Rechnerische Bewertung der Bauteillebensdauer von Aluminiumgusskomponenten unter kombinierter thermomechanischer und hochfrequenter Belastung

Zylinderköpfe und Kolben aus Aluminiumgusslegierungen werden im Betrieb einer Kombination aus niederzyklischen, thermomechanischen und hochfrequenten mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zur Ermüdungsrissbildung und schließlich zum Bauteilversagen führen können. Aus einer Reihe von nationalen Forschungsvorhaben ist bekannt, dass eine hochzyklische mechanische Belastung die Lebensdauer unter thermomechanischer Ermüdungsbelastung in Abhängigkeit der Frequenz und Belastung deutlich reduzieren kann. Bisher existieren jedoch für Aluminiumgusslegierungen keine belastbaren Modelle, die eine Lebensdauerbewertung von Bauteilen unter kombinierter thermomechanischer und hochfrequenter Belastung erlauben. Ziel des Vorhabens ist es, mechanismenbasierte Lebensdauerkonzepte für Aluminiumgusslegierungen zu erarbeiten, die einerseits die werkstoffspezifischen Besonderheiten der Gusslegierungen in Bezug auf die Schädigungsentwicklung abbilden und andererseits zur Bauteilbewertung in Finite Elemente Rechnungen genutzt werden können. Um dem Bedarf der Industrie in Bezug auf Praxistauglichkeit, d.h. möglichst kurze Rechenzeiten, gerecht zu werden, erfolgt die Übertragung auf die Bauteilebene in unterschiedlichen Komplexitätsgraden. Für die Validierung der Modelle wird ein außermotorischer Heißgasprüfstand entwickelt, mit dem zylinderkopf- und kolbenähnliche Prüfkörper unter realitätsnaher Belastung getestet werden. Der Prüfstand ist mit einer automatisierten Risserkennung ausgestattet, so dass die Schädigungsentwicklung bereits in mikrostruktureller Größenordnung erfasst und verfolgt werden kann. Die Ergebnisse des Vorhabens werden u.a. von kleinen und mittelständischen Unternehmen genutzt, die an der Entwicklung von Finite Elemente Software zur Festigkeitsbewertung von thermomechanisch hochbelasteten Komponenten arbeiten.