TY - THES

T1 - Anwendung der numerischen Gusssimulation für Stahlgussbauteile

AU - Strohmayer, Martina

N1 - gesperrt bis 15-11-2022

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - In Stahlgussbauteilen können aufgrund der thermophysikalischen Eigenschaften der Werkstoffe Imperfektionen, wie beispielsweise Schwindungsporen und Lunker, auftreten. Diese Ungänzen können die lokale Ermüdungsfestigkeit wesentlich beeinflussen und müssen somit im Auslegungsprozess berücksichtigt werden. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Geometrie von Stahlgussproben hinsichtlich einer definierten Porosität numerisch zu optimieren. Aus diesen Gussteilen sollen in weiterer Folge Schwingversuchsproben entnommen werden, um den Einfluss von Poren auf die lokale Ermüdungsfestigkeit in Stahlgussbauteilen zu untersuchen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung von verschiedenen Simulationsprozessparametern auf die Ausbildung der allgemeinen Porositätsverteilung. Diese Vorstudien werden als Basis für die weiterführenden Untersuchungen verwendet. In der Hauptstudie wird anhand von Parametervariation festgestellt, welchen Effekt einzelne Geometrieparameter auf die Porosität ausüben. Darüber hinaus werden das Gusssystem sowie die Speiser evaluiert und den Anforderungen entsprechend modelliert. Die Geometrie wird so festgelegt, dass das Gusssystem und die globalen Abmessungen unverändert bleiben, wobei durch die Variation einzelner Parameter die Form und Größe der Inhomogenität beeinflusst wird. Aus der Hauptstudie resultieren vier Parametersätze, welche charakteristisch unterschiedliche Ausbildungsgrade der Porosität aufweisen. Des Weiteren wird eine Geometrie zur Untersuchung der gussrauen Oberfläche festgelegt, welche den prozesstechnischen Randbedingungen der zuvor entwickelten Volumensprobe entspricht, aber nur eine minimale Defektanzahl im Inneren aufweist. Abschließend wird ein Prüfkörper gießtechnisch simuliert, welcher aus einem makroskopisch porenfreien Gussstück und einem porenbehafteten Speiser besteht. Anhand dieser Probe wird ein Vergleich zwischen der numerischen Simulation und dem realen Gussteil ermöglicht. Die Gegenüberstellung des simulierten und realen Speisers zeigt, dass die Tendenz für die Bildung des Hohlraums gegeben ist und somit die in der Arbeit angewendete Simulationsmethodik zur Abschätzung der Porenverteilung geeignet ist. Demnach kann festgehalten werden, dass die Porosität des Gussteils in Abhängigkeit von der Geometrie durch die Gießprozess-Simulation im technischen Rahmen prognostiziert werden kann. Eine weitere Validierung der Simulation ist durch Röntgen, Computertomographie (CT) und visuelle Untersuchung der im Abguss befindlichen Proben als nächster Schritt der grundlagenorientierten Forschungsarbeit geplant.

AB - In Stahlgussbauteilen können aufgrund der thermophysikalischen Eigenschaften der Werkstoffe Imperfektionen, wie beispielsweise Schwindungsporen und Lunker, auftreten. Diese Ungänzen können die lokale Ermüdungsfestigkeit wesentlich beeinflussen und müssen somit im Auslegungsprozess berücksichtigt werden. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Geometrie von Stahlgussproben hinsichtlich einer definierten Porosität numerisch zu optimieren. Aus diesen Gussteilen sollen in weiterer Folge Schwingversuchsproben entnommen werden, um den Einfluss von Poren auf die lokale Ermüdungsfestigkeit in Stahlgussbauteilen zu untersuchen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung von verschiedenen Simulationsprozessparametern auf die Ausbildung der allgemeinen Porositätsverteilung. Diese Vorstudien werden als Basis für die weiterführenden Untersuchungen verwendet. In der Hauptstudie wird anhand von Parametervariation festgestellt, welchen Effekt einzelne Geometrieparameter auf die Porosität ausüben. Darüber hinaus werden das Gusssystem sowie die Speiser evaluiert und den Anforderungen entsprechend modelliert. Die Geometrie wird so festgelegt, dass das Gusssystem und die globalen Abmessungen unverändert bleiben, wobei durch die Variation einzelner Parameter die Form und Größe der Inhomogenität beeinflusst wird. Aus der Hauptstudie resultieren vier Parametersätze, welche charakteristisch unterschiedliche Ausbildungsgrade der Porosität aufweisen. Des Weiteren wird eine Geometrie zur Untersuchung der gussrauen Oberfläche festgelegt, welche den prozesstechnischen Randbedingungen der zuvor entwickelten Volumensprobe entspricht, aber nur eine minimale Defektanzahl im Inneren aufweist. Abschließend wird ein Prüfkörper gießtechnisch simuliert, welcher aus einem makroskopisch porenfreien Gussstück und einem porenbehafteten Speiser besteht. Anhand dieser Probe wird ein Vergleich zwischen der numerischen Simulation und dem realen Gussteil ermöglicht. Die Gegenüberstellung des simulierten und realen Speisers zeigt, dass die Tendenz für die Bildung des Hohlraums gegeben ist und somit die in der Arbeit angewendete Simulationsmethodik zur Abschätzung der Porenverteilung geeignet ist. Demnach kann festgehalten werden, dass die Porosität des Gussteils in Abhängigkeit von der Geometrie durch die Gießprozess-Simulation im technischen Rahmen prognostiziert werden kann. Eine weitere Validierung der Simulation ist durch Röntgen, Computertomographie (CT) und visuelle Untersuchung der im Abguss befindlichen Proben als nächster Schritt der grundlagenorientierten Forschungsarbeit geplant.

KW - casting simulation

KW - casting defects

KW - porosity formation

KW - cast steel

KW - Gusssimulation

KW - Gussdefekte

KW - Porosität

KW - Stahlguss

M3 - Masterarbeit

ER -