Strukturmechanik

OWI beschäftigt sich mit der Anwendung der numerischen Strukturanalyse (CSM – Computational Structural Mechanics) thermisch hoch belasteter Bauteile. Die thermische Belastung des Materials resultiert in den betrachteten Fällen aus den thermischen Randbedingungen der Strömung, etwa der Wärmefreisetzung durch chemische Reaktionen. In technischen Bauteilen ist insbesondere die kurzzeitige mechanische Belastung, wie sie durch Aufheiz- und Abkühlvorgänge hervorgerufen wird, von Bedeutung.

CSM-Simulation. Foto: OWI

Hohe Temperaturgradienten führen insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen zu hohen Spannungen, welche zu Verformungen und Schädigungen führen. In der Mikroverfahrenstechnik liegen die Längenskalen der thermisch bedingten Verformungen in der Größenordnung charakteristischer Bauteilabmessung (z.B. Kanalweite). Ein Anwendungsbereich ist die Gewährleistung der Dichtigkeit von Mikrobrennstoffzellen, wie sie im öffentlich geförderten Projekt MIMEMIZ am OWI entwickelt wurden. Die Zelle ist aus verschiedenen Einzelplatten aufgebaut. Die thermische Verformung der Komponenten unter Betriebsbedingungen wurde mit Hilfe einer Spannungsanalyse ermittelt (Siehe Bild oben).

CSM-Simulation. Foto: OWI

In der Hochtemperaturverfahrenstechnik kommt es aufgrund der extremen thermischen Materialbelastung  zu besonderen Schädigungsmechanismen von Bauteilen. In der Langzeitbetrachtung entscheiden Kriechvorgänge und Hochtemperaturkorrosion über den Belastungszustand und sind somit für die Lebensdaueranalyse von entscheidender Bedeutung. Ein typisches Beispiel ist die Durchbiegung von Strahlheizrohren in Industrieöfen. Entsprechende Fragestellungen werden derzeit in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Projekt HT-LifePLUS u. a. mit numerischen  Methoden untersucht.