TY - BOOK

T1 - Bruchmechanik und schadenstolerante Konstruktion im Automobilbau

AU - Leitgeb, Andreas

N1 - nicht gesperrt

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - Zielsetzung In den letzten Jahren hat die Bedeutung des Leichtbaus in der Automobilindustrie stetig zuge-nommen, was unter anderem im verstärkten Einsatz von Aluminiumlegierungen resultiert. Da der Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors lokal Temperaturen von über 200°C ausgesetzt ist, kann das beschleunigte Alterungsverhalten von warmaushärtenden Aluminiumgusslegie-rungen nicht vernachlässigt werden. Die Lebensdauerberechnung muss daher, neben anderen Einflussfaktoren, eine Berücksichtigung von Fehlern, wie Poren, Lunker oder Oxidhäute, welche in Gusslegierungen auftreten können, auch unter Einbeziehung des Alterungszustan-des ermöglichen. Im Automobilbau wird, aufgrund von nicht festlegbaren Wartungsintervallen, nach dem Safe-Life Prinzip basierend auf Wöhlerlinien gearbeitet, welche an glatten, als fehlerfrei ange-nommenen Proben ermittelt werden. Um den Einfluss von Bauteilfehlern beschreiben zu kön-nen, müssen diese entweder bereits während der Bestimmung der Körperspannungen berück-sichtigt werden oder die Wöhlerlinie mit Hilfe von Äquivalenzfaktoren an die Fehlergröße angepasst werden. Berücksichtigung von Fehlern in der Lebensdauerabschätzung Zur Anpassung der Wöhlerlinie bietet sich eine Kombination aus spannungsmechanischem und bruchmechanischem Ansatz an, da in der Bruchmechanik davon ausgegangen wird, dass im Bauteil Fehler in der Größe der Detektionsgrenze des verwendeten zerstörungsfreien Prüf-verfahrens vorhanden sind. Es werden repräsentative Ermüdungsversuche zur Bestimmung von Wöhlerlinien und Riss-fortschrittskurven bei unterschiedlichen Alterungszuständen durchgeführt. Durch eine Korre-lation dieser Versuche mit Hilfe der Näherung nach El Haddad ist die näherungsweise Defini-tion eines fehlergrößen- und alterungsabhängigen Haigh-Diagramms möglich, das zur Anpas-sung der Wöhlerlinie verwendet werden kann. Außerdem kann durch Ausnutzen diverser Pa-rallelen zwischen den verschiedenen Ansätzen der Versuchsaufwand verringert werden, da zum Beispiel die Mittelspannungsempfindlichkeit durch vergleichsweise wenige Rissfort-schrittsversuche bestimmbar ist. Soll das Verhalten eines im Bauteil vorhandenen Risses bestimmt werden, bietet sich in der linearelastischen Bruchmechanik der Spannungsintensitätsfaktor an. Da analytische Lösungen nur bei einfachen Geometrien anwendbar sind, muss das Spannungsfeld vor dem Riss bei komplexen Bauteilen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode berechnet werden. Hierfür ste-hen verschiedene Elementtypen zur Verfügung, deren Auswahl großen Einfluss auf das Simu-lationsergebnis hat. Anhand von Beispielen werden verschiedene Auswahlkriterien diskutiert, um die Elementwahl zu vereinfachen, sowie Lösungswege zur Umgehung von Beschränkun-gen, welche im Pre-Processing auftreten können, vorgeschlagen. Die Berechnungen werden mit der Finiten Elemente Software ABAQUS 6.9-1 durchgeführt, wobei auch auf diverse Eigentümlichkeiten der Softwarelösung eingegangen wird. Mit Hilfe einer geeigneten Kombination spannungs- und bruchmechanischer Materialmodelle eröffnet sich ein hohes Potenzial für eine realitätsnahe Lebensdauerabschätzung durch konsi-stente Berücksichtigung wichtiger Parameter, unter anderem von Alterung und Inhomogenitä-ten. Um Materialfehler im Produktentwicklungsprozess zu berücksichtigen, bietet die Metho-de der Erweiterten Finiten Elemente bei konsequenter Weiterentwicklung vielversprechende Möglichkeiten.

AB - Zielsetzung In den letzten Jahren hat die Bedeutung des Leichtbaus in der Automobilindustrie stetig zuge-nommen, was unter anderem im verstärkten Einsatz von Aluminiumlegierungen resultiert. Da der Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors lokal Temperaturen von über 200°C ausgesetzt ist, kann das beschleunigte Alterungsverhalten von warmaushärtenden Aluminiumgusslegie-rungen nicht vernachlässigt werden. Die Lebensdauerberechnung muss daher, neben anderen Einflussfaktoren, eine Berücksichtigung von Fehlern, wie Poren, Lunker oder Oxidhäute, welche in Gusslegierungen auftreten können, auch unter Einbeziehung des Alterungszustan-des ermöglichen. Im Automobilbau wird, aufgrund von nicht festlegbaren Wartungsintervallen, nach dem Safe-Life Prinzip basierend auf Wöhlerlinien gearbeitet, welche an glatten, als fehlerfrei ange-nommenen Proben ermittelt werden. Um den Einfluss von Bauteilfehlern beschreiben zu kön-nen, müssen diese entweder bereits während der Bestimmung der Körperspannungen berück-sichtigt werden oder die Wöhlerlinie mit Hilfe von Äquivalenzfaktoren an die Fehlergröße angepasst werden. Berücksichtigung von Fehlern in der Lebensdauerabschätzung Zur Anpassung der Wöhlerlinie bietet sich eine Kombination aus spannungsmechanischem und bruchmechanischem Ansatz an, da in der Bruchmechanik davon ausgegangen wird, dass im Bauteil Fehler in der Größe der Detektionsgrenze des verwendeten zerstörungsfreien Prüf-verfahrens vorhanden sind. Es werden repräsentative Ermüdungsversuche zur Bestimmung von Wöhlerlinien und Riss-fortschrittskurven bei unterschiedlichen Alterungszuständen durchgeführt. Durch eine Korre-lation dieser Versuche mit Hilfe der Näherung nach El Haddad ist die näherungsweise Defini-tion eines fehlergrößen- und alterungsabhängigen Haigh-Diagramms möglich, das zur Anpas-sung der Wöhlerlinie verwendet werden kann. Außerdem kann durch Ausnutzen diverser Pa-rallelen zwischen den verschiedenen Ansätzen der Versuchsaufwand verringert werden, da zum Beispiel die Mittelspannungsempfindlichkeit durch vergleichsweise wenige Rissfort-schrittsversuche bestimmbar ist. Soll das Verhalten eines im Bauteil vorhandenen Risses bestimmt werden, bietet sich in der linearelastischen Bruchmechanik der Spannungsintensitätsfaktor an. Da analytische Lösungen nur bei einfachen Geometrien anwendbar sind, muss das Spannungsfeld vor dem Riss bei komplexen Bauteilen mit Hilfe der Finiten Elemente Methode berechnet werden. Hierfür ste-hen verschiedene Elementtypen zur Verfügung, deren Auswahl großen Einfluss auf das Simu-lationsergebnis hat. Anhand von Beispielen werden verschiedene Auswahlkriterien diskutiert, um die Elementwahl zu vereinfachen, sowie Lösungswege zur Umgehung von Beschränkun-gen, welche im Pre-Processing auftreten können, vorgeschlagen. Die Berechnungen werden mit der Finiten Elemente Software ABAQUS 6.9-1 durchgeführt, wobei auch auf diverse Eigentümlichkeiten der Softwarelösung eingegangen wird. Mit Hilfe einer geeigneten Kombination spannungs- und bruchmechanischer Materialmodelle eröffnet sich ein hohes Potenzial für eine realitätsnahe Lebensdauerabschätzung durch konsi-stente Berücksichtigung wichtiger Parameter, unter anderem von Alterung und Inhomogenitä-ten. Um Materialfehler im Produktentwicklungsprozess zu berücksichtigen, bietet die Metho-de der Erweiterten Finiten Elemente bei konsequenter Weiterentwicklung vielversprechende Möglichkeiten.

KW - Lifetime estimation

KW - fatigue

KW - fracture mechanics

KW - finite element simulation

KW - Lebensdauerabschätzung

KW - Ermüdung

KW - Bruchmechanik

KW - Finite Elemente Simulation

M3 - Dissertation

ER -