Die Lösung von allgemeinen Feldproblemen

Bezogen auf die kerntechnische Nachweisführung wird die Methode der Finiten Elemente vorwiegend in der Festigkeitsberechnung sowie zur Simulation von Strömungsvorgängen und allgemeiner thermischer Prozesse verwendet. Mehr als zwei Jahrzehnte Berechnungserfahrung auf diesem Gebiet ergeben ein umfangreiches Know-how zur Lösung unterschiedlichster Problemstellungen. In Abhängigkeit von der Problemstellung erarbeiten wird individuelle Konzepte und Nachweise unter Beachtung der gültigen Regelwerke.

Zur Durchführung strukturmechanischer Betrachtungen wird bei der KAE GmbH das kommerzielle FE-Programmsystem Ansys eingesetzt. Die zu untersuchenden Komponenten bzw. Strukturen werden dabei immer dreidimensional abgebildet, da nur so eine genaue Bewertung der realen Situation gegeben ist. Neben einfachen, statischen, linear-elastischen Festigkeitsanalysen werden heutzutage – Dank leistungsfähiger PC-Systeme – vorwiegend dynamische Analysen mit elastisch-plastischem Werkstoffverhalten unter Temperatureinfluss durchgeführt.

Anwendungsbeispiel Festigkeit

Das nachfolgende Beispiel zeigt die Kraftübertragung einer Rohrschelle auf ein Rohr bzw. die Rohrnocke. Neben der äußeren mechanischen Belastung der Rohrschelle wird hier das Simulationsergebnis speziell von der Abbildungsgüte des Kontaktproblems Schelle / Rohr bestimmt.

Modale Berechnungen

Zur Ermittlung und Bewertung des dynamischen Verhaltens von Bauteilen und Strukturen wird zunächst eine Eigenwertanalyse, d.h. die Berechnung von Eigenmoden (Eigenfrequenzen und -formen) durchgeführt. Zusammen mit den spezifischen Dämpfungsparametern lassen sich so quantitative Aussagen über das Schwingungsverhalten der Komponenten unter dynamischer Belastung, z. B. Erdbeben, treffen.

Ermüdungsanalysen

Die Ermüdung von Materialen und Bauteilen ist ein wichtiges, sicherheitsrelevantes Thema bei zyklischen mechanischen und thermischen Belastungen und daher ein wesentlicher Bestandteil eines seriösen Alterungsmanagements. Nur durch eine Ermüdungsanalyse kann die Dauer- bzw. Betriebsfestigkeit gezeigt und nachgewiesen, und somit das Versagen der Komponente auf Grund von Ermüdung ausgeschlossen, werden.

Im nachfolgenden Beispiel werden die Berechnungsergebnisse (Erschöpfungsgrad) die detaillierte Methode der „allgemeinen elastisch-plastischen Ermüdungsanalyse“ aus KTA 3201.2 mit den Ergebnissen anderer, weniger detaillierter Methoden der Ermüdungsanalyse nach KTA 3201.2 bzw. FAMOS-Stufe 3, verglichen und bewertet.

Beispiel: Ermüdung Druckhalterstutzen

Bruchmechanische Analysen

Bruchmechanische Analysen können nach zwei unterschiedlichen Arten geführt werden. Die erste Methode beruht auf der Analyse des Spannungszustands im ungestörten Bauteil, d. h. ohne Riss, per klassischer FE-Analyse, wie unter „Festigkeitsberechnung“ beschrieben. Über nachgeschaltete, meist empirische Analyseverfahren, kann so eine kritische Rissgröße in Abhängigkeit des vorherrschenden Spannungszustands ermittelt werden.

Eine wesentlich genauere Methode der Bewertung vorhandener bzw. postulierter Risse ist die Ermittlung der bruchmechanischen Kenngrößen wie z. B. Spannungsintensitätsfaktoren und T-Stresses. Mit diesen Werten ist zudem eine seriöse Aussage über den Rissfortschritt, bzw. die Restlebensdauer eines Bauteils unter bestimmten Belastungen möglich.

Beispiel: Risswachstum