Methodenentwicklung zur Berechnung der Materialeigenschaften von Aluminium Gusslegierungen in 3D für lokale Wärmebehandlungen mit optionaler Optimierung

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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title = "Methodenentwicklung zur Berechnung der Materialeigenschaften von Aluminium Gusslegierungen in 3D f{\"u}r lokale W{\"a}rmebehandlungen mit optionaler Optimierung",
abstract = "Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der lokalen W{\"a}rmebehandlung von Aluminiumgusslegierungen. Dies bedeutet, dass das L{\"o}sungsgl{\"u}hen vor dem Auslagern nur partiell, in einer bestimmten Region, stattfindet. Die inhomogene Temperaturverteilung ergibt thermische Spannungen, welche ber{\"u}cksichtigt werden m{\"u}ssen, sofern plastische Verformung vermieden werden soll. Zur numerischen Abbildung des Gesamtprozesses werden alle notwendigen Einzelschritte in einer Prozesskette zusammengefasst. Erweiternd wird die Prozesskette mit einem Optimierer gekoppelt, sodass diverse Problemstellungen automatisiert behandelt werden k{\"o}nnen und M{\"o}glichkeiten zur Optimierung gegeben sind. Die Struktur dieser Arbeit ist wie folgt. Zu Beginn wird eine fundierte Literaturrecherche bez{\"u}glich der drei wichtigsten Themengebiete - thermische Spannungsberechnung, Aluminiumgusslegierungen und Optimierungsprobleme - gegeben. Anschlie{\ss}end werden Gr{\"u}nde pr{\"a}sentiert, weshalb die Spannungsberechnung unter Zuhilfenahme der Finiten Volumen Methode (FVM) erfolgt. Ferner wird die thermo-elastische Grundgleichung und die Energiegleichung hergeleitet und auf die Kopplungsbeziehung beider Gleichungen sowie auf die numerische Umsetzung eingegangen. Dabei werden Stabilisierungsaspekte diskutiert und aufgezeigt. Alle wichtigen numerischen Randbedingungen werden anschlie{\ss}end kurz wiedergegeben und Neuentwicklungen detailliert hergeleitet. Zur Pr{\"u}fung der korrekten Implementierung der Gleichungen in die Open Source Software \OF werden drei verschiedene Validierungsf{\"a}lle betrachtet und explizit auf zwei verschiedene Konvergenzmethoden und deren Einfluss auf das L{\"o}sungsverhalten sowie der Genauigkeit eingegangen. Subsequent wird ausf{\"u}hrlich die Materialberechnung beschrieben und alle Eingabeparameter sowie verwendete Modelle aufgegriffen. Anhand einer klaren Erkl{\"a}rung zur Problematik der lokalen W{\"a}rmebehandlung, werden alle Einzelschritte der Materialmodellierung diskutiert. Hierbei wird das Scheil-Gulliver Modell aufgezeigt, erl{\"a}utert wie die Radienverteilungen einzelner Ausscheidungen nach dem Erstarren bestimmt werden und in eine detaillierte Beschreibung der Kinetikmodellierung eingetaucht. Alle verwendeten numerischen Modelle und deren Parameters{\"a}tze sowie die Phasen- und Matrixeigenschaften werden durch Literaturrecherchen abgeleitet und untermauert. Eine explizite Beleuchtung der Phasentransformationen wird gegeben und anschlie{\ss}end die entwickelten Kinetikskripte diskutiert sowie drei verschiedene Methoden zur Materialbestimmung in 3D gegeben. Eine Vielzahl von Optimierungsalgorithmen wird anschlie{\ss}end pr{\"a}sentiert. Zur Darstellung der Arbeitsweise einiger Methoden werden einfache Beispielfunktionen herangezogen und die Ergebnisse ausf{\"u}hrlich diskutiert. Aufbauend darauf, werden alle drei Themenbereiche innerhalb einer Prozesskette verkn{\"u}pft, wodurch die Untersuchung von lokale W{\"a}rmebehandlung von Aluminiumgusslegierungen erm{\"o}glicht wird. Die Anwendung dieser Prozesskette wird mithilfe zwei interessanter Beispiele veranschaulicht. Hierbei werden verschiedene Problemstellungen akribisch untersucht, die erhaltenen Ergebnisse aufgezeigt und interpretiert. Entsprechend wird die lokale W{\"a}rmebehandlung unter Ber{\"u}cksichtigung thermischer Spannungen und der Bedingung, dass plastische Verformungen sowie das Aufschmelzen des Materials nicht eintreten, untersucht. Hinzu kommt die Analyse der Von Mises Spannung f{\"u}r zwei verschiedene Abk{\"u}hlvorg{\"a}nge sowie die Analyse einer {\"o}rtlichen W{\"a}rmebehandlung mit subsequenter Vorhersage der Materialfestigkeit in 3D. Ferner wird eine Optimierung der Auslagerungsparameter f{\"u}r zwei L{\"o}sungsgl{\"u}hzeiten durchgef{\"u}hrt. Abschlie{\ss}end wird die Flexibilit{\"a}t der neu entwickelten Prozesskette anhand eines Beispiels, dass die Modellierung des Schwei{\ss}ens darstellt, pr{\"a}sentiert und abschlie{\ss}end die neu gewonnen wissenschaftlichen Erkenntnisse zusammengefasst sowie ein Ausb",
keywords = "local heat treatment, material calculation in 3D, thermal stress calculation, optimization, framework development, process chain, aluminum alloy, lokale W{\"a}rmebehandlung, Materialberechnung in 3D, Aluminiumlegierungen, thermische Spannungsberechnung, Finite Volumen Methode, Optimierung, Methodenentwicklung, Prozesskettensimulation",
author = "Tobias Holzmann",
note = "nicht gesperrt",
year = "2018",
language = "Deutsch",
school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

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T1 - Methodenentwicklung zur Berechnung der Materialeigenschaften von Aluminium Gusslegierungen in 3D für lokale Wärmebehandlungen mit optionaler Optimierung

AU - Holzmann, Tobias

N1 - nicht gesperrt

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der lokalen Wärmebehandlung von Aluminiumgusslegierungen. Dies bedeutet, dass das Lösungsglühen vor dem Auslagern nur partiell, in einer bestimmten Region, stattfindet. Die inhomogene Temperaturverteilung ergibt thermische Spannungen, welche berücksichtigt werden müssen, sofern plastische Verformung vermieden werden soll. Zur numerischen Abbildung des Gesamtprozesses werden alle notwendigen Einzelschritte in einer Prozesskette zusammengefasst. Erweiternd wird die Prozesskette mit einem Optimierer gekoppelt, sodass diverse Problemstellungen automatisiert behandelt werden können und Möglichkeiten zur Optimierung gegeben sind. Die Struktur dieser Arbeit ist wie folgt. Zu Beginn wird eine fundierte Literaturrecherche bezüglich der drei wichtigsten Themengebiete - thermische Spannungsberechnung, Aluminiumgusslegierungen und Optimierungsprobleme - gegeben. Anschließend werden Gründe präsentiert, weshalb die Spannungsberechnung unter Zuhilfenahme der Finiten Volumen Methode (FVM) erfolgt. Ferner wird die thermo-elastische Grundgleichung und die Energiegleichung hergeleitet und auf die Kopplungsbeziehung beider Gleichungen sowie auf die numerische Umsetzung eingegangen. Dabei werden Stabilisierungsaspekte diskutiert und aufgezeigt. Alle wichtigen numerischen Randbedingungen werden anschließend kurz wiedergegeben und Neuentwicklungen detailliert hergeleitet. Zur Prüfung der korrekten Implementierung der Gleichungen in die Open Source Software \OF werden drei verschiedene Validierungsfälle betrachtet und explizit auf zwei verschiedene Konvergenzmethoden und deren Einfluss auf das Lösungsverhalten sowie der Genauigkeit eingegangen. Subsequent wird ausführlich die Materialberechnung beschrieben und alle Eingabeparameter sowie verwendete Modelle aufgegriffen. Anhand einer klaren Erklärung zur Problematik der lokalen Wärmebehandlung, werden alle Einzelschritte der Materialmodellierung diskutiert. Hierbei wird das Scheil-Gulliver Modell aufgezeigt, erläutert wie die Radienverteilungen einzelner Ausscheidungen nach dem Erstarren bestimmt werden und in eine detaillierte Beschreibung der Kinetikmodellierung eingetaucht. Alle verwendeten numerischen Modelle und deren Parametersätze sowie die Phasen- und Matrixeigenschaften werden durch Literaturrecherchen abgeleitet und untermauert. Eine explizite Beleuchtung der Phasentransformationen wird gegeben und anschließend die entwickelten Kinetikskripte diskutiert sowie drei verschiedene Methoden zur Materialbestimmung in 3D gegeben. Eine Vielzahl von Optimierungsalgorithmen wird anschließend präsentiert. Zur Darstellung der Arbeitsweise einiger Methoden werden einfache Beispielfunktionen herangezogen und die Ergebnisse ausführlich diskutiert. Aufbauend darauf, werden alle drei Themenbereiche innerhalb einer Prozesskette verknüpft, wodurch die Untersuchung von lokale Wärmebehandlung von Aluminiumgusslegierungen ermöglicht wird. Die Anwendung dieser Prozesskette wird mithilfe zwei interessanter Beispiele veranschaulicht. Hierbei werden verschiedene Problemstellungen akribisch untersucht, die erhaltenen Ergebnisse aufgezeigt und interpretiert. Entsprechend wird die lokale Wärmebehandlung unter Berücksichtigung thermischer Spannungen und der Bedingung, dass plastische Verformungen sowie das Aufschmelzen des Materials nicht eintreten, untersucht. Hinzu kommt die Analyse der Von Mises Spannung für zwei verschiedene Abkühlvorgänge sowie die Analyse einer örtlichen Wärmebehandlung mit subsequenter Vorhersage der Materialfestigkeit in 3D. Ferner wird eine Optimierung der Auslagerungsparameter für zwei Lösungsglühzeiten durchgeführt. Abschließend wird die Flexibilität der neu entwickelten Prozesskette anhand eines Beispiels, dass die Modellierung des Schweißens darstellt, präsentiert und abschließend die neu gewonnen wissenschaftlichen Erkenntnisse zusammengefasst sowie ein Ausb

AB - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der lokalen Wärmebehandlung von Aluminiumgusslegierungen. Dies bedeutet, dass das Lösungsglühen vor dem Auslagern nur partiell, in einer bestimmten Region, stattfindet. Die inhomogene Temperaturverteilung ergibt thermische Spannungen, welche berücksichtigt werden müssen, sofern plastische Verformung vermieden werden soll. Zur numerischen Abbildung des Gesamtprozesses werden alle notwendigen Einzelschritte in einer Prozesskette zusammengefasst. Erweiternd wird die Prozesskette mit einem Optimierer gekoppelt, sodass diverse Problemstellungen automatisiert behandelt werden können und Möglichkeiten zur Optimierung gegeben sind. Die Struktur dieser Arbeit ist wie folgt. Zu Beginn wird eine fundierte Literaturrecherche bezüglich der drei wichtigsten Themengebiete - thermische Spannungsberechnung, Aluminiumgusslegierungen und Optimierungsprobleme - gegeben. Anschließend werden Gründe präsentiert, weshalb die Spannungsberechnung unter Zuhilfenahme der Finiten Volumen Methode (FVM) erfolgt. Ferner wird die thermo-elastische Grundgleichung und die Energiegleichung hergeleitet und auf die Kopplungsbeziehung beider Gleichungen sowie auf die numerische Umsetzung eingegangen. Dabei werden Stabilisierungsaspekte diskutiert und aufgezeigt. Alle wichtigen numerischen Randbedingungen werden anschließend kurz wiedergegeben und Neuentwicklungen detailliert hergeleitet. Zur Prüfung der korrekten Implementierung der Gleichungen in die Open Source Software \OF werden drei verschiedene Validierungsfälle betrachtet und explizit auf zwei verschiedene Konvergenzmethoden und deren Einfluss auf das Lösungsverhalten sowie der Genauigkeit eingegangen. Subsequent wird ausführlich die Materialberechnung beschrieben und alle Eingabeparameter sowie verwendete Modelle aufgegriffen. Anhand einer klaren Erklärung zur Problematik der lokalen Wärmebehandlung, werden alle Einzelschritte der Materialmodellierung diskutiert. Hierbei wird das Scheil-Gulliver Modell aufgezeigt, erläutert wie die Radienverteilungen einzelner Ausscheidungen nach dem Erstarren bestimmt werden und in eine detaillierte Beschreibung der Kinetikmodellierung eingetaucht. Alle verwendeten numerischen Modelle und deren Parametersätze sowie die Phasen- und Matrixeigenschaften werden durch Literaturrecherchen abgeleitet und untermauert. Eine explizite Beleuchtung der Phasentransformationen wird gegeben und anschließend die entwickelten Kinetikskripte diskutiert sowie drei verschiedene Methoden zur Materialbestimmung in 3D gegeben. Eine Vielzahl von Optimierungsalgorithmen wird anschließend präsentiert. Zur Darstellung der Arbeitsweise einiger Methoden werden einfache Beispielfunktionen herangezogen und die Ergebnisse ausführlich diskutiert. Aufbauend darauf, werden alle drei Themenbereiche innerhalb einer Prozesskette verknüpft, wodurch die Untersuchung von lokale Wärmebehandlung von Aluminiumgusslegierungen ermöglicht wird. Die Anwendung dieser Prozesskette wird mithilfe zwei interessanter Beispiele veranschaulicht. Hierbei werden verschiedene Problemstellungen akribisch untersucht, die erhaltenen Ergebnisse aufgezeigt und interpretiert. Entsprechend wird die lokale Wärmebehandlung unter Berücksichtigung thermischer Spannungen und der Bedingung, dass plastische Verformungen sowie das Aufschmelzen des Materials nicht eintreten, untersucht. Hinzu kommt die Analyse der Von Mises Spannung für zwei verschiedene Abkühlvorgänge sowie die Analyse einer örtlichen Wärmebehandlung mit subsequenter Vorhersage der Materialfestigkeit in 3D. Ferner wird eine Optimierung der Auslagerungsparameter für zwei Lösungsglühzeiten durchgeführt. Abschließend wird die Flexibilität der neu entwickelten Prozesskette anhand eines Beispiels, dass die Modellierung des Schweißens darstellt, präsentiert und abschließend die neu gewonnen wissenschaftlichen Erkenntnisse zusammengefasst sowie ein Ausb

KW - local heat treatment

KW - material calculation in 3D

KW - thermal stress calculation

KW - optimization

KW - framework development

KW - process chain

KW - aluminum alloy

KW - lokale Wärmebehandlung

KW - Materialberechnung in 3D

KW - Aluminiumlegierungen

KW - thermische Spannungsberechnung

KW - Finite Volumen Methode

KW - Optimierung

KW - Methodenentwicklung

KW - Prozesskettensimulation

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