TY - THES

T1 - Aufbau einer numerischen Simulationskette zur automatisierten Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Stahlgussdefekten

AU - Horvath, Michael

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Gussbauteile repräsentieren eine tragende Rolle in vielen Industriezweigen. Die große Designfreiheit, sowie die wirtschaftliche Serienfertigung sind Triebfedern für den Einsatz dieses Fertigungsverfahrens. Der Gießprozess ist jedoch mit fertigungstechnologisch kaum vermeidbaren Imperfektionen verbunden, welche stets verschiedene Endgeometrien besitzen. Die betriebsfeste Bauteilauslegung gemäß Guss-Qualitätsklassen stellt somit eine Herausforderung dar. In dieser Masterarbeit wird eine neue Auslegungsmethode zur kerbspannungsintensitätsbasierten Lebensdauerbewertung gussdefektbehafteter Bauteile vorgeschlagen. Hierzu wurde eine umfassende Simulationskette entwickelt, welche mittels eines zellulären Automaten numerisch generierte Poren erstellt, anhand deren auf die abgeschätzte Langzeitfestigkeit des defektbehafteten Materials geschlossen werden kann. Diese virtuellen Poren ähneln in ihrer Form realen Gussimperfektionen und sind durch den Benutzer parametrierbar. Das interaktive Programm ermöglicht nicht nur eine benutzerdefinierte Generierung der Poren, sondern stellt auch eine automatisierte Lebensdauerbewertung bereit. Ein Vergleich der numerisch ermittelten Simulationsergebnisse virtueller Poren mit experimentell aufgenommenen Versuchsdaten zeigt eine realistische Abschätzung der tatsächlich ertragbaren Spannungen realer Gussdefekte. Die Simulationskette führt hierbei zu geringfügig konservativen Ergebnissen. Durchgeführte Parameterstudien zur Evaluierung des Winkellageneinflusses der Poren zeigen plausible Verläufe des NSIF und der abgeschätzten Langzeitfestigkeit, bei welchen der NSIF mit zunehmendem Rotationswinkel ansteigt und somit die abgeschätzte Langzeitfestigkeit sinkt. Ein Vergleich der Spannungsverteilungen an den Oberflächen realer und numerisch generierter Gussdefekte führt zu ähnlichen Lageparametern der Verteilungen, welche im Mittel nur ca. sechs Prozent voneinander abweichen. Die präsentierte Auslegungsmethode liefert somit zyklische Bewertungsergebnisse, welche auf ein ähnliches Schädigungsverhalten der numerisch generierten und realen Poren schließen lassen. Dies ermöglicht die Ermüdungsfestigkeitsbewertung von repräsentativen Stahlgussdefekten ohne zuvor notwendiger Charakterisierung gegossener Poren durch CT-Scans. Die präsentierte Simulationskette liefert eine geometrisch vergleichbare Defektstruktur inklusive zugeordneter Lebensdauerbewertung, wodurch eine prinzipielle Katalogisierung von herstellprozessbedingten Poren gemäß Guss-Qualitätsklassen ermöglicht wird. Dadurch wird die Basis für eine standardisierte, wirtschaftlich-optimierte Auslegung von Stahlgussbauteilen geschaffen.

AB - Gussbauteile repräsentieren eine tragende Rolle in vielen Industriezweigen. Die große Designfreiheit, sowie die wirtschaftliche Serienfertigung sind Triebfedern für den Einsatz dieses Fertigungsverfahrens. Der Gießprozess ist jedoch mit fertigungstechnologisch kaum vermeidbaren Imperfektionen verbunden, welche stets verschiedene Endgeometrien besitzen. Die betriebsfeste Bauteilauslegung gemäß Guss-Qualitätsklassen stellt somit eine Herausforderung dar. In dieser Masterarbeit wird eine neue Auslegungsmethode zur kerbspannungsintensitätsbasierten Lebensdauerbewertung gussdefektbehafteter Bauteile vorgeschlagen. Hierzu wurde eine umfassende Simulationskette entwickelt, welche mittels eines zellulären Automaten numerisch generierte Poren erstellt, anhand deren auf die abgeschätzte Langzeitfestigkeit des defektbehafteten Materials geschlossen werden kann. Diese virtuellen Poren ähneln in ihrer Form realen Gussimperfektionen und sind durch den Benutzer parametrierbar. Das interaktive Programm ermöglicht nicht nur eine benutzerdefinierte Generierung der Poren, sondern stellt auch eine automatisierte Lebensdauerbewertung bereit. Ein Vergleich der numerisch ermittelten Simulationsergebnisse virtueller Poren mit experimentell aufgenommenen Versuchsdaten zeigt eine realistische Abschätzung der tatsächlich ertragbaren Spannungen realer Gussdefekte. Die Simulationskette führt hierbei zu geringfügig konservativen Ergebnissen. Durchgeführte Parameterstudien zur Evaluierung des Winkellageneinflusses der Poren zeigen plausible Verläufe des NSIF und der abgeschätzten Langzeitfestigkeit, bei welchen der NSIF mit zunehmendem Rotationswinkel ansteigt und somit die abgeschätzte Langzeitfestigkeit sinkt. Ein Vergleich der Spannungsverteilungen an den Oberflächen realer und numerisch generierter Gussdefekte führt zu ähnlichen Lageparametern der Verteilungen, welche im Mittel nur ca. sechs Prozent voneinander abweichen. Die präsentierte Auslegungsmethode liefert somit zyklische Bewertungsergebnisse, welche auf ein ähnliches Schädigungsverhalten der numerisch generierten und realen Poren schließen lassen. Dies ermöglicht die Ermüdungsfestigkeitsbewertung von repräsentativen Stahlgussdefekten ohne zuvor notwendiger Charakterisierung gegossener Poren durch CT-Scans. Die präsentierte Simulationskette liefert eine geometrisch vergleichbare Defektstruktur inklusive zugeordneter Lebensdauerbewertung, wodurch eine prinzipielle Katalogisierung von herstellprozessbedingten Poren gemäß Guss-Qualitätsklassen ermöglicht wird. Dadurch wird die Basis für eine standardisierte, wirtschaftlich-optimierte Auslegung von Stahlgussbauteilen geschaffen.

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M3 - Masterarbeit

ER -