Fraunhofer-Gesellschaft

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Simulation of Damage Characteristics

Simulation Schädigungsverhalten
 
: Fischer, C.; Mittag, S.; Kuhlen, K.; Schweizer, C; Seifert, T.; Dittrich, R.; Kollmeier, H.-P.

Frankfurt a.M.: FVV, 2019, 35 S.
Bundesministerium fur Wirtschaft und Energie BMWi (Deutschland)
18921 N
Simulation des Material- und Schädigungsverhalten von Al-Motorkomponeneten
Englisch
Bericht
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.

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