Containmentsimulation am generischen Modell eines Großturboladers mit LS-DYNA

Containmenttests von Großturboladern sind in der Regel sehr aufwändige und kostenintensive Unterfangen, die unter großen Sicherheitsvorkehrungen durchgeführt werden. Zudem kann dabei lediglich der Endzustand bzw. das finale Schadensbild bewertet werden. Einblick in die Vorgänge während des Schadenshergangs bekommt man dabei leider nicht. Daher werden diese Versuche in großem Umfang mit expliziten Simulationen unterstützt bzw. vorbereitet. Um den immer komplexer und filigraner werdenden Strukturen gerecht zu werden und den Schadensvorgang möglichst genau vorherzusagen werden die für die Simulation verwendeten Konzepte und Methodiken fortlaufend weiterentwickelt. Großturbolader besitzen häufig geometrisch sehr komplexe Gussstrukturen, deren Aufbau zur Verwendung in expliziten Containmentsimulationen einen hohen Aufwand erfordert. Um mit möglichst geringem Aufwand z.B. neue Ansätze für bestimmte Abbildungen untersuchen zu können, wurde beim Ingenieurbüro Huß und Feickert daher ein generisches Modell eines Großturboladers erstellt. Der eingereichte Vortrag gibt einen kurzen Überblick über den Stand der Technik bei derartigen Containmentsimulationen. Weiterhin beschäftigt sich der Beitrag neben der Modellerstellung selbst, mit zwei Studien, die bereits erfolgreich am Modell durchgeführt wurden. Bei der Modellerstellung wurde darauf geachtet, ein möglichst simples, rotationssymmetrisches Modell zu kreieren, das bei Bedarf z.B. hinsichtlich Wandstärkenänderungen schnell umgebaut werden kann. Darüber hinaus sollte die Rechenzeit möglichst gering ausfallen, um auch Optimierungen und Robustheitsuntersuchungen durchführen zu können. Trotz der getroffenen Vereinfachungen sollte das Verhalten eines Großturboladers für einen Containmenttest (Laufradbersten oder Turbinenschaden) noch nachstellbar sein. Die erste Studie widmet sich der Untersuchung eines realistischeren Szenarios für das Verdichterradversagen zu Beginn der Containmentsimulation. Die übliche Abbildung umfasst das in mehrere Teile getrennte Laufrad, welches über eine Anfangsbedingung in Rotation versetzt wird und somit ab dem Beginn der Simulation auseinanderdriftet. Mit dem generischen Modell wurde zunächst in einer Einzelbetrachtung untersucht, in wie fern sich eine implizite Vorsimulation zur Abbildung der radialen Vorspannung des Laufrades sowie der axialen Verspannung des Impellers auf der Welle auf die Kinematik der Segmente nach dem Bruch auswirkt. Anschließend wurde die Auswirkung der Vorspannung auf die Containmentsimulation selbst betrachtet. Neben des Einflusses der Vorspannungen wurde auch die Umsetzung des Schadensszenarios auf die Bruchstückkinematik untersucht. Dabei wurden 2 Definitionen verglichen: 1. In mehrere Teile getrennt modelliertes Verdichterrad; 2. Intaktes Verdichterrad mit Vorschädigungen/ Schlitzen am Laufradrücken und Bruch des Laufrades infolge von Materialversagen in der expliziten Simulation. Dies entspricht der üblichen Vorgehensweise im Versuch. Die zweite Studie befasste sich mit der Auswirkung der Einbeziehung des Lode-Winkel-Parameters auf das Versagensverhalten der Gehäusestruktur. Bisher wurden viele Simulationen mit einem Versagensverhalten durchgeführt welches lediglich abhängig von der Triaxialität und Dehnrate definiert war. Am generischen Modell wurde daher untersucht, wie sich die zusätzliche Berücksichtigung des Lode-Winkel-Parameters auf das Versagensverhalten und somit indirekt auch auf die Aussagefähigkeit der bisherigen Simulationen auswirken kann.