Aufbau einer numerischen Simulationskette zur automatisierten Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Stahlgussdefekten

Research output: ThesisMaster's Thesis

Bibtex - Download

@mastersthesis{548a886533eb46849afbd09cabed9e13,
title = "Aufbau einer numerischen Simulationskette zur automatisierten Erm{\"u}dungsfestigkeitsbewertung von Stahlgussdefekten",
abstract = "Gussbauteile repr{\"a}sentieren eine tragende Rolle in vielen Industriezweigen. Die gro{\ss}e Designfreiheit, sowie die wirtschaftliche Serienfertigung sind Triebfedern f{\"u}r den Einsatz dieses Fertigungsverfahrens. Der Gie{\ss}prozess ist jedoch mit fertigungstechnologisch kaum vermeidbaren Imperfektionen verbunden, welche stets verschiedene Endgeometrien besitzen. Die betriebsfeste Bauteilauslegung gem{\"a}{\ss} Guss-Qualit{\"a}tsklassen stellt somit eine Herausforderung dar. In dieser Masterarbeit wird eine neue Auslegungsmethode zur kerbspannungsintensit{\"a}tsbasierten Lebensdauerbewertung gussdefektbehafteter Bauteile vorgeschlagen. Hierzu wurde eine umfassende Simulationskette entwickelt, welche mittels eines zellul{\"a}ren Automaten numerisch generierte Poren erstellt, anhand deren auf die abgesch{\"a}tzte Langzeitfestigkeit des defektbehafteten Materials geschlossen werden kann. Diese virtuellen Poren {\"a}hneln in ihrer Form realen Gussimperfektionen und sind durch den Benutzer parametrierbar. Das interaktive Programm erm{\"o}glicht 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 Absch{\"a}tzung der tats{\"a}chlich ertragbaren Spannungen realer Gussdefekte. Die Simulationskette f{\"u}hrt hierbei zu geringf{\"u}gig konservativen Ergebnissen. Durchgef{\"u}hrte Parameterstudien zur Evaluierung des Winkellageneinflusses der Poren zeigen plausible Verl{\"a}ufe des NSIF und der abgesch{\"a}tzten Langzeitfestigkeit, bei welchen der NSIF mit zunehmendem Rotationswinkel ansteigt und somit die abgesch{\"a}tzte Langzeitfestigkeit sinkt. Ein Vergleich der Spannungsverteilungen an den Oberfl{\"a}chen realer und numerisch generierter Gussdefekte f{\"u}hrt zu {\"a}hnlichen Lageparametern der Verteilungen, welche im Mittel nur ca. sechs Prozent voneinander abweichen. Die pr{\"a}sentierte Auslegungsmethode liefert somit zyklische Bewertungsergebnisse, welche auf ein {\"a}hnliches Sch{\"a}digungsverhalten der numerisch generierten und realen Poren schlie{\ss}en lassen. Dies erm{\"o}glicht die Erm{\"u}dungsfestigkeitsbewertung von repr{\"a}sentativen Stahlgussdefekten ohne zuvor notwendiger Charakterisierung gegossener Poren durch CT-Scans. Die pr{\"a}sentierte Simulationskette liefert eine geometrisch vergleichbare Defektstruktur inklusive zugeordneter Lebensdauerbewertung, wodurch eine prinzipielle Katalogisierung von herstellprozessbedingten Poren gem{\"a}{\ss} Guss-Qualit{\"a}tsklassen erm{\"o}glicht wird. Dadurch wird die Basis f{\"u}r eine standardisierte, wirtschaftlich-optimierte Auslegung von Stahlgussbauteilen geschaffen.",
keywords = "Erm{\"u}dungsfestigkeitsbewertung, Stahlguss, Zellul{\"a}rer Automat, Virtuelle Poren, Simulationskette, Gussdefekte, Poren, fatigue strength assessment, cast steel, cellular automaton, virtual pores, simulation chain, casting defects, pores",
author = "Michael Horvath",
note = "nicht gesperrt",
year = "2019",
language = "Deutsch",
school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

RIS (suitable for import to EndNote) - Download

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.

KW - Ermüdungsfestigkeitsbewertung

KW - Stahlguss

KW - Zellulärer Automat

KW - Virtuelle Poren

KW - Simulationskette

KW - Gussdefekte

KW - Poren

KW - fatigue strength assessment

KW - cast steel

KW - cellular automaton

KW - virtual pores

KW - simulation chain

KW - casting defects

KW - pores

M3 - Masterarbeit

ER -