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Finite-Element analysis of a rolling contact model with anisotropic elastic material properties

Finite-Element Analyse eines Wälzkontaktmodells mit anisotropen elastischen Materialeigenschaften
 
: Karin, I.; Niehuesbernd, J.; Bruder, E.; Lipp, K.; Hanselka, H.; Müller, C.

:

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 44 (2013), Nr.4, S.298-303
ISSN: 0933-5137
Englisch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer LBF ()

Abstract
The elastic properties of a material are an important factor for the designing and dimensioning of structural and functional components with respect to the dimensional stability, the spring-back behavior or the fatigue properties. The present work is focused on the impact of the elastic anisotropy on a rolling contact loading of a severely deformed ferritic steel. Linear profiles produced by the newly developed forming process called linear flow splitting are considered to be well suitable as linear guides, due to their reduced surface roughness and highly increased surface hardness. Orientation data obtained by EBSD measurements are used for the calculation of the elastic tensors of the severely deformed parts applying the geometric mean in addition to the classical Voigt and Reuss approaches. The produced profiles exhibit a strong elastic anisotropy in the plane parallel to the desired rolling contact surface showing a strong gradient in forming rate. The evaluation o f the stresses in the rolling contact area of the formed microstructure is estimated by the implementation of the determined compliance tensors into a finite element rolling-contact model. In comparison to results with a homogeneous and isotropic material model the results are analyzed with respect to the rolling contact loading based on the von Mises failure criterion.

 

Die elastischen Eigenschaften eines Werkstoffs sind ein wichtiger Parameter für das Design und die Dimensionierung von Struktur- und Funktionsbauteilen, in Bezug auf die Steifigkeit, des Rückfederverhaltens und die Ermüdungseigenschaften. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auswirkung der elastischen Anisotropie auf die Eigenschaften im Wälzkontakt eines hochgradig umgeformten ferritischen Stahls. Lineare Profile, welche mit dem neu entwickelten Umformverfahren des Spaltprofilierens hergestellt wurden, eignen sich aufgrund ihrer geringeren Oberflächenrauigkeit und der gesteigerten Oberflächenhärte besonders für die Anwendung als Linearführung. Texturdaten aus EBSD Messungen dienen der Berechnung der elastischen Tensoren der stark umgeformten Bereiche der Profile anhand des geometrischen Mittels, zusätzlich zu den klassischen Ansätzen nach Voigt und Reuss. Die hergestellten Profile weisen eine starke elastische Anisotropie in der Ebene parallel zur Wälzkontaktoberfläche auf. Die Ermittlung der Wälzkontakteigenschaften der umgeformten Mikrostruktur erfolgte durch die Implementierung der zuvor berechneten Nachgiebigkeitstensoren in ein FE Wälzkontaktmodell. Zur analytischen Verifikation nach Hertz, wurden die Ergebnisse in Relation zu homogenen und isotropen Materialeigenschaften gesetzt und konnten unter Berücksichtigung des von Mises Versagenskriteriums bewertet werden.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-254976.html