsmöglichkeiten für rotationssym-

    metrische Bruchaufgaben und für die Behandlung insta—

    tionärer Wärmeleitprobleme. Da in der DDR auf diesen

    Gebieten keine F EM—Software verfügbar war, wurde im

    IFE das Programmsystem FRACTURE erarbeitet, das

    auf dem in der CSSR entwickelten FEM—Programm PMD

    [4-] basiert.

    FRACTURE ermöglicht die Untersuchung ebener, axial-

    symmetrischer und räumlicher Riß-, Festigkeits- und

    Wärmeleitprobleme mit Hilfe der Methode der finiten

    Elemente. Ziel der Programmentwicklung war ein ein-

    heitliches, in sich geschlossenes und multivalent nutzba-

    res Programmsystem, das speziell auf die Belange der

    linear-elastischen Bruchmechanik ausgerichtet ist. Dies

    wurde erreicht durch die Einbeziehung hybrider und

    knotendistordierter isoparametrischer Rißspitzenelemen-

    te, die eine numerisch effektive Ermittlung der Bruch-

    kenngrößen gestatten. Im Gegensatz zu monolithisch

    konzipierten, großen FEM—Programmsystemen (wie z. B.

    COSAR [5]) besteht FRACTURE aus einem Komplex

    von Subroutinen, durch deren Verbindung es dem

    Nutzer möglich ist, wahlweise Programme für die Lösung

    verschiedener Aufgaben der Bruchmechanik, Festigkeits-

    analyse und Wärmeleitung zusammenzustellen. Im

    Unterschied zu COSAR gestattet das Programm die Be-

    handlung der instationären und nichtlinearen Wärme-

    leitung. Bei der Lösung des Gleichungssystems wird von ‚

    der Frontlösungsmethode Gebrauch gemacht, wohin-

    gegen die Möglichkeiten einer Substrukturierung nicht

    gegeben sind.

    2. Theoretische Grundlagen

    2.1. Verwendete FEM-Algorithm"

    Ausgangspunkt für die Lösung der elastostatischen Auf-

    gabe bildet das Prinzip vom Minimum des elastischen Ge-

    samtpotentials [5], [6]. Das entsprechende Variations-

    problcm wird nach dem Ritz-Verfahren mit Hilfe eines

    Näherungsansatzes diskretisiert und führt auf ein linea-

    res Gleichungssystem der Art

    Kv+f=0 (1)

    wobei K die Steifigkeitsmatrix, v der Vektor der unbe-

    kannten Knotenverschiebungen und f der Lastvektor ist.

    Bei instationären Feldproblemen, für die kein klassisches

    Extremalprinzip existiert, ist die Differentialgleichung

    für isotropes Materialverhalten

    aaTaaTaaT öT_»ga‘ä)+g(kg)+a(kä)+Q—Mä—Ü

    (2)

    zu lösen, wobei alle Parameter Funktionen von T sein

    können.

    Randbedingungen:

    T=T(x,y,z,t)€01,t>0 (3)

    ÖT ÖT ÖT —

    k— +k——— +k— + vatax nx ay ny az "2 (“Kay Z )

    t Ot(x.y,z,t) AT =- 0602, t>0

    Anfangsbedingungen:

    T = T0(x,y.z)€V, t=0 (4)

    Dabei sind k — Wärmeleitfähigkeit, E W Wärmeflufs,

    a — Wärmeübergangskoeffizient, Q — Intensität einer

    inneren Wärmequelle, [.1 —— spezifische Wärmekapazität.

    Es erfolgt die Approximation auf der Basis von Integral-

    formulierungen nach der Methode der gewichteten Resi-

    duen mit dem Näherungsansatz

    T = ZNiTi = NT mit N = N(x,y,z)

    ' undT z T(t). (5)

    Für N (x, y, z) wird C° — Stetigkeit gefordert.

    Daraus läßt sich ein System gewöhnlicher DGL’n erster

    Ordnung der Form

    CT+KT+f=0mitT=g (6)

    aufstellen. _

    Der stationäre Fall T = T (x, y, z) folgt aus (2) für u = 0.

    so daß aus dem Gleichungssystem (6) mit C = O

    51

  • KT + f = 0 (7)

    entsteht. Weiterführend wird auf die Spezialliteratur [5],

    [6] verwiesen. Zur Lösung der bei der FEM entstehen-

    den Gleichungssysteme werden je nach Art unterschied-

    liche Lösungsverfahren herangezogen.

    Die Lösung des Gleichungssystem (6) der instationären

    Wärmeleitung erfolgt mit Hilfe von Zweipunktrekur-

    sionsschemata.

    In der Literatur [5], [6] wird ausführlich auf die Unter-

    schiede dieser Verfahren eingegangen. Es entsteht ein

    Gleichungssystem der Art

    Kn ' Tn+1 = E 7 (8)

    das für die Temperaturen Tn+1 zu lösen ist.

    Die Gleichungssysteme der Form

    Kv + f = 0 (l)

    KT + f = 0 (7)

    werden mit der Frontlösungsmethode gelöst.

    Die Frontlösungsmethode nach Irons [7] stellt eine be-

    sonders speicherökonomische Variante der Gauss’schen

    Eliminierung dar, bei der die Aufstellung und Reduzie-

    mng der Gesamtniatrix des Systems simultan erfolgen.

    Das Gleichungssystem wird schrittweise im Hauptspei-

    cher aus den extern abgespeicherten Elementmatrizen

    aufgebaut, und im Wechsel dazu a'folgt die Elimination,

    sobald eine Zeile vollständig assembliert ist. Die dadurch

    erreichte Verringerung von Speicherbedarf und Trans

    ferzeit macht diesen Algorithmus zur Lösung großer

    Gleichungssysteme mit Bandstruktur besonders geeignet.

    Für den Fall nichtlinearer Feldprobleme wird aus (7)

    das nichtlineare Gleichungssystem

    S(T)?P(T)+f’=‘K(T)'T+f=O (9)

    mit T = T° als Anfangsbedingung.

    Das direkte Iterationsverfahren führt zur Iterationsfor-

    mel für die n-te Näherung:

    Tn = — (Kn—1)—1 f (10)

    Die Iteration wird beendet, wenn die Norm || Tn - Tn‘1 l|

    eine Schranke e unterschreitet.

    Einen verbesserten Algorithmus liefert das Newton-

    Raphson-Verfahren:

    S(T"+1)ES(T") + (3%)“ AT“ = 0

    11

    Tn+1 z’rn + AT". ( )

    Dabei stellt 3—:— = KT (T) eine Tangentenmatrix dar.

    Für jeden lterationsschritt muß ein neues lineares Glei-

    chungssystem gelöst werden.

    AT" = *(KT‘T1 (Pn +f) = —(KT“)‘]L ' S“ (12)

    Eine modifizierte Form des Verfahrens besteht darin,

    daß für mehrere Iterationsschritte dieselbe Tangenten-

    matrix verwendet wird. Eine ausführlichere Darstellung

    ist der Literatur [6] zu entnehmen.

    Alle angeführten numerischen Verfahren sind in FRAC-

    TURE implementiert.

    52

    2.2. Ermittlung bruchmechaniacher Kennwerte

    In der Bruchmechanik können mit Hilfe geeigneter

    Bruchkriterien Aussagen über die Bruchn'cherheit bzw.

    Stabilität eines Rises in einem Bauteil gemacht werden,

    wenn man die charakteristischen Bruchkenngrößen als

    Funktion von Geometrie und Belastung kennt. Im Falle

    spröden, linear-elastischen Materialverhalten dud dies die

    Spannungsintensitätsfaktoren KI, Kn und Km, die den

    asymptotischen Spannungs- und Verschiebungszustand

    an der Rißspitze beschreiben [8]. Mit Polarkoordinaten

    (r, cp) um die Rißspitze erhält man für das Verschie-

    bungsfeld unter Berücksichtigung konstanter thermi-

    scher Dehnung:

    1 r I ~ IIIII

    “i = 515—: /; {Klfi (‘P)+Kllfi(¢)+Kmfi 00)}

    + aTxi

    Die Wiedergabe der Spannungssingularität vom Typ

    [Fl/2 mit herkömmlichen Elementen erfordert eine

    ökonomisch unvertretbar feine Diskretisierung der Rifl-

    umgebung, so daß besondere Elementtypen mit ange-

    paßten Ansatzfunktionen zur Modellierung der RE-

    spitzenumgebung entwickelt wurden, vgl. z. B. [9].

    In FRACI‘URE sind zwei Typen von Rißelementen im-

    plementiert (vgl. Bild l):

    a) knotenpunkt-distordierte isoparametrische Elemente

    b) hybride Rifispitzenelemente.

    Die knot'enpunkt-distordierten Elemente sind modifi-

    zierte isoparametrische Elemente mit quadratischen An-

    satzfunktionen, bei denen die Seitenmittenknoten aller

    Elementkanten, die auf die Rißspitze zulaufen, auf die

    l/4-Position verschoben werden [10], [l], [2]. Bild 2

    zeigt einige typische ebene und räumliche Anordnungen.

    Durch diese Verzerrung entsteht im Rißelement der Ver-

    schiebungsansatz

    “i = Cu + Czfl/r—"L Cßir’ (14)

    dessen zweiter Term der zu modellierenden Rißspitzen-

    lösung (l3) entspricht, während der dritte Term eine

    konstante Wärmedehnung reproduzieren kann. Aller-

    dings wird nur die \/1'_ -Abhängigkeit der Rißspitzen-

    lösung berücksichtigt und nicht die exakte Winkelvertei-w

    lung von Gl. (13).

    Hybride Elementformulierungen bieten eine gute Mög—

    lichkeit zur Konstruktion von Rißspitzenelementen, da

    hierbei für die Feldgrößen im Element rißspezifische An-

    sätze gewählt werden können (z. B. Cl. (13) und höhere

    Rißeigenfunktionen), zugleich aber ein stetiger Übergang

    der Feldgrößen auf den Rändern zu den angrenzenden

    Standardelementen gewährleistet wird. Eigene Erfahrun-

    gen bei der Entwicklung und Anwendung ebener [II]

    und räumlicher [3] hybrider Rißelemente haben ihre

    hohe Genauigkeit und Leistungsfähigkeit bestätigt.

    Nachteilig ist, dali mit ihnen zur Zeit Temperaturbela-

    stungen nur unter Einschränkungen berücksichtigt wer-

    den können. Dafür erhält man die Spannungsintenn'täts—

    faktoren bei Verwendung hybrider Rißelemente direkt

    mit der Lösung des FEM-Systems.

  • msBid] '

    Elementkatalog von FRACTURE (isoparameu'isehe und kno-

    tendistordierte ebene, axialsymmetrische und räumliche Ele-

    mente, hybride Rifispitzenelemente)

    Allgemein stehen zur Ermittlung der Spannungsintensi-

    tätsfaktoren aus thermoelastischen Rißberechnungen fol-

    gende Methoden zur Verfügung:

    a) Vergleich der analytischen Rißspitzenlösung für die

    Spannungen oder Verschiebungen mit der FEM-Lö-

    sung in der Rißumgebung und Extrapolation der er-

    haltenen K-Werte für r -> 0. Für knotendistordierte

    Dreieckelemente liefert der Vergleich von GI. (14)

    und (13) die Formel [12]

    E' x/21r L

    K1= "4” fl mag) — uy (Ln es)

    mit E’ = E(ESZ) und E'= E/(l — 122) (EVZ);

    L ist die Elementlänge.

    In [13] wurden entsprechende Auswerteformeln

    die Spannungsintensitätsfaktoren im dreidimensio-

    nalen Fall angegeben, die auf der Verwendung knoa

    tendistordierter Pentaeder basieren.

    b) Auswertung verallgemeinerter J-Integraie, bei denen

    thermische Belastungen explizit berücksichtigt wer-

    den, z. B. [l4] und [15].

    c) Anwendung der Methode der virtuellen Rißausbrei-

    tung [16] zur Bestimmung der Energiefreisetzungs—

    ‚2--7?

    rate G, die ebenso wie das J-Integral mit den K-Fak-

    toren in Beziehung steht

    G:J=ETI'L(K12 ‚+ K112) + l"Ei! Km2' (16)

    3. hogmmnisystem FRACTURE

    Das Programmsystem FRACTURE entstand auf der

    Grundlage des FEM-Systems PMD i4] durch folgende

    Weiterentwicklungen :

    ~— Erweiterung des Elementkataloges um imparametri-

    sehe Pentaeder-, Dreieck- und Ringdreieckelemente,

    — Anwendung isoparametrischer Knotenpunktdistor-

    dierter Hexaeder—, Pentaeder-, Viereck-, Dreieck-,

    Viereekring- und Dreieckringelemente fiir Rißpro-

    bieme,

    -- Entwicklung hybrider Rißspitzenelemente fiir ebene,

    und räumliche Aufgaben. Ihr Einbau erfolgte fiir

    3D-Probleme und ist für 2D-Probleme geplant,

    — Rechentechnische Realis'erung ei‘nß‘%e- und Post-

    Processing—PakEtes für Kleinrechner vom Typ SM4.

    Damit steht eine anwendungsfreundliche, effektivgun’d

    einheitliche FEM-Software zur Verfügung, die neben

    53

  • Bild 2

    Anordnung der knotenpunktdistordierten isoparametrischen Ele-

    mente um die Rifispitze

    einem breiten Anwendungsbereich der Wärmeleitung

    und Thermoelastizität vor allem die Problematik der

    Bruchmechanik abdeckt.

    3.1. Anwendungscharakteristik

    Die Anwendung von FRACTURE auf Probleme der

    stationären, instationären, linearen und nichtlinearen

    Wärmeleitung umfafst folgende Möglichkeiten:

    a) Materialwerte (Wärmeleitkoeffizient Ä, spezifische

    Wärmekapazität c)

    b) Volumengrößen (innere Wärmequellen)

    ‘ c‘) Randbedingungen (Knotentemperaturen, Flußintensi-

    täten senkrecht zur Oberfläche, Wärmeübergang nach

    den Beziehungen q = a ' (Twand — TU );

    _ 4 4 _ 2

    q - C1 ' (Twand - Tum); q - C1 '(TWand —

    d) Anfangsbedingungen (Starttemperaturen)

    54

    C2 )Ca

    mg.

    e) Zeitschritte (konstant, veränderlich, automatische

    Steuerung)

    Alle Parameter können von der Temperatur, der Zeit

    und den Koordinaten abhängen.

    Bei der Durchführung einer Elastizitätsrechnung lassen

    sich folgende Belastungen und Randbedingungen reali-

    sieren:

    a) Materialwerte (E-Modul, Wärmeausdehnungskoeffi—

    zient a, Querkontraktion V).

    Alle Materialwerte können Funktionen der Tempera-

    tur und der Koordinaten sein.

    b) Volumengrößen (Fliehkräfte, Gravitationskräfte)

    c) Oberflächenlasten i

    d) Knotengrößen (vorgegebene Verschiebungen, linear

    elastische Lagerung, Temperaturwerte)

    Es werden die Knotenverschiebungen und die-Spannun-

    gen in den Gaußpunkten der Elemente bestimmt.

  • Die bruchmechanische Analyse von Körpern mit Riß

    unterscheidet sich von einer Elastizitätsrechnung da-

    durch, daß die Rißumgebung durch spezielle Rißspitzen-

    elemente modelliert wird. Damit ist eine effektive Be-

    rechnung der Bruchkenngrößen KI, K11, K1" und G

    möglich (vgl. Abschnitt 2.2.).

    3.2. Rechentechnische Realisierung

    Das FEM—Programm FRACTURE besteht aus drei Kom-

    plexen:

    a) MESH

    — Programmabschnitt zur Elementnetzgenerierung

    mit der Berechnung der Matrizen und Faktoren,

    die nur durch die Geometrie des Elementnetzes be-

    stimmt sind,

    b) FIELD

    M Programmabschnitt zur Lösung von stationären

    und instationären, linearen und nichtlinearen Wär-

    meleitaufgaben,

    c) ELAST

    — Programmabschnitt zur Lösung des elastostati-

    schen Festigkeitsproblems mit Bestimmung der

    bruchmechanischen Kennwerte,

    die nacheinander und separat abgearbeitet werden und

    sowohl für ebene, axialsymmetrische als auch räumliche

    Aufgaben Anwendung finden. Die Netzbeschreibung

    MESH ist grundsätzlich für das jeweilige Bauteil nur ein-

    mal zu erarbeiten und kann in der gleichen Form für die

    Wärmeaufgabe als auch die Elastizitätsaufgabe benutzt

    werden. Grundlage bildet das isoparametrische Element—

    konzept. Bild l zeigt den Elementkatalog.

    Mit FRACTURE läfit sich eine FEM-Rechnung ent-

    weder konventionell im Stapelbetrieb auf Großrechenan—

    lagen vom Typ ESER durchfiihren, wobei nur das Pre-

    und Post-Processing an Kleinrechenanlagen realisiert

    wird, oder komplette Teile einer FEM-Berechnung kön-

    nen am Kleinrechner erfolgen.

    Im IFE wurde ein Pre- und Post-Processing—Paket für den

    Einsatz an der Rechenanlage SM4—2ß und dem Mikro—

    prozessor MPS 4944 entwickelt. Dazu gehört ein Daten-

    generator, der den kompletten Dateneingabesatz für

    FRACTURE bereitstellt und gleichzeitig die Eingabem-

    formationen zum Zeichnen des Elementnetzes erstellt.

    Die für den Mikrorechner entwickelte Graphik-Software

    ermöglicht eine umfassende visuelle Netzkontrolle auf

    Display oder Plotter. Darüber hinaus wurde der Pro-

    grammabschnitt MESH, der über eine komfortable Feh-

    lerdiagnostik verfügt, für den Kleinrechner angepaßt. Da

    im Terminalbetrieb auf Fehler sofort reagiert werden

    kann, sind somit jene Schritte einer FEM-Berechnung

    mit hoher Fehleranfälligkeit und großem manuellen Auf-

    wand effektiver ausfiihrbar. Die speicherplatz- und re-

    chenzeitintensiven Programmabschnitte (Lösung des

    Gleichungssystems, Iteration) werden weiterhin am

    Großrechner durchgeführt. Der Datentransfer erfolgt

    mittels Magnetband. Die Ergebnisse werden im Post-

    Processing am Kleinrechner u. a. zur Bestimmung bruch-

    mechanischer Kennwerte oder zur graphischen Dar-

    stellung genutzt. Die Kombination von Kleinrechen-

    anlagen und Großrechner erlaubt eine flexible und ef-

    fektivere Gestaltung des Rechenablaufes. Die Konzep-

    tion von FRACTURE bietet dafür gute Voraus-

    sctzungen.

    4. Berechnungsbeispiele zur Bestimmung der

    Spannungsintensitätsfaktoren

    4.1. Rohrleitung mit Innenriß unter Temperatur-

    schockbelastung

    Eindrucksvolle Beispiele für die Notwendigkeit zur Be-

    rechnung der Ainstationären Wärmeleitung in der Bruch-

    mechanik sind Thermoschockprobleme von Bauteilen

    mit Riß. Eine Rohrleitung mit der Wandstärke b habe

    einen umlaufenden Innenriß der Länge a. Dies ist eine in

    der Praxis recht häufig auftretende Problemstellung über-

    all dort, wo Rohrleitungen starken Temperaturschwan-

    kungen ausgesetzt sind. Es handelt sich somit um ein

    axialsymmetrisches Berechnungsmodell, wie im Bild 3

    gezeigt wird. Zur Berechnung diente eine Vernetzung

    mit axialsymmetrischen Elementen, deren Meridian—

    schnittebene der im Bild 7 dargestellten Form ent-

    spricht. Die Umgebung der Rißspitze ist mit knotendis-

    tordierten Ringdreieckelementen modelliert.

    Va

    TR(r,H

    Bild 3

    Thermoschock einer Rohrleitung mit Riß (Ri = 0.1 m; Ra = 0.15 m;

    w wa=b/5;aa=30m—2K;ai=3OOO—2:; T1=Ta=27°C;

    m

    T2 = TR (r); Ti = T2 (Ri) — 300 grd H (t _ to); T3 = T, (r, t);

    x, c, E für Stahl)

    Die Rohrleitung wird im ersten Schritt vom Temperatur-

    zustand T1 2 Ta auf die Temperatur T2 : TR (r) erhitzt.

    Das entspricht der Lösung der stationären Wärmeleitauf-

    gabe, die als Ergebnis die Temperaturverteilung über der

    Wanddicke liefert. Für die Zeit t = to erfolgt an der

    Rohrinnenfläche eine Temperaturschockbelastung T-l =

    T2 (Ri) — 300 grd H (t—to). Die Berechnung der insta-

    tionären Wärmeleitaufgabe liefert die sich einstellenden

    Temperaturfeldcr zu verschiedenen Zeitpunkten.

    Bild 4 zeigt eine graphische Darstellung der Temperatur-

    verläufe über der Wanddicke. Zur Ermittlung der Span-

    55

  • ‚"1

    Q)

    N

    Ausbildung des Temperaturfeldes über der Wanddicke bei Ther-

    -1404 moschock zu verschiedenen Zeitpunkten

    CD

    -

    r

    100. Kx( D ).95.6

    Rohrende eingespannt

    Rohrende frei

    K1 ( G3 ) =0

    oI

    ' so 100 150 200

    Zeit [s]

    - 33.

    Bild 5

    Verläufe der SI-Faktoren bei Thermoschockbelastung

    nungsintensitätsfaktoren infolge der thermischen Bela-

    stung wurden für die Elastizitätsrechnung zwei Fälle be-

    trachtet:

    a) Rohrenden eingespannt

    b) Rohrenden frei

    Für den Fall a) ist offensichtlich, dal3 mit fortschreiten-

    der Abkühlung des Rohres die Beanspruchung des Risses

    und damit der KI-Faktor anwächst. Im Fall b) läßt sich

    für eine Zeit t 9 co voraussagen, daß der Riß keiner Be-

    56

    \ vernetzter Teil

    /der Probe

    Symmetrieebene

    X

    lineare

    Temperaturverteilung

    Bild 6

    Eingespannte Scheibe mit Außenrifi unter thermischer Bean—

    spruchung (Q/W = 0.2; H/W = 1.5; B/W = 0.5)

    x

    a T x = T — —l) ( ) olw )

    b) T(x) = T0

  • anspruchung mehr ausgesetzt ist, und damit der KI-Fak—

    tor Null wird. Im Verlaufe des Abkühlungsvorganges tre-

    ten aber große Temperaturgradienten über der Wand-

    stärke auf, die zu hohen Rißbelastungen und einem ma-

    ximalen Wert des KI-Faktors führen. Zu diesem Zweck

    wurden anhand der zu verschiedenen Zeitpunkten exi-

    stierenden Temperaturfelder Elastizitätsrechnungen zur

    Bestimmung des KI-Faktors durchgeführt. Bild 5 zeigt

    die zeitlichen Verläufe des Spannungsintensitätsfaktors.

    4.2. Eingespannte Scheibe mit Außenrifi unter Tempe-

    raturbelastung

    Ein weiteres Beispiel für die Ermittlung bruchmechani-

    seher Kennwerte für temperaturbelastete Bauteile stellt

    die Scheibe mit Außenriß dar, Bild 6.

    Die an den Enden festgehaltene Probe wurde fiir zwei

    verschiedene Temperaturverteilungen (linear, konstant)

    als zwei— und dreidimensionales Modell berechnet. Die

    Vernetzung des Rißspitzenbereiches erfolgte im dreidi-

    mensionalen Fall mit knotendistordierten Pentaederelea

    menten (Bild 7) und äquivalent mit knotendistordierten

    Dreieckelementen im zweidimensionalen Modell. Aus

    Symmetriegründen genügte die Betrachtung der oberen

    Hälfte der Probe und im 3D-Fall die Modellierung der

    Bild 7

    3D)Netzwerk für Scheibe mit Außenriß (40 Eler ente, 428 Kno-

    ten

    3.5 ~

    20 (EVZ)

    3 .

    F—1

    i;

    E .. 3D2

    .3: 20(Esz) '

    x / ~ \

    2 ‘1. _____________3.915331______-

    .. 3D

    37’ __________ "3—D'Ia_s_z_)_—"‘::Z

    1 -.

    -B o +5

    z

    Bildß

    Zusammenstellung der SI-Faktoren für Scheibe mit Außenrifi

    —— lineare Temperaturverteilung T = TO ( —x— — 1) mit

    T0 = — 100 grd W

    _a— konstante Temperaturverteilung T = T0 = — 50 grd

    halben Dicke. Die KI-Faktoren wurden aus den ermit—

    telten Verschiebungen mit Hilfe der Auswerteformeln

    für knotendistordierte Elemente (vgl. Abschnitt 2.2.)

    bestimmt.

    Bild 8 zeigt die Zusammenstellung der erhaltenen Span—

    nungsintensitätsfaktoren für lineare und konstante Tem-

    peraturverteilungen für das 2D- und 3D-M0dell.

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    Anschrift der Verfasser:

    Dipl.-lng. U.-M. Eisentraut

    Dr. M. Kuna

    Akademie der Wissenschaften der DDR

    Institut für Festkörperphysik und

    Elektronenmikroskopie

    4020 Halle

    Weinberg, Postfach 250