TY - THES

T1 - Berücksichtigung herstellungsbedingter Oberflächenstrukturen auf die Schwingfestigkeit von Motorkomponenten in der virtuellen Bauteilauslegung

AU - Tauscher, Markus

N1 - gesperrt bis 15-09-2022

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Im Entwicklungsprozess spielt die virtuelle Bauteilauslegung heutzutage eine große Rolle und wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Für eine möglichst exakte Vorhersage der Betriebsfestigkeit von auszulegenden Komponenten, ist die Verbesserung von Modellen zur Beschreibung von fertigungstechnologischen Einflüssen auf die Lebensdauer unerlässlich. Einen wesentlichen Parameter stellt der Rauhigkeitseinfluss an technischen Oberflächen dar. Ziel dieser Arbeit war es eine methodische Vorgehensweise zu entwickeln, welche ausgehend von einer durch Messung bestimmten dreidimensionalen Oberflächentopologie den Rauhigkeitseinfluss mittels eines lokalen Konzepts beschreiben kann. Als Eingangsparameter sollten dabei nur bereits vorhandene, grundlegende Werkstoffparameter zur Beschreibung des Dauerfestigkeitseinflusses Verwendung finden. Im ersten Schritt wird ein effizientes Verfahren vorgestellt um aus dreidimensionalen Messpunkten eine triangulierte Oberfläche erzeugen zu können. Mittels Gaußfilter werden zunächst Frequenzbereiche eliminiert, welche auf die Lebensdauer keinen Einfluss mehr haben aber die weitere numerische Verarbeitung der Oberfläche stark erschweren würden. Anschließend wird noch die Formabweichung korrigiert um geometriebedingte Einflüsse ausschließen zu können. Danach werden mittels eines dreidimensionalen linear elastischen Finite Elemente Modells die auftretenden Spannungen bei Standardlastfällen (Zug 0°, Zug 90°, Schub) ermittelt. Die Netzgröße hat dabei einen hohen Einfluss auf die Ergebnisqualität und die Rechenzeit. Um diesen Zielkonflikt bestmöglich zu lösen ermöglicht ein benutzerdefiniertes Verfahren die Vorgabe der Netzfeinheit je nach Oberflächenkrümmung. Abschließend erfolgt zur Beschreibung der möglichen Vorzugsorientierung der Oberfläche und zur statistischen Bewertung der Mikrokerben eine lineare Spannungsüberlagerung der Standardlastfälle um die multiaxiale Beanspruchung der Oberfläche abzubilden. Diese umfangreiche, FE-basierte Methodik liefert eine Aussage über den zu erwartenden lokalen Abminderungsfaktor zur Dauerfestigkeit, welcher mithilfe eines Spannungsmittelungskonzeptes für jeden Oberflächenknoten berechnet wird. Die dazu erforderlichen Spannungsverläufe werden durch das Superconvergent-Patch-Recovery Verfahren bestimmt. Die Mittelungslänge ergibt sich dabei aus dem Langrissschwellwert und der Dauerfestigkeit des defektfreien Materials. Zur Bewertung der Kerbwirkung werden die lokale Minima der Abminderungsfaktoren über die gesamte, zu bewertende Oberfläche bestimmt. Jedes dieser lokalen Minima grenzt sich dabei durch einen definierten Schwellwert von anderen ab. Die relative Häufigkeit dieser Abminderungsfaktoren beschreibt den statistischen Lebensdauereinfluss der Oberflächenrauheit und stellt somit auch einen statistischen Größeneinfluss dar. Diese umfassende numerische Methodik ermöglicht eine neuartige Bewertung der Kerbwirkung von Oberflächentopographien, welche für eine gussraue Oberfläche experimentell validiert wurde.

AB - Im Entwicklungsprozess spielt die virtuelle Bauteilauslegung heutzutage eine große Rolle und wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Für eine möglichst exakte Vorhersage der Betriebsfestigkeit von auszulegenden Komponenten, ist die Verbesserung von Modellen zur Beschreibung von fertigungstechnologischen Einflüssen auf die Lebensdauer unerlässlich. Einen wesentlichen Parameter stellt der Rauhigkeitseinfluss an technischen Oberflächen dar. Ziel dieser Arbeit war es eine methodische Vorgehensweise zu entwickeln, welche ausgehend von einer durch Messung bestimmten dreidimensionalen Oberflächentopologie den Rauhigkeitseinfluss mittels eines lokalen Konzepts beschreiben kann. Als Eingangsparameter sollten dabei nur bereits vorhandene, grundlegende Werkstoffparameter zur Beschreibung des Dauerfestigkeitseinflusses Verwendung finden. Im ersten Schritt wird ein effizientes Verfahren vorgestellt um aus dreidimensionalen Messpunkten eine triangulierte Oberfläche erzeugen zu können. Mittels Gaußfilter werden zunächst Frequenzbereiche eliminiert, welche auf die Lebensdauer keinen Einfluss mehr haben aber die weitere numerische Verarbeitung der Oberfläche stark erschweren würden. Anschließend wird noch die Formabweichung korrigiert um geometriebedingte Einflüsse ausschließen zu können. Danach werden mittels eines dreidimensionalen linear elastischen Finite Elemente Modells die auftretenden Spannungen bei Standardlastfällen (Zug 0°, Zug 90°, Schub) ermittelt. Die Netzgröße hat dabei einen hohen Einfluss auf die Ergebnisqualität und die Rechenzeit. Um diesen Zielkonflikt bestmöglich zu lösen ermöglicht ein benutzerdefiniertes Verfahren die Vorgabe der Netzfeinheit je nach Oberflächenkrümmung. Abschließend erfolgt zur Beschreibung der möglichen Vorzugsorientierung der Oberfläche und zur statistischen Bewertung der Mikrokerben eine lineare Spannungsüberlagerung der Standardlastfälle um die multiaxiale Beanspruchung der Oberfläche abzubilden. Diese umfangreiche, FE-basierte Methodik liefert eine Aussage über den zu erwartenden lokalen Abminderungsfaktor zur Dauerfestigkeit, welcher mithilfe eines Spannungsmittelungskonzeptes für jeden Oberflächenknoten berechnet wird. Die dazu erforderlichen Spannungsverläufe werden durch das Superconvergent-Patch-Recovery Verfahren bestimmt. Die Mittelungslänge ergibt sich dabei aus dem Langrissschwellwert und der Dauerfestigkeit des defektfreien Materials. Zur Bewertung der Kerbwirkung werden die lokale Minima der Abminderungsfaktoren über die gesamte, zu bewertende Oberfläche bestimmt. Jedes dieser lokalen Minima grenzt sich dabei durch einen definierten Schwellwert von anderen ab. Die relative Häufigkeit dieser Abminderungsfaktoren beschreibt den statistischen Lebensdauereinfluss der Oberflächenrauheit und stellt somit auch einen statistischen Größeneinfluss dar. Diese umfassende numerische Methodik ermöglicht eine neuartige Bewertung der Kerbwirkung von Oberflächentopographien, welche für eine gussraue Oberfläche experimentell validiert wurde.

KW - Rauhigkeitseinfluss

KW - virtuelle Bauteilauslegung

KW - Oberflächentopologie

KW - fertigungstechnologische Einflüsse

KW - surface roughness

KW - virtual component design

KW - surfaces topologies

KW - finite element model

M3 - Diplomarbeit

ER -