TY - THES

T1 - Schwingfestigkeitsuntersuchung sowie Form- und Topologieoptimierung an einem Aluminiumdruckgussgehäuse

AU - Rinnergschwentner, Lukas

N1 - gesperrt bis 16-02-2017

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Im Fahrzeugbau kommen Aluminiumdruckgussteile aufgrund mehrerer Faktoren verstärkt zum Einsatz. Zum einen können bei geringer Taktzeit pro Stück endkonturnahe Bauteile mit komplexer Geometrie gefertigt werden und zum anderen leisten Al-Bauteile, durch ihre hohe spezifische Festigkeit, einen wesentlichen Beitrag zum Leichtbau im Gesamtfahrzeug. Für eine Realisierung von tragenden Strukturkomponenten aus Al-Druckgusslegierungen ist die Kenntnis des Materialverhaltens unter zyklischer Belastung essentiell und wird hauptsächlich von herstellungsbedingten Gefügeeinflüssen bzw. -inhomogenitäten bestimmt. Die Ausbildung dieser wird wesentlich von den Prozessparametern sowie der Bauteilgestaltung beeinflusst. Um die Betriebsfestigkeit eines Gehäuses aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 zu untersuchen, werden Proben direkt aus dem Bauteil entnommen und damit einstufige Wöhlerversuche durchgeführt. Der Fokus der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Schwingfestigkeitsuntersuchungen liegt auf dem Studium der Einflüsse von Porosität und Gusshaut. Basierend auf Voruntersuchungen werden zu diesem Zweck Proben aus Bauteilbereichen, die unterschiedliche Porengröße und -häufigkeit aufweisen, entnommen und charakterisiert. Die generierten Ergebnisse zeigen einerseits eine wesentliche Reduktion der Schwingfestigkeit bei erhöhter Porosität, aber andererseits keine Beeinflussung zufolge der Gusshaut. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Erhebung des Optimierungspotentials der vorliegenden Gehäusestruktur. Dazu wird im ersten Schritt die Schädigungsverteilung unter realen Betriebsbedingungen berechnet und an kritischen Stellen eine Formoptimierung durchgeführt. In einer zweiten Optimierungsschleife wird eine Topologieoptimierung unter Berücksichtigung des maximal zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie herstellungs- und montagebedingter Randbedingungen realisiert. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus sowie der mittragenden Funktion des Gehäuses im Gesamtfahrwerk, wird als Zielfunktion die Maximierung der Steifigkeit bei Restriktion des Gewichts gegenüber der Ausgangsgeometrie definiert. Das Resultat der durchgeführten Topologieoptimierung kann als Designvorschlag für neue Gehäusegeometrien gesehen werden.

AB - Im Fahrzeugbau kommen Aluminiumdruckgussteile aufgrund mehrerer Faktoren verstärkt zum Einsatz. Zum einen können bei geringer Taktzeit pro Stück endkonturnahe Bauteile mit komplexer Geometrie gefertigt werden und zum anderen leisten Al-Bauteile, durch ihre hohe spezifische Festigkeit, einen wesentlichen Beitrag zum Leichtbau im Gesamtfahrzeug. Für eine Realisierung von tragenden Strukturkomponenten aus Al-Druckgusslegierungen ist die Kenntnis des Materialverhaltens unter zyklischer Belastung essentiell und wird hauptsächlich von herstellungsbedingten Gefügeeinflüssen bzw. -inhomogenitäten bestimmt. Die Ausbildung dieser wird wesentlich von den Prozessparametern sowie der Bauteilgestaltung beeinflusst. Um die Betriebsfestigkeit eines Gehäuses aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 zu untersuchen, werden Proben direkt aus dem Bauteil entnommen und damit einstufige Wöhlerversuche durchgeführt. Der Fokus der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Schwingfestigkeitsuntersuchungen liegt auf dem Studium der Einflüsse von Porosität und Gusshaut. Basierend auf Voruntersuchungen werden zu diesem Zweck Proben aus Bauteilbereichen, die unterschiedliche Porengröße und -häufigkeit aufweisen, entnommen und charakterisiert. Die generierten Ergebnisse zeigen einerseits eine wesentliche Reduktion der Schwingfestigkeit bei erhöhter Porosität, aber andererseits keine Beeinflussung zufolge der Gusshaut. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Erhebung des Optimierungspotentials der vorliegenden Gehäusestruktur. Dazu wird im ersten Schritt die Schädigungsverteilung unter realen Betriebsbedingungen berechnet und an kritischen Stellen eine Formoptimierung durchgeführt. In einer zweiten Optimierungsschleife wird eine Topologieoptimierung unter Berücksichtigung des maximal zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie herstellungs- und montagebedingter Randbedingungen realisiert. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus sowie der mittragenden Funktion des Gehäuses im Gesamtfahrwerk, wird als Zielfunktion die Maximierung der Steifigkeit bei Restriktion des Gewichts gegenüber der Ausgangsgeometrie definiert. Das Resultat der durchgeführten Topologieoptimierung kann als Designvorschlag für neue Gehäusegeometrien gesehen werden.

KW - die-casting

KW - lightweight construction

KW - fatigue

KW - topology optimisation

KW - shape optimisation

KW - Druckguss

KW - Leichtbau

KW - Schwingfestigkeit

KW - Topologieoptimierung

KW - Formoptimierung

M3 - Diplomarbeit

ER -