Wero_Turb - Werkstoffe und Bauweisen für eine robuste Turbinenauslegung; Teilvorhaben: Simulation und Auswertung von Impactschäden

Abstract

Für zukünftige Flugtriebwerke werden Hochleistungswerkstoffe benötigt, die auch in schweren Hochtemperaturumgebungen sicher und zuverlässig eingesetzt werden können. Als Alternative zu metallischen Werkstoffen wie Nickelbasis-Superlegierungen kommen keramische Werkstoffe als potenzielle Kandidaten in Betracht. Sie bieten zusätzlich den Vorteil ihrer relativ geringen spezifischen Masse.

Um das Problem des inhärent spröden Werkstoffverhaltens von Keramiken zu vermeiden, werden faserverstärkte keramische Matrixverbunde (Ceramic Matrix Composites - CMC) eingesetzt. Bei dieser Werkstoffklasse werden entstehende Risse in der Keramikmatrix zunächst von den Fasern überbrückt. Bei steigender Belastung führt ein Faser-Pullout zu einer zusätzlichen Energiedissipation und damit zu einer Erhöhung der Zähigkeit. Dieser Mechanismus ist insbesondere unter Stoßbelastung von Bedeutung, da ein begrenzter Fremdkörpereinschlag nicht zu einem vollständigen Versagen des Werkstoffs und der Komponente führen darf.

Zur Simulation von Stoßereignissen auf CMC-Strukturen wurde ein spezielles Kontinuumsschädigungsmodell entwickelt, das auf experimentellen Untersuchungen des Stoßverhaltens von CMC-Werkstoffen basiert. Das Modell ist konsistent in der Kontinuumsmechanik formuliert und beruht auf geeigneten elastischen, Schädigungs- und Dissipationspotentialen. Nach einer allgemeinen Bewertung seiner Eigenschaften wurde das Modell als benutzerdefiniertes Materialmodell in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm implementiert. Im Rahmen einer Validierung anhand der experimentellen Datenbasis zeigen die numerischen Vorhersagen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Beobachtungen.