TY - THES

T1 - Entwicklung eines Delaminierungsmodells einer SOFC

AU - Toifl, Michael

N1 - gesperrt bis 15-05-2018

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Die vorliegende Diplomarbeit leitet einen numerischen Modellansatz zur Bewertung von möglichen Delaminierungen (Grenzflächenrisse) in einer SOFC während des Betriebes ab. Im Speziellen wird das bruchmechanische Verhalten der Kontaktflächen auf Basis der thermischen Spannungen während der Aufheiz-, Abkühl- und Betriebsphase mit Hilfe des Kohäsivelemente- Ansatzes (engl. cohesive element) mit dem FEM Programm Abaqus/CAE bewertet und sowohl die Rissinitiierung als auch das Risswachstum quantifiziert. Das dafür notwendige zeitlich und örtlich veränderliche Spannungsfeld wurde in einer Diplomarbeit, die dieser Arbeit vorangestellt ist, auf Basis eines transienten Temperaturfelds und mechanischen Randbedingungen bestimmt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung eines Simulationsprozesses zur Bewertung von lokalen Delaminierungen auf Ebene der einzelnen Zelle. Dabei sind die gewonnenen Berechnungsergebnisse nicht als absolute Werte zu klassifizieren, da sowohl Materialidentifikationen als auch Modellvalidierungen in einem späteren Schritt erfolgen. Vielmehr sollen die abgeleiteten Ergebnisse für die Standardisierung eines Simulationsprozesses für zukünftige SOFC Projekte dienen. Die gewonnene Methodik leitet, ausgehend von den globalen Spannungen des ganzen Brennstoffzellenstacks, über die Verwendung einer Vergleichsschädigung die für Delaminierung gefährdetsten Zellen ab und stellt in weiterer Folge für diese ein Detailmodell mit Kohäsivelementen auf. Mit Hilfe von diesem Submodell können die Rissinitiierung und der Rissfortschritt bewertet werden und Optimierungen erfolgen. Die für die Bestimmung der notwendigen bruchmechanischen Werkstoffparameter benötigten Materialtests werden in dieser Arbeit zusammengefasst. Für die Verwendung des passenden Prozesszonenansatzes für die Beschreibung der Kohäsivelemente und Auswahl eines effizienten Diskretisierungsgrades wurde eine Parameteranalyse durchgeführt. Die gewonnenen Ergebnisse dieser Arbeit beweisen, dass ausgehend von einem globalen Spannungsmodell, über eine globale Vergleichsschädigung und einem Kohäsivelemente Detailmodell die lokale Delaminierungsschädigung abgebildet werden kann. Für die Definition der Kohäsivelemente in Abhängigkeit der Netzfeinheit wurde für das vorliegende Modell, durch bruchmechanisch korrekte Abbildung der Prozesszone, der Ansatz von Barenblatt als passend identifiziert.

AB - Die vorliegende Diplomarbeit leitet einen numerischen Modellansatz zur Bewertung von möglichen Delaminierungen (Grenzflächenrisse) in einer SOFC während des Betriebes ab. Im Speziellen wird das bruchmechanische Verhalten der Kontaktflächen auf Basis der thermischen Spannungen während der Aufheiz-, Abkühl- und Betriebsphase mit Hilfe des Kohäsivelemente- Ansatzes (engl. cohesive element) mit dem FEM Programm Abaqus/CAE bewertet und sowohl die Rissinitiierung als auch das Risswachstum quantifiziert. Das dafür notwendige zeitlich und örtlich veränderliche Spannungsfeld wurde in einer Diplomarbeit, die dieser Arbeit vorangestellt ist, auf Basis eines transienten Temperaturfelds und mechanischen Randbedingungen bestimmt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung eines Simulationsprozesses zur Bewertung von lokalen Delaminierungen auf Ebene der einzelnen Zelle. Dabei sind die gewonnenen Berechnungsergebnisse nicht als absolute Werte zu klassifizieren, da sowohl Materialidentifikationen als auch Modellvalidierungen in einem späteren Schritt erfolgen. Vielmehr sollen die abgeleiteten Ergebnisse für die Standardisierung eines Simulationsprozesses für zukünftige SOFC Projekte dienen. Die gewonnene Methodik leitet, ausgehend von den globalen Spannungen des ganzen Brennstoffzellenstacks, über die Verwendung einer Vergleichsschädigung die für Delaminierung gefährdetsten Zellen ab und stellt in weiterer Folge für diese ein Detailmodell mit Kohäsivelementen auf. Mit Hilfe von diesem Submodell können die Rissinitiierung und der Rissfortschritt bewertet werden und Optimierungen erfolgen. Die für die Bestimmung der notwendigen bruchmechanischen Werkstoffparameter benötigten Materialtests werden in dieser Arbeit zusammengefasst. Für die Verwendung des passenden Prozesszonenansatzes für die Beschreibung der Kohäsivelemente und Auswahl eines effizienten Diskretisierungsgrades wurde eine Parameteranalyse durchgeführt. Die gewonnenen Ergebnisse dieser Arbeit beweisen, dass ausgehend von einem globalen Spannungsmodell, über eine globale Vergleichsschädigung und einem Kohäsivelemente Detailmodell die lokale Delaminierungsschädigung abgebildet werden kann. Für die Definition der Kohäsivelemente in Abhängigkeit der Netzfeinheit wurde für das vorliegende Modell, durch bruchmechanisch korrekte Abbildung der Prozesszone, der Ansatz von Barenblatt als passend identifiziert.

KW - cohesive element

KW - delamination

KW - process zone

KW - SOFC damage

KW - Kohäsivelemente

KW - Delaminierung

KW - Grenzflächenrisse

KW - Prozesszone

KW - SOFC Schädigung

M3 - Diplomarbeit

ER -