Fraunhofer-Gesellschaft

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Simulation of Damage Characteristics

Simulation Schädigungsverhalten
 
: Fischer, C.; Mittag, S.; Kuhlen, Karl Gerhard; Schweizer, C; Seifert, T.; Dittrich, Robert; Kollmeier, Hans-Peter

Frankfurt a.M.: FVV, 2019, 35 pp.
Bundesministerium fur Wirtschaft und Energie BMWi (Deutschland)
18921 N
Simulation des Material- und Schädigungsverhalten von Al-Motorkomponeneten
English
Report
Fraunhofer IWM ()
Fraunhofer ICT ()
TMF/HCF-Überlagerung; thermomechanische Ermüdung; Risswachstum; Verformung; Lebensdauer

Abstract
Motorkomponenten wie z.B. Zylinderkopf und Kolben unterliegen im Einsatz hohen thermomechanischen Beanspruchungen mit überlagerten mechanischen Schwingungen, die aus dem Verbrennungsprozess resultieren. Zur Absicherung der Beanspruchbarkeit der Komponenten werden in der Regel langlaufende und teure Motorprüfstandsversuche durchgeführt, die nur einen sehr eingeschränkten Einblick in die lokal an den Komponenten vorliegenden Beanspruchungen und kaum Rückschlüsse auf die Schädigungsentwicklung einzelner Komponenten während des Prüfstandsversuchs erlauben. Für die rechnerische Bewertung für Motorkomponenten fehlt es aktuell sowohl an entsprechenden Modellen und Berechnungskonzepten als auch an geeigneten Validierungsversuchen, die detaillierte Einblicke in die Schädigungsentwicklung unter realitätsnaher Beanspruchung erlauben. Ziel des Vorhabens Simulation Schädigungsverhalten war es daher abgesicherte Methoden für die Bewertung von Motorkomponenten aus Aluminumgusswerkstoffen unter kombinierter thermomechanischer und hochzyklischer Beanspruchung zu entwickeln. Hierzu wurden am Fraunhofer IWM im Rahmen des sog. Modellkonzepts, detaillierte Werkstoffuntersuchungen zum Ermüdungsverhalten und der Schädigungsentwicklung zweier Aluminumgusswerkstoffe durchgeführt. Anhand der Versuchsdaten und der beobachteten Schädigungsentwicklung wurde ein Kurzrisswachstumsmodell entwickelt und an die spezifischen Schädigungsmechanismen der beiden Aluminumgusswerkstoffe angepasst. Das Kurzrissmodell kann die Lebensdauern einer Vielzahl von Probenuntersuchungen sehr gut beschreiben. An der Hochschule Offenburg wurden die Kurzrisswachstums- und Lebensdauermodelle im Rahmen des Bauteilberechnungskonzepts aufgegriffen und mit unterschiedlichen Detaillierungsgraden für eine Bewertung auf der Bauteilebene zugänglich gemacht. Die entwickelten Konzepte erlauben in der vereinfachten Form hochgradig effiziente Berechnungen mit nichlinearen Werkstoffmodellen, die bisher in dieser Form nicht zur Verfügung standen. Zur Validierung der entwickelten Methoden wurden am Fraunhofer ICT außermotorische Prüfstandsversuche mit komponentenähnlichen Prüfkörpern entwickelt (Validierungskonzept), die die thermischen und mechanischen Randbedingungen am Zylinderkopf bzw. einem Kolben realitätsnah abbilden und gleichzeitig detaillierte Einblicke in die Schädigungsentwicklung an den kritischen Stellen ermöglichen. Für einzelne Prüfstandsversuche konnte bereits gezeigt werden, dass die Lebensdauervorhersagen der entwickelten Berechnungskonzepte sehr gut mit der Lebensdauer der Prüfkörper übereinstimmen. Die außermotorischen Prüfstände stehen für vorwettbewerbliche Untersuchungen von Aluminumgusswerkstoffen direkt zur Verfügung.

 

Engine components such as cylinder heads and pistons are subjected to high thermomechanical stresses with superimposed mechanical vibrations resulting from the combustion process. In order to ensure that the components are able to withstand the stresses and strains, long-term and expensive engine bench tests are generally carried out, which allow only a very limited insight into the local loading situation of the components and hardly any conclusions to be drawn about the damage evolution during the test bench test in individual components. For the computational assessment of engine components, there is currently a lack of appropriate models and computational concepts as well as of suitable validation tests that allow detailed insights into the damage evolution under realistic loads. The aim of the project Simulation of Damage Characteristics was therefore to develop validated methods for the assessment of engine components made of cast aluminum materials under combined thermomechanical and high cycle loading. For this purpose, the Fraunhofer IWM carried out detailed material investigations on the fatigue behavior and the damage evolution of two cast aluminum materials within the framework of the so-called model concept. On the basis of the experimental data and the observed damage evolution, a short crack growth model was developed and adapted to the specific damage mechanisms of the two cast aluminum materials. The short crack model can very well describe the lifetimes of a large number of specimen tests. At Offenburg University of Applied Sciences, the short crack growth and lifetime models were taken up as part of the component computational concept and made available with different degrees of detail for finite element simulations at the component level. In their simplified form, the developed concepts allow highly efficient calculations with non-linear material models, which were not available as such before. In order to validate the developed methods (validation concept), the Fraunhofer ICT has developed non-engine test bench experiments with component-like test specimens that realistically repro-duce the thermal and mechanical boundary conditions at the cylinder head or piston and at the same time provide detailed insights into the damage evolution at the critical locations. It has already been shown for individual test bench tests that the results of the computational concepts correspond very well with the service life of the test specimens. The off-engine test benches are directly available for pre-competitive tests of cast aluminum materials.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-555796.html