Thermomechanische Ermüdung von Aluminium-Silizium-Gusslegierungen unter ottomotorischen Beanspruchungen
Sebastian Thalmair
Eine CAE-Analyse der thermomechanischen Lebensdauer stellt aufgrund zahlreicher Schwierigkeiten ein komplexes Problem dar. Diese Schwierigkeiten entstehen durch die verschiedenen Schritte, die für eine Lebensdaueranalyse nötig sind:
• Die Identifikation und Beschreibung der thermomechanischen Belastung in einem geeigneten Modell
• Die Wahl eines geeigneten Werkstoffgesetzes zur adäquaten Beschreibung des mechanischen Verhaltens
• Ein materialspezifischer Parameter für die Akkumulation der Schädigung
• Ein den Kundenanforderungen entsprechendes Lebensdauerkriterium, das den schadensfreien Betrieb gewährleistet.
Die Belastungen und das Werkstoffgesetz bestimmen die Verformungsantwort des Modells. Basierend auf dieser Antwort kann mit dem Schädigungsparameter eine Lebensdauer abgeschätzt und dem Lebensdauerkriterium gegenübergestellt werden. Für eine komplette Lebensdauermethodik darf man sich nicht auf die einzelnen Punkte des Problems konzentrieren, sondern muss sie, da sie miteinander verknüpft sind, als eine globale Vorgehensweise für die Lebensdaueranalyse betrachten.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen die einzelnen Schritte untersucht und der Weg zur Erstellung einer kompletten Lebensdauermethodik für die thermisch-mechanische Belastung von Zylinderköpfen beschrieben werden. Es soll versucht werden eine Verknüpfung zwischen den werkstoffkundlichen Aspekten der meistverwendeten Aluminium- Gusslegierungen und der numerischen Simulation zu erreichen. Ziel ist es, zum einen gezieltere Versuchsrandbedingungen aus Berechnungen der Bauteilbeanspruchung im Motorbetrieb abzuleiten und zum anderen eine belastbare Lebensdaueraussage für die Entwicklung von neuen Motorgenerationen zu ermöglichen. Dabei ist eine genaue Kenntnis der Beanspruchungssituation, der relevanten Belastungsgrößen und der Schädigungsentwicklung im Werkstoff nicht nur für die Auslegung von Interesse, sondern beantwortet auch wichtige Fragen für eine zielgerichtete Optimierung und Weiterentwicklung der verwendeten Legierungen.
