TY - BOOK

T1 - Schwingfestigkeit von ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit: Größeneffekte unter dem Einfluss von Defekten

AU - Kainzinger, Paul

N1 - gesperrt bis 21-10-2018

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Große Strukturbauteile von energieerzeugenden Maschinen beeinflussen das Gewicht dieser Anlagen maßgeblich. Diese Komponenten werden typischerweise aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt. Die Auslegung dieser Bauteile ist stark reglementiert bzw. sehr konservativ. Durch die Einbindung von lokalen Werkstoffkennwerten in die Dimensionierung besteht bei diesen Komponenten ein hohes Potential für Leichtbau, welches in Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt werden soll. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Gießsimulation am Beispiel einer Windkraftnabe aus EN-GJS-400-18-LT verifiziert. Dazu werden sowohl Schliffe, als auch Proben für Zugversuche aus unterschiedlichen Bereichen der Nabe entnommen. Dabei wurde festgestellt, dass das Gefüge nach erfolgter Kalibration sehr gut mit der Simulation übereinstimmt. Die statischen Materialeigenschaften konnten nicht richtig erfasst werden. Der technologische Größeneffekt von Gusseisen mit Kugelgraphit wurde in Rahmen der vorliegenden Arbeit umfangreich untersucht. Es zeigt sich, dass dieser bei den zyklischen Kennwerten deutlich stärker ausgeprägt ist als bei den statischen, bei voll ferritischer Matrix wurden Dauerfestigkeiten von 151,4 MPa bis 211,6 MPa getestet. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen wurden ein rein empirisches und ein bruchmechanisches Materialmodell auf Basis der Graphitkugeln/mm²zur Beschreibung der gefügeabhängigen Schwingfestigkeiten abgeleitet. Um den Effekt von größeren höchst belasteten Volumina abzudecken, wurden getrennt vom technologischen Größeneffekt Versuche an unterschiedlich großen Proben durchgeführt. Großer Wert wurde im Rahmen dieser Arbeit auf die vom technologischen Größeneffekt isolierte Betrachtung der wechselseitigen Einflüsse aus dem Betrieb gelegt. Dazu wurde der Einfluss der Belastungsart, der Mittelspannungseinfluss der spannungsmechanische Größeneffekt sowie der Einfluss tiefer Betriebstemperaturen auf die Schwingfestigkeit systematisch erfasst. Der Einfluss von Dross auf die Schwingfestigkeit wurde für unterschiedliche Gefügemodifikationen untersucht. Dabei zeigt sich, dass Dross die Ermüdungsfestigkeit unabhängig vom Gefüge deutlich absenkt, wobei dieser Abfall mit steigender Menge an vorhandenem Dross größer wird. Zum Abschluss wurden die in dieser Arbeit generierten Werkstoffmodelle im Rahmen einer Optimierung auf Basis von lokalen Materialkennwerten zusammengeführt. Die klassische Optimierungsschleife wird dabei um die Prozesssimulation und die Schädigungsrechnung erweitert, um Bauteile auf Basis von mit lokalen Werkstoffkennwerten berechneten Schädigungen optimieren zu können. An einigen Vergleichsrechnungen werden die Unterschiede zur klassischen Optimierung aufgezeigt.

AB - Große Strukturbauteile von energieerzeugenden Maschinen beeinflussen das Gewicht dieser Anlagen maßgeblich. Diese Komponenten werden typischerweise aus Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt. Die Auslegung dieser Bauteile ist stark reglementiert bzw. sehr konservativ. Durch die Einbindung von lokalen Werkstoffkennwerten in die Dimensionierung besteht bei diesen Komponenten ein hohes Potential für Leichtbau, welches in Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt werden soll. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird die Gießsimulation am Beispiel einer Windkraftnabe aus EN-GJS-400-18-LT verifiziert. Dazu werden sowohl Schliffe, als auch Proben für Zugversuche aus unterschiedlichen Bereichen der Nabe entnommen. Dabei wurde festgestellt, dass das Gefüge nach erfolgter Kalibration sehr gut mit der Simulation übereinstimmt. Die statischen Materialeigenschaften konnten nicht richtig erfasst werden. Der technologische Größeneffekt von Gusseisen mit Kugelgraphit wurde in Rahmen der vorliegenden Arbeit umfangreich untersucht. Es zeigt sich, dass dieser bei den zyklischen Kennwerten deutlich stärker ausgeprägt ist als bei den statischen, bei voll ferritischer Matrix wurden Dauerfestigkeiten von 151,4 MPa bis 211,6 MPa getestet. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen wurden ein rein empirisches und ein bruchmechanisches Materialmodell auf Basis der Graphitkugeln/mm²zur Beschreibung der gefügeabhängigen Schwingfestigkeiten abgeleitet. Um den Effekt von größeren höchst belasteten Volumina abzudecken, wurden getrennt vom technologischen Größeneffekt Versuche an unterschiedlich großen Proben durchgeführt. Großer Wert wurde im Rahmen dieser Arbeit auf die vom technologischen Größeneffekt isolierte Betrachtung der wechselseitigen Einflüsse aus dem Betrieb gelegt. Dazu wurde der Einfluss der Belastungsart, der Mittelspannungseinfluss der spannungsmechanische Größeneffekt sowie der Einfluss tiefer Betriebstemperaturen auf die Schwingfestigkeit systematisch erfasst. Der Einfluss von Dross auf die Schwingfestigkeit wurde für unterschiedliche Gefügemodifikationen untersucht. Dabei zeigt sich, dass Dross die Ermüdungsfestigkeit unabhängig vom Gefüge deutlich absenkt, wobei dieser Abfall mit steigender Menge an vorhandenem Dross größer wird. Zum Abschluss wurden die in dieser Arbeit generierten Werkstoffmodelle im Rahmen einer Optimierung auf Basis von lokalen Materialkennwerten zusammengeführt. Die klassische Optimierungsschleife wird dabei um die Prozesssimulation und die Schädigungsrechnung erweitert, um Bauteile auf Basis von mit lokalen Werkstoffkennwerten berechneten Schädigungen optimieren zu können. An einigen Vergleichsrechnungen werden die Unterschiede zur klassischen Optimierung aufgezeigt.

KW - ductile iron

KW - fatigue

KW - size effects

KW - influence of defects

KW - local material properties

KW - estimating local cyclic material properties from casting simulation

KW - shape optimization

KW - Gusseisen mit Kugelgraphit

KW - Schwingfestigkeit

KW - Größeneffekte

KW - Einfluss von Defekten

KW - lokale Materialkennwerte

KW - Abschätzung zyklischer Materialkennwerte aus der Gießsimulation

KW - Formoptimierung

M3 - Dissertation

ER -