TY - THES

T1 - Numerische Simulation induktiver Bauteilerwärmung komplexer Geometrien

AU - Renhart, Philipp

N1 - gesperrt bis 01-10-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Die Werkstoffcharakterisierung von thermomechanisch (thermomechanical-fatigue, TMF) hochbelasteten Motorkomponenten (z.B. Zylinderkopf) erfolgt meist über Ermüdungsversuche von uniaxialen Rundproben. Mit dieser Prüfmethodlik werden real auftretende räumliche Temperaturgradienten nicht erfasst. Daraus resultiert ein multiaxialer Spannungszustand, der durch die komplexe Bauteilgeometrie noch verstärkt wird. Eine somit notwendige multiaxiale Werkstoffprüfung für den Zylinderkopf erfolgt meist erst im Baugruppenversuch der gesamten Verbrennungskraftmaschine. Um Werkstoffe, in Zukunft abseits der ressourcenintensiven Bauteilprüfung, kosten- und zeiteffizienter optimieren zu können, ist es sinnvoll die Lücke zwischen einachsiger TMF- Prüfung und dem Bauteilversuch mittels TMF Prüfungen von einzelnen Bauteilen oder Bauteilkomponenten schließen. Im herkömmlichen TMF-Versuch werden zylindrische Proben erfolgreich induktiv erwärmt. Der Vorteil dieser Methode liegt in der berührungslosen und regelbaren Wärmeeinbringung. Diese Vorteile motivieren auch im weiteren die Erwärmung von komplexen Bauteilen mit Induktionsspulen. Um die Geometrie von Induktionsspulen (und damit die Temperaturverteilung) für Bauteilversuche zukünftig virtuell optimieren zu können, wird in dieser Arbeit eine Simulationskette entwickelt. Ziel ist eine realitätsgetreue räumliche und zeitliche Temperaturverteilung in das Bauteil einzubringen. Zu diesem Zweck wird die Erwärmung uniaxialer TMF- Proben, unter Verwendung der Finiten-Elemente-Methode (FEM) modelliert und an Temperaturmessungen kalibriert. Dieses Simulationsmodell wurde im nächsten Schritt auf eine komplexere Ersatzgeometrie (Platte mit zwei Bohrungen) übertragen und verifiziert. Die Übereinstimmung zwischen Simulation und Versuch konnte in beiden Fällen bestätigt werden. Im letzten Schritt wurde die Temperaturverteilung eines realen Zylinderkopfes numerisch berechnet. Dieses Temperaturfeld wurde- für eine abschließende mechanische Simulation, in ein weiteres Softwarepaket übertragen. Damit wird der Grundstein für die Entwicklung einer zukunftsweisenden Prüfmethodik gelegt.

AB - Die Werkstoffcharakterisierung von thermomechanisch (thermomechanical-fatigue, TMF) hochbelasteten Motorkomponenten (z.B. Zylinderkopf) erfolgt meist über Ermüdungsversuche von uniaxialen Rundproben. Mit dieser Prüfmethodlik werden real auftretende räumliche Temperaturgradienten nicht erfasst. Daraus resultiert ein multiaxialer Spannungszustand, der durch die komplexe Bauteilgeometrie noch verstärkt wird. Eine somit notwendige multiaxiale Werkstoffprüfung für den Zylinderkopf erfolgt meist erst im Baugruppenversuch der gesamten Verbrennungskraftmaschine. Um Werkstoffe, in Zukunft abseits der ressourcenintensiven Bauteilprüfung, kosten- und zeiteffizienter optimieren zu können, ist es sinnvoll die Lücke zwischen einachsiger TMF- Prüfung und dem Bauteilversuch mittels TMF Prüfungen von einzelnen Bauteilen oder Bauteilkomponenten schließen. Im herkömmlichen TMF-Versuch werden zylindrische Proben erfolgreich induktiv erwärmt. Der Vorteil dieser Methode liegt in der berührungslosen und regelbaren Wärmeeinbringung. Diese Vorteile motivieren auch im weiteren die Erwärmung von komplexen Bauteilen mit Induktionsspulen. Um die Geometrie von Induktionsspulen (und damit die Temperaturverteilung) für Bauteilversuche zukünftig virtuell optimieren zu können, wird in dieser Arbeit eine Simulationskette entwickelt. Ziel ist eine realitätsgetreue räumliche und zeitliche Temperaturverteilung in das Bauteil einzubringen. Zu diesem Zweck wird die Erwärmung uniaxialer TMF- Proben, unter Verwendung der Finiten-Elemente-Methode (FEM) modelliert und an Temperaturmessungen kalibriert. Dieses Simulationsmodell wurde im nächsten Schritt auf eine komplexere Ersatzgeometrie (Platte mit zwei Bohrungen) übertragen und verifiziert. Die Übereinstimmung zwischen Simulation und Versuch konnte in beiden Fällen bestätigt werden. Im letzten Schritt wurde die Temperaturverteilung eines realen Zylinderkopfes numerisch berechnet. Dieses Temperaturfeld wurde- für eine abschließende mechanische Simulation, in ein weiteres Softwarepaket übertragen. Damit wird der Grundstein für die Entwicklung einer zukunftsweisenden Prüfmethodik gelegt.

KW - finite elements

KW - induction heating

KW - cylinder head

KW - thermomechanical fatigue

KW - Finite-Elemente

KW - Induktive Erwärmung

KW - Zylinderkopf

KW - Prüfverfahren

KW - Thermomechanische Ermüdung

M3 - Diplomarbeit

ER -