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Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau

Diplom-/Masterarbeiten

2020


Dipl.-Ing. Michael PEGRITZ

Titel: "Einfluss der Mikrostruktur auf das Kurzzeitfestigkeitsverhalten von AlSi-Gusslegierungen"

Kurzfassung 05/2020

Um Serienbauteile im modernen Automobilbau effizient herzustellen werden zumeist AlSi-Gussbauteile eingesetzt. Diese hybriden bzw. elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs erfordern eine komplexe Gestaltung um die technisch-wirtschaftlichen Anforderungen zuerfüllen. Die betriebsfeste Bauteilauslegung mit schwellwertbasierten, bzw. dauerfesten, Ansätzen wurde in den letzten Jahren intensiv erforscht, während die zyklische Beanspruchbarkeit im zeitfesten Betriebsbereich und der Mikrostruktur als Herstellprozessparameter Gegenstand aktueller Tätigkeiten ist. In dieser Arbeit ist der Einfluss der Mikrostruktur von Sr-veredeltem AlSi8Cu3 in T6-Zustand auf das Kurzzeitfestigkeitsverhalten bei Raumtemperatur zu untersuchen. Dazu wurden vier Versuchsreihen aus Serienbauteilen gefertigt, die sich hinsichtlich Dendritenarmabstand und Mikroporosität unterscheiden. Sowohl für grobes, als auch für feines, Gefüge wurde eine porositätsfreie Referenz-Probenserie durch heiß isostatisches Pressen hergestellt. Die Steigerung der Duktilität und der Kurzzeitfestigkeit durch heiß isostatisches Pressen ist bei der groben Mikrostruktur signifikanter als bei der Versuchsreihe mit kleinem Dendritenarmabstand. In den Versuchsreihen mit feiner Mikrostruktur dominiert das Versagen an persistenten Gleitbändern im ¶111♢⟨110⟩-Gleitsystems, wobei die Gleitflächen eine Fläche von bis zu 5,26mm2, respektive bis zu 12% des Prüfquerschnittes, annehmen.
Dieser alternative Versagensmechanismus tritt anstelle der, sonst für AlSi-Legierungen propagierten, mikrostrukturellen Merkmale, wie Schwindungsporen, im Korninneren in den Vordergrund. Die Größe der Gleitflächen der porenfreien Versuchsreihe mit feinem Gefüge variiert ausgeprägter, was sich auch in der erhöhten Streuung dieser Schwingfestigkeitsversuche widerspiegelt. Zur Beschreibung der Schwingfestigkeit wurde das Kohout-Vechet-Konzept für die kombinierte Auslegung von Kurzzeit- und Zeitfestigkeitsbereich implementiert. Es zeichnet sich durch die einfache ingenieurmäßige Anwendbarkeit mit geringer Parameteranzahl aus. Für alle Versuchsreihen wurde der Dendritenarmabstand mittels einer erweiterten Bilderverarbeitungsroutine ermittelt und zusätzlich ein probabilistisches Manson-Coffin-Modell sowie das Verfestigungsverhalten nach Ramberg-Osgood berechnet um die zeitfeste Beschreibung des Materialverhaltens umfassend zu ermöglichen. Durch diese vertiefte Kenntnis der zeitfesten Versagensmechanismen und der elastoplastischen Materialcharakterisierung ist eine verbesserte Auslegung von AlSi-Gussbauteilen möglich.


Dipl.-Ing. Christoph FEYERER

Titel: "Interaktion des Belastungskollektives und der Werkzeuggeometrie eines langsamlaufenden Einwellenzerkleinerers"

Kurzfassung 05/2020

Zerkleinerungsmaschinen - insbesondere den langsamlaufenden Einwellenzerkleinerern - kommen bei der Aufbereitung von gemischten Abfällen eine besondere Bedeutung zu. Zum einen sind diese leistungsbedingt für einen signifikanten Anteil der Gesamtbetriebskosten der Aufbereitungskette verantwortlich, zum anderen werden die Materialqualität und damit die weitere Verwertungsmöglichkeit der behandelten Einsatzstoffe entscheidend beeinflusst. Deshalb steht dieser Maschinentyp im Fokus der ständigen Optimierung. Im Falle des wissenschaftlichen Kooperationspartners im Rahmen dieser Arbeit, der Firma Komptech GmbH, handelt es sich um die Terminator-Baureihe als Versuchsträger, bei welcher insbesondere deren Schneidwerkzeuggeometrien bzw. die unterschiedlichen Ausführungen der Zerkleinerungseinheiten betrachtet werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden mithilfe einer speziellen Vorrichtung sämtliche Versuchsträger mit einer Möglichkeit zur Drehmomentmessung ausgestattet. In weiterer Folge wurden Belastungskollektive im Rahmen von Versuchen unter Realbetrieb und unter Variation definierter Maschinenparameter aufgenommen. Zusätzlich wurde eine weitere Versuchsserie durchgeführt, bei welcher die Messung der erforderlichen Zahnkräfte für das Durchbrechen bzw. –reißen definierter Probekörper im Fokus stand. Auf Basis dieser Untersuchungen konnte ein Zusammenhang zwischen den bestehenden Geometrieverhältnissen der betrachteten Zerkleinerungseinheiten und der im Rahmen der Versuche gemessenen Belastungskollektive sowie eine Verbindung zu den erreichten Durchsatzleistungen hergestellt werden. Aus den Versuchen geht hervor, dass sich die erforderliche Zahnkraft für das Zerkleinern eines definierten Probekörpers zwischen den unterschiedlichen Zerkleinerungseinheiten um ca. 60% unterscheidet. Dieser Unterschied zwischen den unterschiedlichen Zerkleinerungseinheiten kann im Betrieb unter Realbedingungen an den relativen Häufigkeiten von Extremwerten des Drehmoments mit über siebzig Prozent des Maximalwerts erkannt werden. Diese differenzieren sich um mindestens 46% zwischen den betrachteten Varianten. Ein Effizienzvergleich, unter Betrachtung des auf den Volumendurchsatz bezogenen Treibstoffverbrauchs zeigt, dass eine Steigerung der Ziel–Materialqualität von kleiner 100mm Siebdurchgang um fünf Prozent bei der Variante XXF einen um 21% höheren Treibstoffverbrauch zur Folge hat als bei der Maschinenvariante F. Die Variante V ermöglicht einen weiteren Anstieg der Ziel-Materialqualität des Siebdurchgangs um fünf Prozent, was sich jedoch in einem um 111% höheren Treibstoffverbrauch als der Varianten F äußert. Dies zeigt, dass eine feinere Materialqualität einen überproportionalen Einfluss auf den Energiebedarf hat. Untersuchungen unterschiedlicher Einstellungen des radialen Schnittspalts zeigen, dass ein größerer radialer Schnittspalt zu einer ca. zehn Prozent geringeren relativen Häufigkeit an siebzig-Prozent Schnittkraftmaximalwert führt. Die Verringerung der Walzendrehzahl reduziert diese ebenso um mindestens 13%. Zusätzlich wurde die Abhängigkeit der Einflussgrößen mittels Kohonenkarten studiert und ein neuronales Netz zur Abschätzung des spezifischen Treibstoffverbrauchs für zwei Maschinenvarianten aufgestellt. Durch die im Rahmen dieser Masterarbeit durchgeführten Untersuchungen konnten wesentliche Einflussgrößen identifiziert und deren Auswirkung quantifiziert werden. Diese Informationen bilden eine umfassende Grundlage für die Neu- und Weiterentwicklung des untersuchten Einwellenzerkleinerers (Terminator). Des Weiteren ergeben sich aus den Erkenntnissen des Effizienzvergleichs wichtige Informationen für die gesamtheitliche verfahrenstechnische Prozesskonzeption einer Recyclinganlage.


2019


Dipl.-Ing. Daniel WALLNER

Titel: "Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Einfluss der Einspannung beim WAAM-Prozess"

Kurzfassung 12/2019

Den Hauptaspekt der vorliegenden Masterarbeit bildet die experimentelle und numerische Untersuchung der Einspannung beim WAAM-Prozess. Das sogenannte Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM) bezeichnet dabei ein draht- sowie lichtbogenbasiertes, additives Fertigungsverfahren, bei welchem das zu fertigende Bauteil Schicht für Schicht mittels eines modifizierten Auftragsschweißprozesses generiert wird. Aufbauend auf einer zu Beginn durchgeführten Literaturrecherche bezüglich wichtiger Themengebiete diese Masterarbeit betreffend, folgt im Anschluss eine umfassende numerische Parameterstudie, welche sich mit der thermo-mechanischen Struktursimulation an sich sowie mit einer numerischen Analyse der Einspannbedingungen beim WAAM Prozess beschäftigt. Diese wurde dabei mit dem FE-Programm Simufact-Welding erstellt. Die wesentlichen Parameter, welche in dieser Studie variiert wurden, sind der thermomechanische Entkopplungsgrad, die verwendete Netzfeinheit, die Schraubenmodellierung und die Ausspannreihenfolge der Spannelemente sowie die verwendete Einspannkonfiguration. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wurde zu Beginn eine Parameterfindung hinsichtlich des WAAM Prozesses für den Werkstoff Ti-6Al-4V durchgeführt. Darauf aufbauend wurden im Anschluss ein normaler sowie ein gependelter Steg mittels WAAM auf eine Grundplatte aufgebaut. Dabei wurden die Temperaturverläufe in ausgewählten Punkten mittels Thermoelementen aufgezeichnet und somit die Temperaturfelder der dazugehörigen numerischen Modelle kalibriert. In weiterer Folge wurden Schweißversuche durchgeführt, bei denen neben den Temperatur-verläufen auch die Verläufe der Schraubenkräfte in den Einspannungen sowie die Dehnungen auf der Grundplattenoberfläche und der Verzug der Grundplatten ermittelt wurden. Den Abschluss dieser Arbeit bildet der nachfolgende Vergleich zwischen den experimentell ermittelten und den dazugehörigen numerisch berechneten Werten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass sich sowohl die Kraftverläufe der Einspannung als auch die Spannungsverläufe an der Grundplattenoberfläche qualitativ gut mit Hilfe einer numerischen Simulation abschätzen lassen, wobei jedoch signifikante Unterschiede zwischen den numerisch und experimentell ermittelten Werten evaluiert wurden.


Dipl.-Ing. Marco PROMMEGGER

Titel: "Entwicklung einer Prüfvorrichtung für Hochtemperaturversuche an einem elektrodynamischen Shaker"

Kurzfassung 12/2019

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Prüfvorrichtung, die es ermöglicht Hochtemperaturversuche an einem elektrodynamischen Shaker durchzuführen. Der elektrodynamische Shaker ist ein hochfrequentes Prüfsystem, welches am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau an der Montanuniversität in Leoben zur Verfügung steht. Mit diesem System können Schwingfestigkeitsversuche bis zu einer Schwingspielzahl von 1E9 in wirtschaftlich vertretbarer Zeit gemacht werden. Zur Aufbringung einer Kraft nutzt der Shaker Resonanzeffekte einer Struktur und der damit verbundenen großen Verstärkung der Beschleunigungsamplituden. Dieses Prüfsystem soll um eine Wärmekammer für isotherme Versuche bis zu einer Temperatur von 350°C erweitert werden. Eine wesentliche Anforderung an die Prüfvorrichtung, die den Shaker mit der Wärmekammer verbindet, ist es ohne zusätzliche Kühlung auszukommen. Mithilfe Parameterstudien mit einem Finite-Elemente Programm werden ideale Dimensionen sowie Werkstoffe für die Prüfvorrichtung ausgewählt. Das Ergebnis ist eine Konstruktion bestehend aus drei Teilen. Ein Titanflansch und ein Stahlflansch, welche durch ein Keramikzwischenstück verbunden sind. Mithilfe von Modalanalysen werden Eigenfrequenzen, Eigenmoden und Beteiligungsfaktoren bestimmt. Dadurch ist es möglich die Vorrichtung strukturdynamisch zu optimieren, um sie möglichst variabel im Bezug auf Prüffrequenzen einsetzen zu können. Verstärkungskurven und die Spannungen im Prüfquerschnitt werden mit Frequenzganganalysen unter Berücksichtigung der Rayleigh-Dämpfung bestimmt. Durch Versuche mit einem elektrodynamischen Shaker und der gefertigten Teile, kann ein Unterschied in der Resonanzfrequenz zwischen Simulation und realen System von 6,5% festgestellt werden. Dies ist eine nur geringe Abweichung, zurückzuführen auf Einflüsse wie Kontaktbedingungen und Elementanzahl im Simulationsmodell, welche das System versteifen. Der Dämpfungsgrad des realen Systems ist um 50% niedriger als der Wert, der für die Simulation verwendet wurde. Diese Differenz ist der schwer zu beschreibenden Dämpfung und den konservativen Werten für den Dämpfungsgrad der Literatur zuzuschreiben. Ein geringerer Dämpfungsgrad ist positiv, da somit die maximale Verstärkung des Systems größer ist, als in der Simulation berechnet. Dehnungen werden mittels Dehnungsmessstreifen gemessen und die Spannungen im Prüfquerschnitt berechnet. Die Abhängigkeit zwischen vorgegebener Beschleunigung und gemessenen Spannungsniveau ist durch eine lineare Beziehung gegeben. Bei größeren Belastungen, wie sie für Ermüdungsversuche verwendet werden, kann ein Fehler zwischen gemessenen und berechneten Werten von ca. 3% festgestellt werden. Ermüdungsversuche an zwei Belastungsniveaus zeigen gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Versuchen am bestehenden Prüfaufbau. Durch die Validierung der Simulationsergebnisse mit Versuchen am Shaker kann somit die volle Funktionstüchtigkeit der Prüfvorrichtung festgestellt werden.  


Dipl.-Ing. Stefan GERSTBREIN

Titel: "Betriebsfestigkeitsbewertung HFMI-nachbehandelter Schweißverbindungen auf Basis lokaler Konzepte"

Kurzfassung 12/2019

Die steigenden Anforderungen an geschweißte Konstruktionen hinsichtlich eines anwendungsorientierten Leichtbaus erfordern den Einsatz hochfester Materialien und computerunterstützter Auslegung. Als Ausgangspunkt zur Dimensionierung einer neuen Konstruktionsvariante ist eine möglichst genaue Kenntnis der im Betrieb auftretenden Belastungen erforderlich. Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Arbeit widmet sich demnach der Erarbeitung einer Methodik, wobei basierend auf experimentellen Messungen und numerischen Beanspruchungsanalysen, eine Ermittlung der auftretenden, komplexen und zeitlich variablen Betriebslasten möglich ist. Hierfür werden die lokalen Beanspruchungszustände einer bestehenden Kranstruktur untersucht und durch Dehnungsmessstreifen (DMS) experimentell verifiziert, sowie an sechs definierten Positionen im realen Betrieb des Forstgerätes gemessen. Für die weitere Rückrechnung auf die eingeleiteten Kräfte am Kranende dient ein Ansatz basierend auf der Moore-Penrose Pseudoinverse. Dazu wurde in drei Grundlastfällen, in allen technisch möglichen Zylinderstellungen eine Nennlast aufgebracht und die durch numerische Analyse ermittelten Nominalspannungswerte an den Messpositionen ausgewertet. Es wurde ein MATLAB-Skript erstellt, welches ausgehend von den aufgezeichneten Messdaten im Betrieb, automatisiert für jeden Zeitschritt die auftretenden Kräfte über die Pseudoinverse errechnet und ausgibt. Zur zusätzlichen Steigerung des Leichtbaupotentials geschweißter Stahlverbindungen haben vorangegangene Untersuchungen die besonders effektive Wirkungsweise höherfrequenter Hämmerverfahren (HFMI) als Nachbehandlung gezeigt. Eine Verifizierung dieser Technik wird anhand von begleitenden Schwingfestigkeitsuntersuchungen an geschweißten und HFMInachbehandelten, hochfesten Proben durchgeführt. Durch variable Blockversuche und einer Berechnung der äquivalenten, lokalen Beanspruchung kann ein signifikanter Einfluss des Belastungskollektivs auf die Lebensdauer evaluiert werden. Abschließend wird eine rechnerische Lebensdauerabschätzung einer ausgewählten Stelle der Konstruktion unter Berücksichtigung einer HFMINachbehandlung durchgeführt. Hierbei wird die vorteilhafte Anwendbarkeit der aufgebauten Methodik aufgezeigt, wodurch eine betriebsfeste Auslegung von Kranstrukturen in Leichtbauweise ermöglicht wird.


Dipl.-Ing. Markus RIEDL

Titel: "Unterstützung des Entwicklungsprozesses von Gleitlagerungen mit Hilfe des Model-Based Systems Engineering"

Kurzfassung 10/2019

Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit von technischen Systemen sind aufgrund der zunehmenden Komplexität immer schwieriger zu realisieren. Diese Herausforderung soll mit neuen Ansätzen in der Produktentwicklung bewältigt werden und ein möglicher Ansatz ist jener des Systems Engineerings. Das technische System, welches in dieser Arbeit behandelt wird, ist die Gleitlagerung, die zur Lagerung von Kurbelwellen in Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Um die Anforderungen, die Struktur und das Verhalten eines Gleitlagers besser in den Entwicklungsprozess einbinden zu können, ist ein beschreibendes Modell zur Verarbeitung dieser Informationen von großer Hilfe. Dieses Modell dient als Basis für ein daraus abgeleitetes Empfehlungssystem und soll die weitere Systementwicklung unterstützen. Die essentiellen Punkte für die Erstellung eines solchen Modells sind die Identifikation der Eingangsgrößen und die notwendigen Ausgangsgrößen. Als Methodik zur Beschreibung der Gleitlagerung wurde der Top-Down-Ansatz gewählt. Diese Methode mündet in einen strukturierten Aufbau der Gleitlagerung und verknüpft alle Anforderungen und Funktionen mit den jeweiligen Systemkomponenten. Eine Interaktion des Systems mit seiner Umgebung wird dabei mitberücksichtigt. Das Modell beschreibt den grundlegenden Aufbau einer Gleitlagerung, die Anforderungen, die an die Werkstoffe, an das System und an den Benutzer für einen ordnungsgemäßen Betrieb gestellt werden und schließlich noch eine Beschreibung der Betriebszustände. Das daraus abgeleitete Empfehlungswerkzeug schlägt nach der Analyse eines Motors und der Beschreibung durch Parameter mögliche Gleitlager für den jeweiligen Anwendungsfall vor. Das Kernstück für dieses Empfehlungssystem ist die auf Erfahrung basierende Bewertungsmatrix. Die Eingangsgrößen für das Empfehlungswerkzeug sind den spezifischen Schadensmechanismen von Gleitlagern zugeordnet. Diese bewerteten Schadensmechanismen werden anschließend für eine Empfehlung mit den dazugehörigen Gleitlagereigenschaften verglichen. Dieses Werkzeug, welches Erfahrungswerte aus den Bereichen Konstruktion, Simulation und Mechanikentwicklung verknüpft, ermöglicht für zukünftige Projekte bereits in der frühen Entwicklungsphase eine erste grobe Bewertung des Motors anhand von Gleitlagereigenschaften. Eine Bewertung führt zu einer Empfehlung von Lagertypen oder zeigt mögliche Problemstellen des Antriebsaggregats auf, die im weiteren Entwicklungsverlauf gezielt beeinflusst werden können. Die Bewertungsmatrix wurde mit einem Lokomotivdieselmotor und einem Großgasmotor verifiziert und lieferte die erwarteten Antworten. Das Bewertungssystem verlangt eine gemeinsame Diskussion für eine Empfehlung und ermöglicht damit eine effizientere Weiterentwicklung.


Dipl.-Ing. Florian HIMMELBAUER

Titel: "Entwicklung und Validierung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von geschraubten Fügestellen"

Kurzfassung 06/2019

Die Dämpfung stellt einen signifikanten Parameter in dynamischen Systemen dar. Durch die Energiedissipation und die daraus resultierende Begrenzung der Schwingungsamplituden können Spannungen, Verformungen oder Schallemissionen auf ein erträgliches Maß reduziert werden. Eine schwingungstechnisch ausgereifte Konstruktion bedarf somit der Berücksichtigung der Dämpfung. Aufgrund von fehlendem Verständnis und Schwierigkeiten bei der korrekten Berücksichtigung der Dämpfung in der Simulation werden vorwiegend experimentelle Methoden eingesetzt, um die Mechanismen der Dämpfung zu untersuchen und Dämpfungskennwerte für die numerische Simulation abzuleiten. Die Dämpfung in Fügestellen verursacht einen Großteil der Energiedissipation in Baugruppen, deswegen wird ihr eine besondere Bedeutung im Bauteildesign zugeschrieben. In dieser Masterarbeit wird eine innovative Prüfmethodik zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von geschraubten Fügestellen vorgestellt. Ein strukturdynamisch optimiertes Design des Prüfstands wird mithilfe einer Modalanalyse konstruiert, wobei eine breite Variation des Belastungszustandes in der Fügestelle ermöglicht wird. Versuche mit einem elektrodynamischen Shaker dienen zur Validierung des Schwingungsverhaltens des Prüfstands, zur Identifikation von geeigneten Prüfparametern zur Erfassung eines nichtlinearen Systemverhaltens und zur Untersuchung der Auswirkungen einer geschraubten Fügestelle auf das dynamische Verhalten. Die grundsätzliche Idee der Prüfmethodik liegt in der Gegenüberstellung der Amplituden-Frequenzgänge einer geteilten, zusammengeschraubten Probe sowie einer bezüglich Geometrie und Masse identischen monolithischen Probe als Referenz. In dieser Arbeit wurden zwei repräsentative Probengeometrien untersucht. Beim Probendesign A sanken die maximalen Schwingungsamplituden der geteilten Probe um mehr als die Hälfte im Vergleich zur monolithischen Probe, der Dämpfungsgrad nahm um ca. 17% zu. Zudem wurde ein stark nichtlineares Übertragungsverhalten beobachtet, welches durch Mikro- und Makroschlupf in der Fügestelle und der Einspannung der Probe erklärt werden kann. Bei Versuchen mit dem Probendesign B betrug die Abnahme der maximalen Verstärkung nur 10% und das nichtlineare Verhalten war schwächer ausgeprägt. Eine Verringerung des Anziehdrehmoments der Schrauben von 10Nm auf 2Nm ergab eine um ca. zwei Drittel abnehmende maximale Schwingungsamplitude in Resonanznähe und einen steigenden Dämpfungsgrad (+51%). Die geringere Flächenpressung führte demnach zu größeren Freiheiten bei der Relativbewegung der Fügepartner (Mikro- und Makroschlupf) und somit zu einer erhöhten Energiedissipation und zu einem gedämpfteren Übertragungsverhalten.


Dipl.-Ing. Michael HORVATH

Titel: "Aufbau einer numerischen Simulationskette zur automatisierten Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Stahlgussdefekten"

Kurzfassung 06/2019

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.


Dipl.-Ing. Markus SCHÖNOWITZ

Titel: "Einfluss von Vorkorrosion auf die statische und zyklische Festigkeit von A1-Druckgussbauteilen"

Kurzfassung 06/2019

Fahrzeugkomponenten aus Aluminium werden im Laufe der Einsatzdauer durch Umwelteinflüsse korrosiv geschädigt. Derzeit existiert kein allgemeines Modell zur Beschreibung der Auswirkung der Korrosion auf die Bauteilfestigkeit/-lebensdauer. Zur quantitativen Abschätzung der Einsatzdauer und der maximalen Belastbarkeit sind Bauteilversuche durchzuführen. Der Einfluss der Korrosionsdauer wird durch vier unterschiedliche Vorkorrosionszeiten bzw. Korrosionsstufen abgebildet. Es erfolgte eine Analyse der korrosiven Vorschädigung an den höchstbeanspruchten Stellen von Bauteilen, an welchen auch Schwingversuche durchgeführt wurden, mittels metallographischer Untersuchungen. Dabei sind, aufgrund der Gefügezusammensetzung, sowohl Lochkorrosion als auch interkristalline Korrosion zu
identifizieren. Die maximale Eindringtiefe der Korrosion wird an der Spitze der interkristallinen Korrosion gemessen und beträgt rund 250μm. Dies entspricht einer Schädigungstiefe von rund 5% der Wandstärke. Der starke korrosive Angriff ist auf den relativ hohen Anteil an Kupfer in der Legierung zurückzuführen. Mit Hilfe einer für die Bauteile entwickelten Prüfvorrichtung ist es möglich, diese möglichst realitätsnah zu beanspruchen. Die Prüfvorrichtung mitsamt dem Bauteil wurde mittels eines FE-Modells numerisch erfasst und die Ergebnisse mittels umfangreicher DMS-Messungen vor und während der Versuche verifiziert. Die korrosiv vorgeschädigten Bauteile wurden sowohl quasistatisch als auch zyklisch geprüft und mit den Ergebnissen unkorrodierter Bauteile verglichen. Die Auswertung der quasistatischen Zugversuche zeigt eine lineare Abnahme der Bruchkraft von rund 5% pro Korrosionsstufe. Bei den Schwingversuchen werden neben den unkorrodierten Bauteilen die ersten beiden Korrosionsstufen geprüft. Dabei nimmt die Lebensdauer der Prüfkörper der ersten Korrosionsstufe, abhängig vom Lastniveau, um bis zu rund 40% ab. Die Lebensdauerabnahme der
zweiten Korrosionsstufe ist, im Vergleich zu der unkorrodierten Versuchsreihe, mit bis zu 60% deutlich größer. Diese Festigkeits- bzw. Lebensdauerminderung ist auf die Spannungsüberhöhung durch die Lochkorrosion und interkristalline Korrosion zurückzuführen. Diese Erkenntnisse tragen zum Verständnis der Auswirkungen einer korrosiven Vorschädigung auf die Festigkeitseigenschaften von Bauteilen bei. Dadurch ist eine verbesserte Abschätzung der Auswirkungen von Korrosion bereits in der Auslegungsphase möglich.


Dipl.-Ing. Michael DENZEL

Titel: "Tribological characterization of valvetrain ball/socket-contacts based on a tribometric model testing system"

Kurzfassung 06/2019

Höhere Wirkungsgrade und geringere Emissionen in Verbrennungsmotoren erfordern niedrigviskose Motoröle, um Reibungsverluste zu reduzieren. Zusätzlich müssen bestimmte Öl-Additive reduziert werden, um neue Umweltbestimmungen zu erfüllen. Dies führt zu höherem Verschleiß an Motorkomponenten, die bisher eine unkritische Verschleißcharakteristik zeigten. Vor allem an Kugelgelenken in Ventiltrieben wirkt sich Verschleiß sehr negativ aus, da dadurch das Ventilspiel und folglich der Gasaustausch beeinflusst werden. Dies kann zur Reduktion des Wirkungsgrades, höheren Emissionen und Motorschäden führen. Derzeit werden Motortests mit einer Laufzeit von mehreren Tagen durchgeführt, um das tribologische Verhalten von Ventiltriebskomponenten zu untersuchen. Um Zeit und Kosten zu sparen, wird nach einem Modellprüfsystem verlangt. Basierend auf einem Rotationstribometer, wurde ein Prüfstand entwickelt, der Untersuchungen unterschiedlicher Kugelgelenksproben, die aus Ventiltriebskomponenten geschnitten werden, innerhalb eines Tages ermöglicht. Der modulare Aufbau des Prüfstandes ermöglicht es, verschiedene Proben, deren Einbauposition, Schmiersystem und Kinematik zu variieren. Ein passendes Testprogramm mit Datenauswertung, basierend auf einem Start-Stopp-Zyklus, wurde entwickelt, um die realen Laufeigenschaften im Motor bestmöglich zu simulieren. Die Ergebnisse mit begleitender optischer Analyse und gravimetrischer Verschleißmessung werden mit Motortests verglichen. Aufgrund der unterschiedlichen Rotationsachse im Tribometer und im Motor, war es erforderlich, Geschwindigkeit und Last anzupassen, um den gleichen feinabrasiven Verschleißmechanismus zu erzielen, der in Motorkomponenten festgestellt wurde. Da Versuche mit ungebrauchtem Motoröl nicht genügend Verschleiß produzieren konnten, um die Ölwirksamkeit zu erproben, wurde eine künstliche Ölalterung durch Beimischung von Abrasivpartikeln oder einem Rußersatz erzielt. Es konnte gezeigt werden, dass die geometrische Konformität von Kugel und Kugelpfanne einen großen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit und den eventuellen Aufbau eines tragenden Ölfilms hat. Versuche mit gebrauchtem Motoröl konnten beweisen, dass es möglich ist, signifikanten Verschleiß an den untersuchten Teilen in moderater Versuchsdauer zu erzeugen. Weiters konnte gezeigt werden, dass, abhängig von deren Konzentration, Abrasivpartikel an den untersuchten Kontakten zwar den Reibungskoeffizienten erhöhen und zum Fressen führen können, aber nicht den feinabrasiven Verschleiß erhöhen. Das Beimischen von Rußersatz dagegen führt zu einer deutlichen Erhöhung des Verschleißes. Laut Literatur ist dies auf eine chemische Interaktion zwischen Ruß und dem Öl-Additiv Zinkdialkyldithio-V phosphat zurückzuführen. Zum Zwecke der Validierung wurden Versuche mit Ölen unterschiedlicher Laufleistungen im Motor durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass ein Öl mit niedrigem Verschleiß im Motortest, unter Anwendung künstlicher Ölalterung, auch zu niedrigem Verschleiß im Modell führt. Folglich bietet die entwickelte Versuchsmethodik ein gutes Werkzeug zum besseren Verständnis und zur Bewertung von Tribosystemen mit Kugelgelenken.


Dipl.-Ing. Michael BERNER

Titel: "Numerische Analyse ausgewählter Versagensmechanismen bei hochbelasteten Verzahnungen"

Kurzfassung 04/2019

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Analyse ausgewählter Versagensmechanismen bei hochbelasteten Verzahnungen. Es handelt sich hierbei um die Schädigungsmechanismen Grübchenbildung und Flankenbruch. Ziel dieser Arbeit war es, ein Tool zu entwickeln, welches im Stande ist, den lokalen Beanspruchungszustand hinsichtlich Grübchenbildung und Flankenbruch zu bewerten. Zu Beginn wird ein Überblick über die auftretenden Beanspruchungen in einem Zahn eines Zahnrades gegeben. Eine Festigkeitshypothese muss einige Anforderungen erfüllen, um die Beanspruchungszustände in einem Zahn bewerten zu können. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Festigkeitshypothesen untersucht und die Schubspannungsintensitätshypothese für die weitere Umsetzung ausgewählt. Diese Theorie für Grübchenbildungs- und Flankenbruchgefährdung wurde durch ein selbst entwickeltes Tool in Python umgesetzt und es wurden Untersuchungen an unterschiedlichen Kegelradpaaren durchgeführt. Mit dieser Theorie ist es möglich den lokalen Beanspruchungszustand des Zahnes eines Zahnrades zu bewerten und den Auslastungsgrad unter Berücksichtigung lokaler Werkstoffeigenschaften zu ermitteln. Die Basis dieser Berechnungen bilden die Ergebnisse aus Finite – Elemente – Simulationen. Mithilfe einer Sensitivitätsanalyse konnte das Tool abgestimmt und der Einfluss wichtiger Parameter bestimmt werden. Weiters wurde ein Konzept der Berücksichtigung der Lastzyklenzahl eingeführt. Das letzte Kapitel der Arbeit untergliedert sich schlussendlich in zwei Teile. Im ersten Teil erfolgt die Anwendung des Tools auf Kegelräder eines Kegelraddifferentials und der zweite Teil beschäftigt sich mit achsversetzten Kegelrädern, den sogenannten Hypoidrädern. Anschließend wurden die Ergebnisse mit den Ergebnissen aus der Verzahnungsprüfung verglichen. Sowohl bei der ausgewählten Kegelrad- als auch bei der Hypoidverzahnung konnten die numerischen Analysen das Eintreten von Grübchenbildung und Flankenbruch unter einer bestimmten Belastung bestätigen. Mit diesen Ergebnissen ist es möglich, Eintreten von Grübchenbildung und Flankenbruch bei einem Zahn eines Zahnrades zu bestimmen. Durch die Miteinbeziehung der Lastzyklenzahl kann eine konservative Abschätzung hinsichtlich der Lebensdauer durchgeführt werden. Dieses Berechnungsverfahren soll den Grundstein für erste Bewertungen der Grübchen- und Flankenbruchtragfähigkeit von Kegelradsätzen legen und in weiterer Folge im Auslegungsprozess von künftigen Kegelradpaaren einen Beitrag zur Tragfähigkeitsbewertung hinsichtlich Grübchenbildung und Flankenbruch leisten.

 


Dipl.-Ing. Raphael BERGER

Titel: "Numerische und experimentelle Analyse eines drahtbasierten additiven Herstellprozesses"

Kurzfassung 04/2019

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der numerischen und experimentellen Analyse eines drahtbasierten Herstellverfahrens. Bei diesem sogenannten Wire+Arc Additive Manufacturing (WAAM) werden Metallkomponenten Schicht für Schicht über einen drahtgestützten, lichtbogenbasierten Materialübertrag aufgetragen. Neben den Vorteilen der additiven Fertigung, wie die Erzeugung komplexer Geometrien in geringer Zeit mit reduziertem Aufwand, besteht die Möglichkeit, bei dieser Technologie große Teile zu produzieren. Signifikant nachteilig wirken sich starke Verformungen und Eigenspannungsprobleme auf die erzeugten Werkstücke aus. Damit solche Probleme im Vorhinein untersucht und minimiert werden können, kommen Finite-Elemente-Prozesssimulationen zum Einsatz, mit denen Minderungsstrategien untersucht werden. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden Literaturrecherchen zu den Themen Additive Fertigungsverfahren und Numerischer Simulationsprozesse durchgeführt. Der experimentelle Teil dieser Arbeit befasst sich mit einer Studie zur Wahl der Schweißparameter. Neben der Parameterfindung wird ein Versuchsmodell erstellt, mit dessen Hilfe die Simulationsergebnisse validiert und kalibriert werden können. Neben der Messung der Spannungs- und der Temperaturverläufe während des Schweißvorganges werden im Anschluss Eigenspannungsmessungen durchgeführt sowie der Verzug ermittelt. Die so gewonnenen Daten werden aufbereitet, um sie mit den Verläufen aus den Simulationsstudien zu vergleichen. Zusätzlich wird der thermische Einfluss auf die während des Schweißvorgangs entstehenden Phasen anhand von Schliffbildern diskutiert. Die Simulation stellt Einspannungszustände, Abmessungen und Materialdaten zur Verfügung, welche mit den Versuchen verglichen werden können. Die aufgezeichneten Temperaturverläufe werden für die Kalibirierung der Simulation verwendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich der Fertigungsprozess numerisch effektiv abbilden lässt. Aus den Simulationen lassen sich Bauteileigenschaften, wie unter anderem globale Verformungen und lokale Eigenspannungszustände qualitativ abschätzen. Der Maximalverzug des Bauteils beträgt sowohl in der Simulation als auch im Versuch bis zu 3mm. Die Temperaturwerte sind nahezu ident, wobei maximale Unterschiede von 20 ◦C vorliegen. Die Eigenspannungsergebnisse unterscheiden sich mit 50-100MPa jedoch wesentlich voneinander. Die Position der Messpunkte und die dort wirkenden Temperaturen können im Rahmen dieser Arbeit die Ergebnisse beeinflussen. Zusammenfassend, dienen die entwickelten Methoden als methodische Referenz zur Analyse der WAAMHerstellung noch komplexerer Geometrien.


Dipl.-Ing. Martin BITTENDORFER

Titel: "Numerische Modellierungsstrategien von schalenmodellbasierten Schweißverbindungen"

Kurzfassung 04/2019

Um den Modellierungs- und Berechnungsaufwand für geschweißte Tragwerksstrukturen in einem wirtschaftlich vertretbaren Bereich zu halten, ist es zielführend, diese mit 2DSchalenelementen zu modellieren. Ziel dieser Masterarbeit ist es, einen methodischen Ansatz für eine strukturspannungsbasierte multiaxiale Beurteilung von Schweißverbindungen anhand von Finite-Elemente-Schalenmodellen zu finden. Im Rahmen einer numerischen Simulationsstudie wurden zunächst schalenbasierte Modelle mit unterschiedlichen Last- und Randbedingungen sowie unterschiedlich fein modellierten Netzen aufgebaut. Zur methodischen Konzeptfindung wurden verschiedene knoten- und elementbasierte Ansätze der Spannungsauswertung berücksichtigt und gereiht. Das erarbeitete Konzept „K1-NK-Center“ basiert auf einer Auswertung der Element Center-
Spannungen am nächstliegenden, ersten Element der Schweißverbindung. Die zu verwendende Elementgröße entspricht der Blechdicke des Anschlussblechs. Die Bewertung erfolgt nach dem Nennspannungskonzept, wobei die Auswertung der Spannungskomponente auf Schweißnahtseite als Superposition von Membran- und Biegespannung erfolgt. Dieses Konzept wurde verschiedenen Strukturspannungskonzepten mit Oberflächenlinearisierung gegenübergestellt. Dabei wurden sowohl Methoden für eine punktuelle als auch extrapolierende Strukturspannungsermittlung in Betracht gezogen. Die Auswertung der Validierungsergebnisse ergab stets konservative Bemessungsergebnisse in den ertragbaren Dauerfestigkeiten, wobei die Abweichung zu den publizierten Strukturspannungskonzepten im Durchschnitt weniger als 10% beträgt. Zusätzlich wurde bei allen betrachteten Konzepten ebenfalls der Einfluss der Blechdicke evaluiert, welcher bei Dünnblechen mit Blechdicken kleiner als 25mm als erhöhender Faktor herangezogen werden kann. Unter Berücksichtigung des Blechdickenfaktors konnten die, zuvor bis zu 40% konservativen, Ergebnisse an die geprüften Festigkeitswerte angepasst werden. Zusätzlich wurden auch vergleichende Berechnungen an multiaxial beanspruchten Proben bzw. Bauteilen vorgenommen. Die multiaxiale Auswertung liefert tendenziell konservative Ergebnisse, wobei für die untersuchten Bauteile die Berechnung nach IIW jener der FKM vorzuziehen ist. Nach der FKM Richtlinie ergeben sich etwa fünfzig Prozent geringere Lebensdauerwerte für die angewandte Strukturspannungsberechnung als nach der IIW. Im Zuge dieser Arbeit konnte eine Modellierungs- und Auswerteempfehlung festgelegt werden, mit der eine einheitliche Beurteilung von Schweißverbindungen nach dem Nennspannungskonzept, anhand von Finite Elemente Schalenmodellen, ermöglicht wird. Dies stellt die Voraussetzung für eine normgerechte, multiaxiale Bauteilauslegung geschweißter Strukturen nach Eurocode 3 bzw. der FKM-Richtlinie dar.

 


Dipl.-Ing. Sebastian SPRINGER

Titel: "Einfluss der Randschicht auf die Ermüdungsfestigkeit additiv gefertigter Aluminiumbaueile"

Kurzfassung 04/2019


Die additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Fertigung von Komponenten. Ein wichtiger Faktor für die Anwendung von AM für versagenskritische Strukturbauteile ist die ausreichende Kenntnis über die Einflüsse lokaler Materialeigenschaften auf die Ermüdungsfestigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Einfluss des Oberflächenzustandes sowie der Effekt von thermischen Nachbehandlungsverfahren auf die Schwingfestigkeit von AM Aluminiumbauteilen genauer untersucht. Speziell bei geometrischkomplexen AM-Strukturen ist eine mechanische Oberflächenbearbeitung nur bedingt möglich, wodurch eine Beurteilung der druckrauen Oberflächen maßgeblich ist. Für die Untersuchungen wurden seitens des Firmenpartners Aluminiumrundproben mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt, wobei Prüfserien mit unterschiedlicher thermischer Nachbehandlung sowie eine weitere Serie im as-built-Zustand untersucht wurden. DesWeiteren sind von jeder Serie Proben mit polierter und mit rauer Oberfläche analysiert worden. Zur detaillierten Charakterisierung der Oberflächentopografie sowie zur Bestimmung gängiger Oberflächenkennwerte wurde die Oberfläche der as-built Proben mit einem digitalen Lichtmikroskop eingescannt. Die anschließenden Schwingversuche sind bei einem Spannungsverhältnis von R=-1, auf einer Resonanzprüfmaschine durchgeführt worden. Begleitend wurde eine umfassende Schadensanalyse der Bruchflächen mittels Lichtmikroskopie realisiert. Es zeigte sich, dass sich Heiß-Isostatisches Pressen (HIP) sowie eine T6-Wärmebehandlung positiv auf die Langzeitfestigkeit im polierten Zustand auswirken und diese um bis zu 14% bzw. 6% gegenüber dem as-built-Zustand gesteigert werden kann. Bei den Schwingversuchen mit den rauen Proben konnte eine Verringerung der Langzeitfestigkeit von rund 60% im Vergleich zu polierten Proben ermittelt werden. Zur Bewertung der Mikrokerbwirkung von rauen Oberflächen wurde ein Spannungskonzentrationsfaktor unter Berücksichtigung ausgewählter Oberflächenkenngrößen für jede Probenserie analytisch bestimmt und daraus die Reduktion der Langzeitfestigkeit abgeschätzt. Eine Validierung der evaluierten Langzeitfestigkeiten mit den Ergebnissen der Schwingversuche zeigt eine gute Übereinstimmung. Abschließend wurde die experimentell ermittelte Schwingfestigkeit mit Werten vergleichbarer Aluminiumgussproben aus der Literatur gegenübergestellt, wobei sich um rund 30% höhere Werte beim modernen AM-Verfahren im Gegensatz zur konventionellen Gusstechnologie ergeben. Zusammenfassend ist zu sagen, dass eine raue Oberfläche die Ermüdungsfestigkeit additiv hergestellter Proben deutlich verringern kann. Durch eine thermische Nachbehandlung ist es jedoch möglich die Langzeitfestigkeit wiederum zu steigern. Zur ganzheitlichen Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von AM-Bauteilen sowie des Einflusses der rauen Oberfläche ist die Berücksichtigung weiterer technologischer Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen im Rahmen zukünftiger Untersuchungen zu inkludieren.


Dipl.-Ing. Raphaela MÜHLEDER

Titel: "Untersuchung des Verhaltens von O-Ringen unter Druckbelastung anhand FEM und experimenteller optischer Prüfverfahren"

Kurzfassung 04/2019

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Prüfverfahren von O-Ringen entwickelt, welches Aufschluss über das Verformungsverhalten unter Druckbelastung geben soll. Eine für diesen Zweck konstruierte Prüfkörperhalterung für O-Ringe, bestehend aus einer statischen Flanschdichtung mit transparentem Flanschdeckel, ermöglichte die optische Messung der verändernden O-Ring Dimensionen mittels Kamerasystem. Implementiert wurde diese Prüfkörperhalterung, für den nötigen Druckaufbau, in einem Autoklaven mit Sichtfenster. Als zweiter Schwerpunkt lag die Erstellung einer Finiten Elemente Analyse (FEA) einer statischen O-Ring Flanschdichtung im Fokus. Für die Simulation des realen Materialverhaltens wurden Daten von Materialprüfungen mit unterschiedlichen Belastungsmodi (uniaxial, biaxial und pure shear) in das Simulationsprogramm eingelesen, um daraus ein passendes hyperelastisches Materialmodell auszuwählen. Für die Analyse wurden zwei Elastomerwerkstoffe (HNBR und TPU) herangezogen.
Ein Vergleich der FEA und der experimentellen Versuche, mit dem Ziel der Validierung der FEA wurde im Anschluss durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine optische Messung des Verhaltens von O-Ringen unter Druckbelastung für eine statische Flanschdichtung in Echtzeit möglich ist. Die optischen Aufnahmen konnten mit einem Videoanalyse Tool ausgewertet werden. Bei der FEA konnte für beide Materialien ein hyperelastisches Materialmodell ausgewählt werden, wobei es bei HNBR durch die Füllstoffe im Material zu höheren Abweichungen zwischen den Daten der Materialprüfungen und dem Materialmodell kommt. Bei der Validierung der FEA konnten Abweichungen im Kontaktverhalten und Verhalten der untersuchten Punkte mit Abweichungen von mehreren Zehntel Millimeter festgestellt werden. Verantwortlich dafür sind die Faktoren der Permeation, des Kontaktverhaltens, des Temperatureinfluss, sowie der Quellung und Relaxation, welche ein sehr komplexes Materialverhalten zugrunde legen. Abschließend konnte jedoch eine Korrelierung der Bauteilcharakterisierung mit der FEA aufgezeigt werden.


Dipl.-Ing. Matthias OBERREITER

Titel: "Aufbau einer modularen Prüfmethodik zur betriebsfesten Charakterisierung von gussrauen Randschichten"

Kurzfassung 04/2019

Neben Geometrieoptimierungen und der Verwendung von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium, ist ein geeignetes Lebensdauerberechnungsmodell wesentlich im leichtbaugetriebenen  Auslegungsprozess. Zur Realisierung komplexer Bauteilgeometrien wird überwiegend das Gießen, speziell der Sandguss als Herstellungsverfahren angewendet. Als Begleiteffekt dieses Herstellungsverfahrens treten ermüdungswirksame Gefügemerkmale sowohl im Volumen als auch in der Randschicht solcher Bauteile auf. Reale Lebensdauerbeanspruchungen weichen in Folge von Überlasten wesentlich von Wöhlerversuchen mit konstanter Amplitude ab. Reihenfolgeeffekte durch variable Lastamplituden resultieren in deutlich abweichenden Ermüdungsfestigkeitswerten. Die Berücksichtigung dieser als Bauteillebensdauer bietet Verbesserungspotential hinsichtlich Kosten- und Gewichtsersparnis. Zur Untersuchung dieses Effektes sollen Versuche unter schwellender Zugbelastung sowohl mit variabler Lastamplitude (VAL) als auch mit konstanter Lastamplitude (CAL) durchgeführt werden. In vereinfachter Form finden Blockprogrammversuche Anwendung bei der VAL-Prüfmethodik. Dies erfordert zunächst die konstruktive Überarbeitung eines bestehenden Lineartribometers. Mittels Simulationen und Modalanalysen wird das optimale Lösungskonzept erarbeitet. Untersucht werden Flachproben mit gussrauer Oberfläche. Vergleichsweise stehen Proben in zwei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen (HIP und T6) zur Verfügung um technologische Poreneinflüsse zu evaluieren. Zunächst wurde eine geeignete Prüfmethodik entwickelt, wobei die Antriebssteuerung durch Hardware und Softwarepakete von Siemens realisiert wird. Die mittels eines digitalen Lichtmikroskops erfassten 3D-Oberflächendaten unterstützen die topographische Auswertung nach Schwingprüfung. Begleitend zu den Schwingversuchen werden Bruchflächenanalysen durchgeführt. In beiden Fällen der Versuchsdurchführung (CAL und VAL) wurden sowohl angeschnittene Poren als auch geometrische Oberflächenkerben als Rissinitiierungsursachen identifiziert. Durch Berechnung der Äquivalenzspannung und der Schädigungssumme können Vergleiche hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit mit publizierten Ergebnissen aus einschlägiger Fachliteratur durchgeführt werden. Die Lebensdauerlinie liegt um den „spectrum shape factor“ SSF = 0,92 rechts von der Wöhlerlinie. Darüber hinaus konnten an Proben im Langzeitfestigkeitsbereich „nonpropagating cracks“ zur Beurteilung des Rissstillstands festgestellt werden. Zusammengefasst führen die Versuchsergebnisse unter Blocklastbeanspruchung zu einer konservativen Lebensdauervorhersage im Vergleich zum numerischen Lebensdauerbewertungsmodell.


Dipl.-Ing. Tobias ROSNER

Titel: "Ausarbeitung eines Konzeptes für einen Getriebeaufsatz zur Kompensierung regulärer und irregulärer Belastungen"

Kurzfassung 04/2019


Zur Abstützung großer Bauwerke und zur Sicherung von Baugruben werden unterschiedlichste  Verfahren des Spezialtiefbaus angewandt. Der Spezialtiefbau hat heute eine große  Bedeutung für die Bauindustrie und ist eines der maschinenintensivsten Bauverfahren. Zur Ableitung der Gebäudelasten auf tragfähige Bodenschichten werden Bauwerke vermehrt auf Pfahlfundamenten aufgebaut. Diese Pfähle können auf unterschiedlichste Art und Weise hergestellt werden, wobei das häufigste und gängigste Verfahren hierfür das Kellybohrverfahren ist. Bei diesem Verfahren wird mit einer teleskopierbaren Kellystange gearbeitet, welche sich auf einem Getriebeaufsatz abstützt und mittels des Bohrantriebes angetrieben wird. Dieser Getriebeaufsatz soll das Trägergerät vor den im Betrieb auftretenden regulären und irregulären Belastungen schützen und die Stöße, welche beim Austeleskopieren der Kellystange auftreten, abfangen. Dies soll explizit durch Energieumwandlung geschehen. In dieser Masterarbeit wird ein neues Konzept für einen solchen Getriebeaufsatz entwickelt, bzw. explizite Vorschläge für die Umsetzung und die Anwendung diverser Maschinenelemente für den Getriebeaufsatz erarbeitet. Dabei wird speziell auf die Belastungen, die Anforderungen und Gegebenheiten sowie die möglichen Maschinenelemente eingegangen, und mögliche Alternativen hierfür werden aufgezeigt. Weiters wird betrachtet, warum es notwendig ist, einen neuen Getriebeaufsatz zu entwickeln, und aus welchen Gründen die alte Variante nicht mehr zweckdienlich ist. Der neue Getriebeaufsatz sollte dabei, bei einer maximalen Gesamthöhe von 560mm, mindestens eine Energie von 38 kJ aufnehmen können. Nach Auswahl der möglichen Maschinenelemente werden diese auf einem eigens, im Zuge dieser Masterarbeit, entwickelten Prüfstand untersucht, um deren dynamisches Dämpfungsverhalten und somit deren Anwendbarkeit für den neuen Getriebeaufsatz zu untersuchen und zu evaluieren. Die Versuche bestätigten zum Teil die Herstellerangaben und es stellte sich heraus, dass die Kunststoffdämpfungselemente sowie die Reibungsfedern am besten für den neuen Getriebeaufsatz geeignet sind. Durch die Erkenntnisse aus den Versuchen konnten anschließend zwei Konzepte des Getriebeaufsatzes entwickelt werden. Das erste Konzept kann eine Energie von 69.9 kJ bei einer Endkraft von 597 kN aufnehmen und ist um 178 kg leichter als die alte Variante. Das zweite Konzept kann eine Energie von 47.1 kJ bei einer Endkraft von 795 kN aufnehmen und ist um 155 kg leichter als die Vorgängerversion. Gleichzeitig können beide Konzepte einen 20mm größeren Hub ausführen als der bisher verwendete Getriebeaufsatz. Aufgrund der hohen Energieaufnahme und des einfachen Aufbaus, hat sich das erste Konzept als das Bessere erwiesen.

2018

Dipl.-Ing. Stefan PUSTERHOFER

Titel: "Bruchmechanische Bewertung defektbehafteter Gussbauteile mittels numerischer und analytischer Methoden"

Kurzfassung 10/2018


Die Ermüdungsfestigkeit von Gussbauteilen wird wesentlich durch innenliegende Imperfektionen, wie beispielsweise Poren oder intermetallische Phasen, sowie durch die Kerbschärfe der Gusshaut beeinflusst. Diese wirken wie geometrische Kerben und verursachen eine lokale Spannungsüberhöhung, welche unter zyklischer Beanspruchung zu einer Schädigung des Materials durch Initiierung eines Ermüdungsrisses führen können. Für die Charakterisierung derartiger geometrischer Ungänzen hat sich vor allem das Konzept nach Murakami bewährt, wobei die 2D-projizierte Defektkontur normal zur Beanspruchungsrichtung als ebener Riss betrachtet und durch einen Spannungsintensitätsfaktor bewertet wird. In der analytischen Berechnung der Spannungssingularität fließt ein dimensionsloser Geometriefaktor ein, welcher die Form und Lage des rissähnlichen Defektes berücksichtigt. Ebenso ist eine fundierte Evaluierung des bruchmechanischen Materialverhaltens hinsichtlich des Aufbaus von Rissschließeffekten und Wachstums notwendig.
Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von numerischen Analysen mit Hilfe der Softwarepakete ABAQUS® und FRANC3D®, eine Parameterstudie für eine bruchmechanische Bewertung von Gussdefekten zu liefern. Anhand umfangreicher numerischer Studien werden analytische Lösungen von Geometriefaktoren für einfachere Anwendungsfälle ergänzt, wobei zusätzliche Form- und Lageparameter für die Bestimmung der Spannungsintensitätsfaktoren berücksichtigt werden. Es konnte festgestellt werden, dass vor allem der Abstand zur Oberfläche einen wesentlichen Einfluss auf die maximale vorliegende Spannungssingularität an der Rissfront aufweist. Daraus folgt, dass eine Vernachlässigung des Randeinflusses zu einer nicht-konservativen Abschätzung der Rissinitiierung führen kann. Ein weiterer Teil der Untersuchungen ist die Auswertung von bruchmechanischen Versuchen an SENB-Proben zur Erfassung der Materialparameter. Die Variation der Aufbaulänge der rauhigkeits- und oxidinduzierten Rissschließeffekte zeigt, dass eine Vernachlässigung dieser Mechanismen in einer ebenfalls nicht-konservativen Lebensdauervorhersage resultiert. Durch die Analyse von Initialrissen gleicher Fläche, jedoch unterschiedlicher Form und Lage, konnte die Auswirkung auf das Risswachstum bewertet werden. Aus der Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse geht hervor, dass die Defektkontur nicht nur einen Einfluss auf die Rissinitiierung, sondern auch auf die Lebensdauer hat, wodurch die in dieser Arbeit umfassend numerisch evaluierten Geometriefaktoren einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Genauigkeit bruchmechanischer Auslegung liefern.


Dipl.-Ing. Arthur LINTNER

Titel: "Retardationseffekte beim Ermüdungsrisswachstum in ausgewählten Stahlwerkstoffen "

Kurzfassung 06/2018

Die Problematik von Ermüdungsbrüchen hielt zur Zeit der Erfindung der Eisenbahn Einzug in die technische Praxis. Bis heute beschäftigt die vor allem durch Umlaufbiegung hochzyklisch belastete Radsatzwelle mit ihrer betriebsfesten Auslegung die Wissenschaft. Oberflächliche Beschädigungen durch Steinschlag oder Korrosion begünstigen die Initiierung von Ermüdungsrissen, welche unter der betrieblichen Belastung auf eine kritische Länge heranwachsen können und somit eine zerstörungsfreie Prüfung in regelmäßigen Zeitabständen erforderlich machen. Die Festlegung dieser Wartungsintervalle macht eine möglichst genaue Kenntnis des Risswachstums notwendig, welches durch die Auswirkung von Rissschließmechanismen im Zuge der variablen Beanspruchung wesentlich beeinflusst wird. Diese Arbeit vermittelt durch eine umfangreiche Literaturrecherche die wissenschaftlichen Grundlagen der linear-elastischen Bruchmechanik sowie ein Verständnis des Risswachstums unter betrieblichen Beanspruchungen. Für experimentelle Untersuchungen wurden Radsatzprüfwellen aus den Werkstoffen EA1N und EA4T zur Probenentnahme herangezogen, bei der zwei verschiedene Prüfgeometrien gefertigt wurden. An den durch wechselnde Vierpunktbiegung geprüften SENB-Proben wurde der Einfluss des oxidinduzierten Rissschließmechanismus untersucht, wobei Verzögerungslastwechselzahlen von bis zu 180.000 Schwingspielen quantifiziert werden konnten. Die zur Rissfortschrittsmessung verwendete direkte Potentialmethode beinhaltet eine Berechnung der Risslänge über die JOHNSON-Formel, welche im Rahmen der Arbeit durch eine numerische Analyse verifiziert wurde. Bei Rundprobenversuchen mit einem Prüfdurchmesser von 55mm an einem Groß-Umlaufbiegeprüfstand wurden sowohl die Effekte von einzelnen Überlasten mit unterschiedlichem Überlastverhältnis als auch der Einfluss des oxidinduzierten Rissschließens untersucht. Die Aufzeichnung des Rissfortschrittes erfolgte dabei durch ein optisches System an der Probenoberfläche. Ein Anheben des Überlastverhältnisses von 1, 5 auf 2, 5 konnte den Lebensdauergewinn mehr als verdreifachen und Verzögerungslastwechselzahlen durch die Überlast von bis zu 391.000 Zyklen bewirken. Im Vergleich zu den SENB-Versuchen zeigten die Experimente an den Rundproben nur geringe oxidinduzierte Verzögerungseffekte, wodurch dieser Einfluss bei realen Lastkollektiven zukünftig weiterer Untersuchungen bedarf.


Dipl.-Ing. Wolfgang SCHNELLER

Titel: "Lebensdauerbewertung von Mikroporen in Aluminiumgussbauteilen auf Basis lokaler Beanspruchungsanalysen "

Kurzfassung 03/2018

Die industrielle Bedeutung von Aluminium nimmt aufgrund des hohen Leichtbaupotenzials besonders im Automobilsektor stetig zu. Durch moderne Gießverfahren können komplexe Bauteile wirtschaftlich umgesetzt werden, wobei fertigungstechnische Gussmerkmale die Bauteileigenschaften bestimmen. Demzufolge liegt eine große technologische Relevanz in der Untersuchung dieser technologischen Merkmale, wie sie beispielsweise in Form von Mikroporen und Gaseinschlüssen auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Auswirkung derartiger Ungänzen hinsichtlich des Einflusses auf die Langzeitfestigkeit porenbehafteter Aluminiumgussbauteile quantifiziert. Die Lebensdauerbewertung erfolgt auf Basis einer lokalen Beanspruchungsanalyse mittels numerischer finite Elemente Analysen und Erstellung einer anwendungsorientierten, elaborierten Methodik zur analytischen Berechnung der zu erwartenden Ermüdungsfestigkeit. Um eine Pore im Inneren eines Bauteils zu charakterisieren, muss zunächst mittels Computertomographie (CT) der Prüfkörper gescannt werden. Mit diesem Vorgang lassen sich innenliegende Poren erfassen, und deren Geometrie sowie Lage als Punktewolke abspeichern. Durch die Aufbereitung der aus den Daten generierten Oberfläche wird ein simulationsfähiges Volumenmodell der Pore, eingebettet in einer Aluminiummatrix, abgeleitet. Anhand von Zugversuchen werden die für eine elastisch-plastische Simulation erforderlichen werkstoffspezifischen Spannungs- und Dehnungsdaten ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte Methodik zur Beurteilung des Einflusses von Mikroporen auf die Ermüdungsfestigkeit von Aluminiumgussbauteilen eine sehr gute Einschätzung der zu erwartenden Lebensdauer liefert. Anhand von Schwingversuchen mit Block-Lastkollektiv und anschließender Bruchflächenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie wird eine Aussage zur Rissfortschrittsrate sowie dem Verhältnis von der Rissinitiierungs- zur Rissfortschrittsphase getroffen. Die dabei experimentell gewonnenen Rissfortschrittsdaten weisen eine gute Übereinstimmung mit der analytischen Vergleichsrechnung auf. Abschließend wird der Einfluss der Position mikroporositärer Gefügemerkmale hinsichtlich Spannungsintensitätsfaktor und Spannungskonzentration untersucht. Um statistisch abgesicherte Werte des Spannungsintensitätsfaktors zu erhalten, wird eine automatisierte Monte-Carlo Simulationsmethodik mit Hilfe einer benutzerdefinierten Routine angewendet. Die Ergebnisse zeigen einen charakteristischen Verlauf der jeweiligen Beanspruchungsgrößen und betonen das zunehmend kritische Verhalten bei abnehmendem Verhältnis von Randabstand zu effektivem Porendurchmesser. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse leisten einen Beitrag zur lokalen Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Aluminiumgussbauteilen, wodurch zukünftig derartige Leichtbaukomponenten noch herstellprozess- und anwendungsorientierter dimensioniert werden können.


Dipl.-Ing. Dorothea Maria BECK-MANNAGETTA

Titel: "Erweiterung einer Finite-Elemente-basierten Methode zum normkonformen Festigkeitsnachweis von unbefeuerten Druckbehältern "

Kurzfassung 02/2018

Eine der anzuwendenden Normen der Europäischen Richtlinie für Druckbehälter ist die EN 13445 für unbefeuerte Druckbehälter. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine automatische Berech-nung von lokalen Auslastungsgraden nach dieser Norm im Softwarepakt IBF-Fatigue der In-genieurbüro Fiedler GmbH auf Basis von linear-elastisch berechneten Finite-Elemente-Spannungsergebnissen zu ermöglichen. Die verschiedenen Beurteilungsmethoden der EN 13445 werden im Stand der Technik unter-sucht in Bezug auf deren Anwendbarkeit für charakteristische 3D-CAD-Modelle, auf deren Anwendbarkeit auf Grundlage von linear-elastisch berechneten Finite-Elemente-Spannungsergebnissen sowie auf ihren Gültigkeitsbereich für die statische, ermüdungsfeste und zeitstandfeste Festigkeitsbeurteilung. Für jeweils eine ausgewählte Methode wurde ein Rechenablauf mit Hilfe eines Mathematik-Programms erstellt. Schließlich wurden anhand von Testrechnungen für sowohl geschweißte als auch ungeschweißte Bereiche eines exemplarischen Druckbehälters die Ergebnisse nach der EN 13445 mit den Ergebnissen der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ für örtliche Spannungen verglichen. Die statischen Testrechnungen zeigen, dass der wesentlichste Unterschied zwischen der Test-rechnung der FKM-Richtlinie und der EN 13445-3 die Spannungsklassifizierung ist. Dabei wird die Vergleichsspannung durch die 1,5-fache zulässige Berechnungsspannung dividiert, was zu 2 bis 29% niedrigeren Auslastungsgraden nach der EN 13445 als nach der FKM-Richtlinie führt. Bei den Ermüdungsfestigkeitstestrechnungen werden durch den Material-Sicherheitsfaktor von 1,25 der FKM-Richtlinie geringere zulässige Spannungsschwingbreiten als nach der EN 13445 erreicht. Die Gesamtauslastungsgrade der Ermüdungstestrechnungen sind vor allem auf Grund von den unterschiedlichen zugrunde liegenden Werten der FAT-Klassen abwei-chend. Bei der Berechnung im Zeitstandbereich ist der wesentlichste Unterschied zwischen der FKM-Richtlinie und der EN 13445 die zulässige Spannung, deren Wert nach der FKM-Richtlinie um 53 bis 92% höher ist als nach der EN 13445. Diese Abweichung wird im We-sentlichen bestimmt durch den zusätzlichen Schweißnahtfaktor der EN 13445 im Zeitstandbe-reich von 0,8 und durch die unterschiedlichen Werte des Material-Sicherheitsfaktors, der nach der FKM-Richtlinie 1,072 für Schweißnähte und 1,057 für Grundmaterial und nach der EN 13445 sowohl für Schweißnähte als auch für Grundmaterial 1,5 beträgt. Dadurch ergeben sich um 12 bis 22% höhere Auslastungsgrade im Zeitstandbereich nach der EN 13445 als nach der FKM-Richtlinie.

2017

Dipl.-Ing. Tobias KOBLMILLER

Titel: AMB16-DA04 " Lebensdaueranalyse von Strukturbauteilen aus kurzkohlenstofffaserverstärktem Polyphthalamid im Motorraum   "

Kurzfassung 12/2017:

Aufgrund des hohen wirtschaftlichen Einsparungspotentials durch den Einsatz von Polymeren-Strukturbauteilen, steigt die Substitutionsrate metallischer Komponenten stetig. Vor allem im Automobilbereich bringt der Einsatz von Kunststoffbauteilen enormes Einsparpotential im Hinblick auf Strukturleichtbau und als folge dessen eine Kraftstoffverbrauchsreduktion. Vor allem die Gruppe der kurzfaserverstärkten-teilkristallinen Thermoplaste wird für die Herstellung von Strukturelementen im KFZ-Motorraum als Ausgangsstoff herangezogen. In dieser Arbeit wird ein Kunststoffzahnrad aus PPA-CF30, im Bezug auf lebensdauerbeeinflussende Größen, wie z.B. Temperatur, Faserorientierung, Stützwirkung, etc., analysiert. Dafür wurden quasistatische und HCF-Versuche an Probenkörper, mit unterschiedlichen Geometrien und Bauteilversuche durchgeführt. Mithilfe einer numerischen Simulation der Prüfkörper, konnte in Verbindung mit den versuchstechnisch ermittelten Größen und den daraus abgeleiteten Modellen, die Lebensdauer bzw. die Bauteilschädigung am Zahnrad ermittelt werden. Abschließend wurden die Bauteilwöhlerlinien mit den numerischen Ergebnissen verglichen und diskutiert.


Dipl.-Ing. Markus TAUSCHER

Titel: AMB16-DA11 " Berücksichtigung herstellungsbedingter Oberflächenstrukturen auf die Schwingfestigkeit von Motorkomponenten in der virtuellen Bauteilauslegung "

Kurzfassung 11/2017:

Im Entwicklungsprozess spielt die virtuelle Bauteilauslegung heutzutage eine große Rolle und wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Für eine möglichst exakte Vorhersage der Betriebsfestigkeit von auszulegenden Komponenten, ist die Verbesserung von Modellen zur Beschreibung von fertigungstechnologischen Einflüssen auf die Lebensdauer unerlässlich. Einen wesentlichen Parameter stellt der Rauhigkeitseinfluss an technischen Oberflächen dar. Ziel dieser Arbeit war es eine methodische Vorgehensweise zu entwickeln, welche ausgehend von einer durch Messung bestimmten dreidimensionalen Oberflächentopologie den Rauhigkeitseinfluss mittels eines lokalen Konzepts beschreiben kann. Als Eingangsparameter sollten dabei nur bereits vorhandene, grundlegende Werkstoffparameter zur Beschreibung des Dauerfestigkeitseinflusses Verwendung finden. Im ersten Schritt wird ein effizientes Verfahren vorgestellt um aus dreidimensionalen Messpunkten eine triangulierte Oberfläche erzeugen zu können. Mittels Gaußfilter werden zunächst Frequenzbereiche eliminiert, welche auf die Lebensdauer keinen Einfluss mehr haben aber die weitere numerische Verarbeitung der Oberfläche stark erschweren würden. Anschließend wird noch die Formabweichung korrigiert um geometriebedingte Einflüsse ausschließen zu können. Danach werden mittels eines dreidimensionalen linear elastischen Finite Elemente Modells die auftretenden Spannungen bei Standardlastfällen (Zug 0°, Zug 90°, Schub) ermittelt. Die Netzgröße hat dabei einen hohen Einfluss auf die Ergebnisqualität und die Rechenzeit. Um diesen Zielkonflikt bestmöglich zu lösen ermöglicht ein benutzerdefiniertes Verfahren die Vorgabe der Netzfeinheit je nach Oberflächenkrümmung. Abschließend erfolgt zur Beschreibung der möglichen Vorzugsorientierung der Oberfläche und zur statistischen Bewertung der Mikrokerben eine lineare Spannungsüberlagerung der Standardlastfälle um die multiaxiale Beanspruchung der Oberfläche abzubilden. Diese umfangreiche, FE-basierte Methodik liefert eine Aussage über den zu erwartenden lokalen Abminderungsfaktor zur Dauerfestigkeit, welcher mithilfe eines Spannungsmittelungskonzeptes für jeden Oberflächenknoten berechnet wird. Die dazu erforderlichen Spannungsverläufe werden durch das Superconvergent-Patch-Recovery Verfahren bestimmt. Die Mittelungslänge ergibt sich dabei aus dem Langrissschwellwert und der Dauerfestigkeit des defektfreien Materials. Zur Bewertung der Kerbwirkung werden die lokale Minima der Abminderungsfaktoren über die gesamte, zu bewertende Oberfläche bestimmt. Jedes dieser lokalen Minima grenzt sich dabei durch einen definierten Schwellwert von anderen ab. Die relative Häufigkeit dieser Abminderungsfaktoren beschreibt den statistischen Lebensdauereinfluss der Oberflächenrauheit und stellt somit auch einen statistischen Größeneinfluss dar. Diese umfassende numerische Methodik ermöglicht eine neuartige Bewertung der Kerbwirkung von Oberflächentopographien, welche für eine gussraue Oberfläche experimentell validiert wurde.


Dipl.-Ing. Lukas LIEBFAHRT

Titel: AMB16-DA12 " Stabilität von Eigenspannungen kugelgestrahlter Pleuel unter zyklischer Beanspruchung "

Kurzfassung 12/2017:

Um den Klimawandel nicht weiter zu verschärfen, geben die Gesetzgeber Richtlinien vor, welche den Ausstoß von Schadstoffen sowie den Flottenverbrauch regulieren. Verantwortlich für die Umsetzung dieser Vorschriften sind die Hersteller von Kraftfahrzeugen, welche verschiedene Strategien anwenden um diese Vorgaben zu erreichen. Neben dem Einsatz von alternativen Antriebskonzepten ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts von entscheidender Bedeutung. Sicherheitsanforderungen sowie die Tendenz zu steigenden Leistungen im Automobilbau stellen hierbei jedoch einen Interessenskonflikt dar. Dies führt zu dem bereits seit Jahren anhaltenden Trend, vermehrt Leichtbautechniken im Fahrzeugbau einzusetzen, wobei ein häufig angewandter Ansatz der Werkstoffleichtbau darstellt. Eine vergleichsweise kostengünstige Methode zur Steigerung der Werkstofffestigkeit lässt sich durch den Kugelstrahlprozess erreichen. Bei dieser Oberflächennachbehandlungstechnologie wird das Bauteil mit Strahlmittelkörnern beschossen, wodurch aufgrund von plastischen Verformungen der Werkstoff verfestigt und Druckeigenspannungen eingebracht werden. Im Speziellen ausgeprägte Druckeigenspannungszustände im randschichtnahen Bereich bewirken hierbei eine Steigerung der lokalen Ermüdungsfestigkeit. Für die Bewertung von Leichtbauteilen hinsichtlich ihrer Lebensdauer ist daher die Stabilität des Eigenspannungszustands in der Randschicht von enormer Bedeutung. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit einer Simulationsmethodik, welche den Eigenspannungszustand aus dem Kugelstrahlprozess ermittelt und auf ein Bauteil, im konkreten Fall ein Pleuel einer Verbrennungskraftmaschine, überträgt. Zur Materialcharakterisierung wurden Zug-, Kurzzeitschwingfestigkeits- und Kriechversuche an direkt aus den Pleueln gefertigten Kleinproben durchgeführt, und darauf basierend Materialmodelle abgeleitet. Mit diesen Parametern wurde anschließend die Kugelstrahlsimulation durchgeführt und die Eigenspannungen und Verfestigungen auf das Pleuel übertragen. Um Aussagen über die Stabilität der Eigenspannungen treffen zu können, wurde eine zyklische Belastungssimulation des gesamten Bauteils durchgeführt, wobei die numerischen Ergebnisse einen signifikanten Abbau der Eigenspannungen innerhalb der ersten Zyklen zeigen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurden Versuche am kugelgestrahlten Pleuel mit identen Belastungsszenarien durchgeführt. Dabei wurden die Eigenspannungen bei unterschiedlicher Lastzyklenanzahl sowohl an der Oberfläche als auch in die Tiefe röntgenographisch gemessen. Die Messergebnisse vor der Belastung sowie jene nach einem Beanspruchungszyklus korrelieren dabei gut mit den Resultaten der Simulation mit einer durchschnittlichen Abweichung von rund 14 %. Die in der Arbeit aufgebaute Methodik ist daher geeignet, um die zyklische Stabilität der durch den Kugelstrahlprozess in die Randschicht eingebrachten Druckeigenspannungen abschätzen zu können. 


Dipl.-Ing. Niklas LEITNER

Titel: AMB16-DA13 " Optimierter Auslegungsprozess von Drosselklappen für große Druckrohrleitungen durch parametrisierte Modellerstellung "

Kurzfassung 12/2017:

Diese Arbeit befasst sich mit der automatisierten Erstellung eines Konstruktionsmodelles für Drosselklappen. Dabei wurde die Methode der Parametrisierung gewählt. Das verwendete Konstruktionsprogramm kommuniziert mit einer zentralen Steuerdatei, in der die analytischen Formeln des Auslegungsprozesses hinterlegt sind. Im ersten Teil der Arbeit wird der Stand der Technik für die Auslegung von Drosselklappen dokumentiert. Es werden die baulichen Anforderungen an diese sicherheitskritischen Maschinenelemente erklärt und die gängigen Ausführungen diskutiert. Im zweiten Teil wird der Prozess der Parametrisierung erläutert und ihre internen und externen Schnittstellen der Datenverarbeitung definiert. Im dritten Teil wird anhand ausgewählter Baugruppen beschrieben auf welche maschinenbaulichen Auslegungen sich die Parametrisierung im Detail stützt. Im letzten Teil wird ein Vergleich der Ergebnisse der automatisierten Modellerstellung mit bereits ausgeführten Anlagen gezogen. Die Arbeit führte zu einer deutlich schnelleren Modellerstellung in der frühen Projektphase von Drosselklappen. Die automatisierte Auslegung kann somit ebenfalls die gesamte Vorauslegung unterstützen. Im exemplarischen Fall des Absperrklappendesigns werden 127 Bauteile, welche in elf Baugruppen gegliedert sind, von ca. 1500 geometrieerzeugenden Parametern über bis zu 300 unabhängige Eingabewerte gesteuert. Das entwickelte Konstruktionswerkzeug kann sechzehn verschiedene Hauptvarianten darstellen und deckt somit bereits jetzt einen Großteil der unterschiedlichen Kundenanforderungen ab. Durch die hohe Genauigkeit bei der Festlegung von Bauteilwandstärken wurden kostenrelevante Schleifen zwischen der Konstruktions- und Berechnungsabteilung im Auslegungsprozess minimiert. Der gesamte Konstruktionsprozess wird um 30 - 50% verkürzt und der allgemeinen Forderung nach konstruktiven Leichtbau durch hohe Auslastungsgrade entsprochen. Angebote für Neuanlagen können somit ebenfalls schnell, effizient und genau abgegeben werden. Das unternehmerische Risiko bei der Angebotserstellung kann durch dieses zuverlässige Vorauslegungstool entscheidend reduziert werden.


Dipl.-Ing. Sebastian POMBERGER

Titel: AMB17-MA01 " Randschichteffekte bei der Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Aluminiumgussbauteilen "

Kurzfassung 09/2017:

Aluminium als Werkstoff für Komponenten des Automobilsektors gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung, besonders durch moderne Gussverfahren lassen sich damit komplexe Bauteile wirtschaftlich realisieren. Die gussrauen Oberflächen können nicht in allen Fällen mechanisch nachbearbeitet werden, weshalb eine Beurteilung von Oberflächentopographien hinsichtlich des Einflusses auf die Langzeitfestigkeit technologisch relevant ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Untersuchung von Randschichteffekten und deren Auswirkung auf die Langzeitfestigkeit durchgeführt. Um die durch die Gussformen bestimmte Oberflächenstruktur untersuchen zu können, werden Flachproben mit gussrauen Oberflächen an charakteristischen Stellen aus zwei Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) Serien entnommen und zur schwingfesten Charakterisierung herangezogen. Zusätzlich werden Proben aus ZKG untersucht, welche durch Heiß-Isostatisches-Pressen (HIP) im Inneren porenfrei sind, wobei ein Versagen aufgrund von Volumsdefekten reduziert werden kann. Anschließende experimentelle Untersuchungen bezüglich der Oberflächentopographie sowie eine Analyse der Bruchflächen sollen eine eindeutigere Bewertung der Randschicht möglich machen. Zunächst wird die gussraue Oberfläche mit einem digitalen Lichtmikroskop eingescannt und Oberflächenkennwerte sowie andere topographische Merkmale ausgewertet. Schwingversuche werden unter schwellender Biegebeanspruchung durchgeführt, um die Rissinitiierung in der Randschicht der gussrauen Oberfläche herbeizuführen. Es zeigt sich, dass die vorhandene geometrische Kerbe, die durch eine Teilungsebene in der Gussform entstanden ist, einen deutlichen Einfluss auf die Langzeitfestigkeit hat. Der Einfluss der Oberflächenrauheit wird ebenfalls ganzheitlich untersucht, ist aber im Vergleich zu diesem Gusskerbeneinfluss weniger signifikant ausgeprägt. Durch eine numerische Kerbspannungsanalyse wird die Kerbformzahl ermittelt und die lokale Kerbspannung berechnet. Eine geHIPte und eine nicht geHIPte Charge werden dabei vergleichend ausgewertet. Es zeigt sich, dass durch eine HIP-Behandlung keine oberflächennahe festigkeitssteigernde Wirkung erzielt wird, da Poren in der Randschicht durch diese Nachbehandlung nicht geschlossen werden bzw. sogar die oberflächennahen Mikroporen zu einer Erhöhung der Kerbformzahl führen. Dies ist gegensätzlich zu publizierten Ergebnissen volumetrischer Untersuchungen ohne Randschicht, welche bei geHIPten Aluminiumgussproben eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit aufweisen. Zusammengefasst ist zu betonen, dass der fertigungstechnologische Herstellungsprozess von Aluminiumgussbauteilen inklusive möglicher Fertigungsverfahren stets getrennt für Volumen und Randschicht zu betrachten ist.  


Dipl.-Ing. Stefan PUßWALD

Titel: AMB17-MA02 " Ermüdungsfestigkeitsbewertung ultrahochfester Schweißverbindungen bei variabler Betriebsbeanspruchung "

Kurzfassung 12/2017:

Damit der laufenden Forderung nach einer Gewichtsreduktion und einem nachhaltigen Materialeinsatz nachgekommen werden kann, ist neben einer effizienten und betriebsfesten Bauteildimensionierung auch der Einsatz von modernen, höherfesten Werkstoffen erforderlich. Durch die Verwendung von ultrahochfesten Feinkornbaustählen und die Kenntnis auftretender Betriebslasten lassen sich beanspruchungsgerechte Leichtbaustrukturen auslegen. Mit Hilfe geeigneter Schweißverfahren können somit komplexe Strukturen erzeugt werden, welche im Kran- und Automobilbau Anwendung finden. In dieser Masterarbeit wird das Ermüdungsverhalten von ultrahochfesten Stumpfnahtverbindungen unter variablen, betriebsähnlichen Schwing-Beanspruchungen untersucht. Um die im Betrieb auftretenden Lasten möglichst realitätsnah abbilden zu können, werden zwei unterschiedliche Belastungskollektive definiert. Dabei handelt es sich auf der einen Seite um ein Geradlinienkollektiv, welches die Beanspruchungen aus Bodenunebenheiten und kleinen Vibrationen widerspiegelt. Das zweite Kollektiv entspricht dem Gaußkollektiv und repräsentiert die typischen Betriebsverhältnisse im Mobilkranbau. Die Schwingversuche werden bei schwellender und wechselnder Normalspannung an unbehandelten, geschweißten Stumpfnahtverbindungen durchgeführt, um neben dem Einfluss der unterschiedlichen Kollektivform auch den Effekt von fluktuierenden Mittelspannungen zu erfassen. Nach einer statistischen Auswertung der Versuchspunkte weisen die Ergebnisse unter variabler Amplitude sowohl im Kurzzeit- als auch im Langzeitfestigkeitsbereich einen deutlich höheren Ermüdungswiderstand als die der Wöhlerversuche auf. Die experimentellen Ergebnisse bei variabler Amplitude werden mit Hilfe einer linearen Schadensakkumulationsrechnung den Resultaten für konstante Beanspruchungsamplituden gegenübergestellt, woraus eine tatsächliche Schadenssumme ermittelt wird. Eine Gegenüberstellung dieser Werte mit den Ergebnissen aus den Versuchen zeigt, dass die tatsächlichen Schadenssummen in einem Bereich von 0.19 bis 2.21 liegen, welche den in der Literatur angegebenen Schadenssummen unter Berücksichtigung des Streubandes entsprechen. Des Weiteren wird eine Umrechnung der Versuchspunkte bei den variablen Beanspruchungen in eine schädigungsäquivalente Spannungsschwingbreite für konstante Belastung durchgeführt. Hierbei wird eine von der Kollektivform unabhängige Schadenssumme von D=0.5 evaluiert, welche den Werten gängiger Empfehlungen entspricht. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die evaluierten Schadenssummen den Werten aus Literatur und Richtlinien entsprechen und daher auch für eine Betriebsfestigkeitsbewertung ultrahochfester Schweißverbindungen anwendbar sind.


Dipl.-Ing. Christoph APFELKNAB

Titel: AMB16-DA06 "Methodenentwicklung zur Bewertung von großflächigen Aluminium-Stahl-Kontakten "

Kurfassung 03/2017:

Fretting stellt im Allgemeinen einen Prozess dar, bei dem sich eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei unter einer hohen Flächenpressung in Kontakt stehenden Körpern in verschiedensten Schädigungsformen äußern kann. Durch das Auftreten dieses Verschleißphänomens kann die Lebensdauer von Bauteilen deutlich vermindert werden. Deshalb ist es von Bedeutung wissenschaftliche Untersuchungen vor allem in Richtung großflächiger Kontakte durchzuführen. Um Zeit- und Kostenaufwände zu reduzieren, bedarf es einer Prüfkette von der Bauteilprüfung bis hin zur Modellprüfung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Modellversuche an einfachen Probengeometrien mittels einer Linearprüfmaschine zur Bewertung großflächiger Kontakte durchgeführt. Dadurch konnte eine vorhandene Prüfkette zur Untersuchung dieser um eine Modellprüfung erweitert werden. Durch Vorversuche wurde ein grundlegendes Verständnis für die Prüfmaschine sowie eine geeignete Prüfmethodik aufgebaut und die auf die Vorversuche folgenden Hauptversuche zu variierenden Prüfparameter ermittelt. Im Rahmen der Hauptversuche wurde die Materialpaarung Aluminium-Sinterstahl unter den zuvor definierten Belastungsparametern geprüft und mit verschiedensten Auswertemethodiken ausgewertet. Neben der Betrachtung der während dem Versuch aufgezeichneten Messgrößen, wie Reibkraft und Prüfweg, wurden die entsprechenden Proben gravimetrisch und schadensanalytisch bezüglich Verschleiß analysiert und entsprechende Bewertungsgrößen daraus abgeleitet. Eine optimale Auswertung und Bewertung der durchgeführten Versuche gestaltete sich durch eine während der Versuche auftretende Veränderung der Steifigkeit des Linearprüfstandes als herausfordernd. Mit dem Aufstellen einer Running-Condition-Fretting-Map wurde die, für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche, geeignetste Bewertungsmethodik definiert. Dabei werden die beanspruchten Aluminiumoberflächen hinsichtlich der Bereiche mit auftretenden Haft- und Gleit-Zonen subjektiv optisch bewertet und die jeweiligen entsprechenden prozentuellen Anteile ermittelt. Die Anteile der Gleit-Zonen werden anschließend in der Running-Condition-Fretting-Map der jeweils aufgebrachten Flächenpressung und Schwingbreite zugeordnet. Das Ergebnis zeigt, dass mit steigender aufgebrachter Wegschwingbreite und mit geringeren vorliegenden Flächenpressungen ein größerer Anteil an Gleit-Zonen vorliegt und somit die Oberflächen dementsprechend stärkere Schädigungen aufweisen. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit durch eine schadensanalytische Betrachtung der geprüften Aluminiumproben eine Hypothese für den Schadensvorgang definiert werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass kein rein adhäsiver Verschleiß vorliegt, sondern dass vorwiegend ein komplexer Prozess mit elastisch-plastischen Umformungen und damit verbundenen ermüdungsbedingten Rissbildung und Risswachstum ausgehend von der Oberfläche in das Material sowie auch parallel zur Oberfläche im Material, in Kombination mit adhäsivem Verschleiß wirkt. Dieser Schädigungsmechanismus konnte durch Anfertigung von metallographischen Schliffen an ausgewählten geprüften Aluminiumproben aus der Modellprüfung bis hin zur Bauteilprüfung nachgewiesen werden.
Begleitend zur Versuchsdurchführung wurden numerische Simulationen, basierend auf der einfachen Kontaktgeometrie der Modellprüfung durchgeführt. Dabei wurden in erster Linie die lokalen Kontaktgrößen, wie Kontaktdruck und relativer Schlupf, näher betrachtet. Darauf aufbauend erfolgte die Umsetzung einer Methodik zur numerischen Abbildung des Verschleißes an den in Kontakt stehenden Oberflächen. In weiterer Folge wurden Verfahren angewandt, um die für Fretting typischen Haft- und Gleit-Zonen nachzubilden. Mit diesen Simulationen ist es jedoch nicht möglich, die in den experimentellen Versuchen auftretenden komplexen Schädigungsmechanismen nachzubilden.


Dipl.-Ing. Philipp WALUS

Titel: AMB17-MA03 " Effizienz- und Qualitätssteigerungspotentiale der End- und Funktionsprüfung am Beispiel des End-Checks einer Zerkleinerungsmaschine "

Kurzfassung 09/2017:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der End- und Funktionskontrolle von Maschinen in der Klein- und Mittelserienfertigung. Der Kundenwunsch nach hoch individuellen Produkten und aktuelle Entwicklungen wie Automation und Digitalisierung stellen gerade klein- und mittelständische Unternehmen vor große Herausforderungen. Ziel ist es, am Beispiel einer Zerkleinerungsmaschine diese Herausforderungen aufzuzeigen und ein Konzept abzuleiten, das eine effiziente, sichere, schnelle, aber auch wirtschaftliche End- und Funktionskontrolle ermöglicht. Aufbauend auf der Analyse der bestehenden Umsetzung, in der die Maschinen nach Montageende anhand von Papier-Check-Listen händisch überprüft werden, wird zunächst das Potential durch Digitalisierung diskutiert. Darauf basierend liegt der Hauptfokus der Arbeit darin, Möglichkeiten zur Automatisierung der einzelnen Checkpunkte aufzuzeigen und schlussendlich ein Konzept vorzustellen, wie die End- und Funktionsprüfung in Zukunft aussehen könnte. Ergebnis ist ein Konstruktionsplan in drei Umsetzungsstufen, der es ermöglichen soll, im Rahmen der Endkontrolle automatische Prüfabschnitte abzuhalten. Dabei können Parameter und Zustände aus der zu prüfenden Maschine eingelesen werden, sowie Funktionsproben abgehalten werden, welche durch geeignete Sensorik automatisch überprüft werden. Wesentliche Anforderungen an den Konstruktionsplan waren ein unkompliziertes, einfaches Anbringen der Sensorik, Entlastung der Mitarbeiter, eine hohe Verlässlichkeit und Sicherheit der Sensorik, die Verwendung von hochwertigen Industrieprodukten und eine wirtschaftlich kostengünstige Umsetzungsmöglichkeit. Durch den vorgestellten Konstruktionsplan lassen sich schlussendlich nahezu die Hälfte der Abschnitte der End- und Funktionsprobe automatisch abhalten und einige weitere können durch menschliche Unterstützung automatisch erfasst werden.  


Dipl.-Ing. Robert PÖLLINGER

Titel: AMB17-MA04 " Numerische Bewertung der Schwingfestigkeit geschraubter Blechbauteile "

Kurzfassung 12/2017:

Schraubverbindungen werden aufgrund ihrer leichten Montier- und Lösbarkeit häufig für die Verbindung von Anbauteilen wie Batterien, Behälter etc. im Automobilbau eingesetzt. Ein Versagen der Verbindung tritt dabei nicht immer in den Verbindungselementen ein. Besonders bei dünnen Blechen mit einer Dicke von t = 0,8 mm - 1,5 mm, welche häufig im Karosseriebau eingesetzt werden, stellt der Anriss an Randbereichen der Auflageflächen von Verschraubungen zu den Bauteilen ein häufiges Bauteilversagen dar. Für die numerische Simulation der Karosserie werden bestimmte Richtlinien benötigt, um eine Finite-Elemente-Modellierung schnell und idealerweise automatisiert durchzuführen. Dabei spielt die Vernetzung in und um Verschraubungsstellen eine wichtige Rolle. Für die Untersuchung wurden Schalenmodelle einfacher Scher- und Kopfzugmodelle nach Modellierungsvorgabe vorhandener Vernetzungsrichtlinien und 3D-Referenzmodelle mit sehr feiner Diskretisierung modelliert und berechnet. Die auftretenden Schädigungen, welche mit der Lebensdaueranalyse-Software FEMSITE auf Basis der Spannungen aus der FE-Berechnung dehnungsbasiert berechnet wurden, sind mit Versuchsergebnissen aus der Literatur sowie den Schädigungsergebnissen der fein vernetzten 3D-Referenzmodellen validiert worden. Durch den Vergleich der Richtlinien konnte eine Vernetzungsrichtlinie gefunden werden, die den geforderten Anforderungen bezüglich Genauigkeit der Abschätzung und Einfachheit der Umsetzung entspricht. Die Schädigungsergebnisse der entwickelten Richtlinie bei verschiedenen Blechdicken und Werkstoffen zeigten mit den Schalenmodellen der Kopf- und Scherzugproben eine sehr gute Übereinstimmung mit Schädigungsergebnissen der linear berechneten 3D-Referenzmodelle. Durch die numerische Untersuchung der Schraubenkopfgeometrie mithilfe des 3D-Referenzmodells konnte anhand der Scherzugversuche gezeigt werden, dass die Fertigungstoleranz des Schraubenkopfs einen deutlichen Einfluss auf den Ort der maximalen Schädigung hat. Weiters konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der Vorspannung, sofern der Reibschluss zwischen den Bauteilen aufrechterhalten wird, vernachlässigbar auf das Schädigungsergebnis ist. Der Einfluss des linearisierten Kontakts, bei dem benachbarte Elementknoten über die gesamte Berechnung geschlossen bleiben, beeinflusst das Schädigungsergebnis viel mehr. Der Einfluss der Reibkorrosion und der Wärmeeinfluss durch das Aufschweißen der Mutter konnte mittels der 3D-Referenzmodelle numerisch weder widerlegt noch bestätigt werden. Für die Klärung sind weitere Versuche an Bauteilen notwendig. Für die Überprüfung der entwickelten Vernetzungsrichtlinie an einem umfangreichen Modell der Praxis wurde ein Rahmen eines Energiespeichermoduls mit einer Blechdicke von t = 1,8 mm und dem Werkstoff DC04 ausgewählt, da dort ein Anriss nach 5,3 Stunden am Schwingtisch nach vorgegebenen Beschleunigungs-Zeit-Verlauf mit einer Gesamtlaufzeit von 120 Stunden entstand. Durch die seit längerer Zeit eingesetzte Standardvernetzung mit Abaqus S4R-Elementen bzw. S4-Elementen und einer nichtlinearen Berechnung konnte kein Versagen bzw. ein Versagen nur im späten Prüfungsverlauf vorausgesagt werden. Durch den Einsatz der entwickelten Richtlinie an diesem Rahmen konnte eine deutliche Verbesserung der Voraussage des Ortes und des Zeitpunktes des Bauteilversagens erzielt werden.


Dipl.-Ing. Martina STROHMAYER

Titel: AMB17-MA06 " Anwendung der numerischen Gusssimulation für Stahlgussbauteile "

Kurzfassung 12/2017:

In Stahlgussbauteilen können aufgrund der thermophysikalischen Eigenschaften der Werkstoffe Imperfektionen, wie beispielsweise Schwindungsporen und Lunker, auftreten. Diese Ungänzen können die lokale Ermüdungsfestigkeit wesentlich beeinflussen und müssen somit im Auslegungsprozess berücksichtigt werden. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Geometrie von Stahlgussproben hinsichtlich einer definierten Porosität numerisch zu optimieren. Aus diesen Gussteilen sollen in weiterer Folge Schwingversuchsproben entnommen werden, um den Einfluss von Poren auf die lokale Ermüdungsfestigkeit in Stahlgussbauteilen zu untersuchen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung von verschiedenen Simulationsprozessparametern auf die Ausbildung der allgemeinen Porositätsverteilung. Diese Vorstudien werden als Basis für die weiterführenden Untersuchungen verwendet. In der Hauptstudie wird anhand von Parametervariation festgestellt, welchen Effekt einzelne Geometrieparameter auf die Porosität ausüben. Darüber hinaus werden das Gusssystem sowie die Speiser evaluiert und den Anforderungen entsprechend modelliert. Die Geometrie wird so festgelegt, dass das Gusssystem und die globalen Abmessungen unverändert bleiben, wobei durch die Variation einzelner Parameter die Form und Größe der Inhomogenität beeinflusst wird. Aus der Hauptstudie resultieren vier Parametersätze, welche charakteristisch unterschiedliche Ausbildungsgrade der Porosität aufweisen. Des Weiteren wird eine Geometrie zur Untersuchung der gussrauen Oberfläche festgelegt, welche den prozesstechnischen Randbedingungen der zuvor entwickelten Volumensprobe entspricht, aber nur eine minimale Defektanzahl im Inneren aufweist. Abschließend wird ein Prüfkörper gießtechnisch simuliert, welcher aus einem makroskopisch porenfreien Gussstück und einem porenbehafteten Speiser besteht. Anhand dieser Probe wird ein Vergleich zwischen der numerischen Simulation und dem realen Gussteil ermöglicht. Die Gegenüberstellung des simulierten und realen Speisers zeigt, dass die Tendenz für die Bildung des Hohlraums gegeben ist und somit die in der Arbeit angewendete Simulationsmethodik zur Abschätzung der Porenverteilung geeignet ist. Demnach kann festgehalten werden, dass die Porosität des Gussteils in Abhängigkeit von der Geometrie durch die Gießprozess-Simulation im technischen Rahmen prognostiziert werden kann. Eine weitere Validierung der Simulation ist durch Röntgen, Computertomographie (CT) und visuelle Untersuchung der im Abguss befindlichen Proben als nächster Schritt der grundlagenorientierten Forschungsarbeit geplant.


Dipl.-Ing. Michael PUSTERHOFER

Titel: AMB16-DA05 "Bewertung des Einflusses von Wellen-Oberflächenstrukturen auf das tribologische Verhalten von Gleitlagern "

Kurfassung 03/2017:

Die derzeitige Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen verfolgt die Reduktion von Treibstoffverbrauch und Schadstoffemissionen mit Ansätzen im Bereich des Leichtbaus und der Reibungsreduktion. Die Kurbelwelle als eine wichtige Motorkomponente ist dabei auch Gegenstand dieses Optimierungsprozesses. Beispielsweise bietet der Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen gewisse Gewichtsund Kostenvorteile. Aufgrund der Oberflächenstruktur solcher Kurbelwellen werden die gestellten Anforderungen an die Betriebsrobustheit der hydrodynamischen Gleitlagerungen, besonders bei höher belasteten Motoren, jedoch nur zum Teil erfüllt. Die Optimierung der gusseisernen Laufflächen durch verschiedene Oberflächen-Bearbeitungsprozesse würde daher den Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen auch in höher belasteten Motoren ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit erfolgt ein Screening verschiedener Werkstoff- und Bearbeitungsvarianten von Kurbelwellen. Neben serienmäßig polierten Stahlkurbelwellen werden Gusskurbelwellen mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen, sowie eine geschliffene Stahlkurbelwelle untersucht. Die anwendungsnahe Prüfung in einem Rotationstribometer mit Gleitlager-Konfiguration zeichnet sich durch die Probenentnahme aus den fertig bearbeiteten Kurbelwellen, sowie die Verwendung der originalen Lager und Schmiermittel aus. Der Schwerpunkt der anschließenden Auswertung der durchgeführten Start-Stopp-Versuche liegt dabei auf Lagerschalen-Verschleiß und Reibenergie. Begleitend zu den Versuchen wird eine Simulation der hydrodynamischen Gleitlagerung im Prüfstand durchgeführt. Dabei erfolgt die Berücksichtigung der hydrodynamischen Effekte der verschiedenen Oberflächenstrukturen über die Einbindung von Flussfaktoren, welche direkt von der vermessenen Mikrotopographie abgeleitet werden. Mit der durchgeführten Methodik können die Verschleiß- und Reibungsunterschiede gut aufgelöst werden. Die serienmäßig polierte Stahlwelle zeigt im Ranking der untersuchten Wellenvarianten die geringsten Misch- und Flüssigkeitsreibungsverluste und produziert den geringsten Lagerverschleiß. Eine geschliffene Stahlwelle sowie die verschiedenen Gusskurbelwellen weisen ein schlechteres Reibungs- und Verschleißverhalten auf, wobei das Verhalten der Gusswellen durch gezielte Oberflächenbearbeitung beeinflusst werden kann. Der Abgleich der Versuchs- und der Simulationsergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung, und diente zum Überprüfen und Abgleichen der Simulationsmethodik, sowie zur Verifikation der Reibungsmessungen am Prüfstand. Weiters ist das Erlangen grundlegender Erkenntnisse über das Verhalten verschiedener Oberflächenstrukturen auf Durchfluss, Druckaufbau und Reibungsverluste möglich.


Dipl.-Ing. Patrick Hermann HÖFFERER

Titel: AMB16-DA08 "Umlaufbiege-Verhalten eines Maraging-Stahls "

Kurfassung 06/2017:

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines nichtrostenden martensitisch aushärtenden Cr-Ni-Cu-Stahls, X5CrNiCuNb16-4 (1.4542 nach ÖNORM EN 10088-3). Durch eine Wärmebehandlung, dem Auslagern, bilden sich im Werkstoff Ausscheidungen, die zu einer Festigkeits- und Härtesteigerung führen. Werkstoffe dieser Art werden für Bauteile in der Fahrzeug- und Flugzeugindustrie verwendet. Ziel war die Umlauf-Biegewechselfestigkeit des Werkstoffs im HCF Bereich zu analysieren. Es wurden Wöhlerversuche an gekerbten Proben mit zwei unterschiedlichen Durchmessern durchgeführt. Des weiteren wurde der Einfluss der Wärmebehandlung analysiert. Die Versuchsergebnisse von wärmebehandelten Proben wurden den Ergebnissen von Proben ohne Wärmebehandlung gegenübergestellt und diskutiert. Eine weitere Aufgabe war ein Simulationsmodell zu entwickeln, das die tatsächliche Beanspruchung einer Umlaufbiegeprobe simulationstechnisch darstellt. Es wurde darauf geachtet Probeneinspannung, Belastung und tatsächliche Abstände am Umlaufbiegeprüfstand zu berücksichtigen. Auf Basis dieses Simulationsmodells wurden Modellvereinfachungen und Änderungen in der Probengeometrie analysiert. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurden die Umlaufbiegeprüfmaschinen sicherheitstechnisch optimiert und kalibriert. Es wurden Umlaufbiegeversuche mit dem Grundmaterial und drei Wärmebehandlungen durchgeführt. Die effektiven Auslagerungszeiten lagen zwischen 1 und 10,5 Stunden. Die Versuchsergebnisse der Proben mit Nennquerschnittsdurchmesser d=4,00mm zeigen, dass im Vergleich zu den Versuchsergebnissen des Grundmaterials bei steigender Dauer der Wärmebehandlung die Steigung k der Zeitfestigkeitsgeraden steigt, so weisen die Ergebnisse der Proben mit einer Auslagerungszeit von 10,5 Stunden eine Steigung von k=12,06 auf. Bezüglich des Dauerfestigkeitsniveaus lassen sich folgende Aussagen treffen. Mit der Durchführung einer Wärmebehandlung wird kein höheres Dauerfestigkeitsniveau erreicht. Bis zu einer Auslagerungszeit von 1,5 Stunden sinkt die Dauerfestigkeit im Vergleich zum Grundmaterial um rund 14%. Bei einer längeren Behandlungsdauer wird eine um 3% geringere Dauerfestigkeit erreicht. Die Versuchsergebnisse der Proben mit Nennquerschnittsdurchmesser d=7,50mm zeigen die gleichen Auswirkungen einer Wärmebehandlung auf die Zeitfestigkeitsgerade und auf das Dauerfestigkeitsniveau. Das Dauerfestigkeitsniveau des wärmebehandelten Materials liegt im Vergleich zum Grundmaterial um 14% niedriger. Die Steigung der Zeitfestigkeitsgeraden beträgt k=11,53. Die Erkenntnis der Parameterstudie bezüglich der Modellvereinfachungen ist, dass sich das Gesamtmodell auf ein Simulationsmodell des Kerbbereichs reduzieren lässt. Bei der Optimierung der Prüfmaschinen wurde eine Abweichung um 2,85% zwischen tatsächlichen Probenspannung und berechneten Probennennspannung ermittelt und in einem neuen Excel-Berechnungsfile für die Versuchsspannung berücksichtigt.

2016

Dipl.-Ing. Pia HOFMANN

Titel: AMB15-DA04 "Entstehungsmechanismen von Zinkspitzen beim Widerstandspunktschweißen an feuerverzinkten Stahlfeinblechen "

Kurfassung 12/2016:

Widerstandspunktschweißen ist vor allem in der Automobilindustrie das vorrangig eingesetzte Fügeverfahren bei der Fertigung von Karosserien. Bis zu 5000 Schweißpunkte finden sich in einer einzigen Fahrzeugkarosse, weswegen Hersteller und Verarbeiter stets um die Optimierung der Prozessparameter und des Schweißergebnisses bemüht sind. Einige neuartige metallische Überzüge auf Blechen erschweren den Schweißprozess jedoch. Konkret treten beim Punktschweißen von Zink-Magnesium (ZM) beschichteten Stahlfeinblechen an der Schweißpunktoberfläche sogenannte Spitzen bzw. Grate auf, die zum einen den späteren Lackiervorgang beeinträchtigen können und zum anderen optisch störend sind, vor allem in für Kunden sichtbaren Bereichen wie beispielsweise dem Türrahmen von Fahrzeugen. Diese Spitzen stellen ein bisher unbekanntes Phänomen dar, welches bei vergleichbaren metallischen Überzügen nicht und auch bei ZM nur unter speziellen Bedingungen auftritt. Während die neuartige ZM-Überzug in vielen Gesichtspunkten, wie zum Beispiel der Presswerkzeugabnutzung beim Umformen und der Korrosionsbeständigkeit, große Vorteile mit sich bringt, ist die Verarbeitbarkeit aufgrund dieser Punktschweißproblematik dennoch eingeschränkt. Im Rahmen der Arbeit wurden daher mögliche Entstehungsmechanismen der Zinkspitzen evaluiert, wurden Schweißpunkte optisch bewertet und mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die Schweißparameter wurden vielfach variiert, um deren Einfluss auf die Oberflächenqualität zu beurteilen. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Elektrodengeometrie, der Schichtdicke, der Blechölung, sowie der Elektrodenabnutzung in eine umfangreiche Parameterstudie inkludiert. Als zielführend haben sich Untersuchungen mit Fokus auf die Temperaturentwicklung an der Schweißpunktoberfläche erwiesen, da die Zinkspitzen nur in einem bestimmten Temperaturbereich entstehen können. Dieser Bereich wurde experimentell bestimmt und entsprechende Schweißparameter gefunden, die zu optisch akzeptablen Schweißpunkten auf ZM-Blechen führen. Der Entstehungsmechanismus, beruhend auf Anlegierungen an rauen Elektrodenoberflächen, kombiniert mit schmelzflüssigem Schichtmaterial zum Zeitpunkt des Elektrodenabhubs, wurde detailliert untersucht. Abhilfemaßnahmen konnten aufgrund des Verständnisses der Zinkspitzenentstehung - unter Berücksichtigung der großtechnischen Umsetzbarkeit - formuliert werden. Diese reichen von der Optimierung der Schweißparameter, hinsichtlich Wärmeeinbringung und Elektrodenpolitur nach dem Fräsvorgang, bis hin zur Änderung der Schweißpunktabfolge zugunsten niedrigerer Gesamtblecherwärmung.


Dipl.-Ing. Gabriel STADLER

Titel: AMB16-DA02 " Numerische und versuchstechnische Bewertung von tribologischen Kontakten"

Kurfassung 06/2016:

Bedingt durch steigende Umweltanforderungen werden Automobilhersteller zu einer effizienteren Umsetzung von fossilen Brennstoffen gedrängt. Um diese zu erfüllen, gewinnen Kraftstoff sparende Technologien wie beispielsweise Start-Stopp und Hybrid immer mehr an Bedeutung. Für Gleitlager im Verbrennungsmotor folgen daraus problematische Betriebsverhältnisse. Da der Mischreibungsbereich immer mehr durchfahren wird, erhöhen sich Reibung und Verschleiß. Um diesen Verlusten entgegen zu wirken, bedarf es weiteren Entwicklungen bei Mikrostrukturen der Oberfläche sowie den eingesetzten Werk- und Betriebsstoffen, unterstützt durch tribologische Simulationen. Bei diesen wird der Festkörperkontakt mittels Kontaktmodellen berücksichtigt. Im Zuge dieser Arbeit werden Kontakte mithilfe drei verschiedener Ansätze beschrieben. Diese beinhalten die Anwendung der häufig verwendeten statistischen Modelle sowie die Durchführung von Versuchen und numerischer Untersuchungen. Zweck der Betrachtung dieser Methoden ist die Abwägung des jeweils nötigen Aufwandes zu den erzielten Resultaten und einem Vergleich untereinander. Darüber hinaus liegt ein Augenmerk auch auf einer Beurteilung der Aussagekraft dieser Methoden. Der erste Zugang ist die Auswertung von fünf statistischen Modellen nach Greenwood-Williamson (GW), Chang-Etsion-Bogy (CEB), Zhao-Maietta-Chang (ZMC), Kogut-Etsion (KE) und Jackson-Green (JG). Für die Evaluierung der einzelnen Modelle werden Lagerschalen mit unterschiedlichen Werkstoffen und Oberflächen eingesetzt. Um die erforderlichen Parameter zu erhalten, müssen Oberflächenvermessungen und Indentierungen durchgeführt werden. Die Auswertung erfolgt mittels einer selbstentwickelten Matlab R⃝-Routine. Eine weitere Aufgabe ist es eine neue Versuchsanordnung für vorhandene Probengeometrien aufzubauen. Für die Durchführung dieser Prüfung wird die Härteprüfmaschine ZHU 2,5 von Zwick-Roell verwendet. Der Versuch dient dazu, das Verhalten bei Festkörperkontakt von konventionellen Welle-Gleitlagerpaarungen zu zeigen. Zusätzlich werden anhand von ABAQUSR⃝- Simulationen die vorliegenden Kontaktverhältnisse ermittelt. Dabei wird anhand der Oberflächenvermessungsdaten in Hypermesh R⃝ ein Netz erstellt und in die FEM-Software implementiert. Um den Rechenaufwand gering zu halten, erfolgt eine Dimensionsreduzierung von einem 3D- zu einem 2D-Modell. Ziel dieser Methoden ist das Verhalten des Kontaktdruckes über die Verformung der Oberflächen zu untersuchen. Es zeigt sich, dass bei der Verwendung der Modelle die Kontaktdrücke der einzelnen Werkstoffe größere Unterschiede untereinander aufweisen als die Zunahmen der Kontaktflächen. Auch die Ergebnisse der einzelnen Kontaktmodelle weichen bei denselben Geometrien aufgrund der unterschiedlichen Gewichtung von Parametern deutlich voneinander ab. So steigt der Kontaktdruck des GW-Modells aufgrund der rein elastischen Betrachtung gegenüber den anderen Modellen auf einen bis zu 50 Prozent höheren Wert an. Auch die Fläche nimmt mit dem GW-Modell bei gleichem Druckanstieg weniger stark zu. Wie aus den Ergebnissen der Kontaktmodelle und den Simulationsresultaten hervorgeht, ist bei größeren Verformungen ein Einfluss der unterschiedlichen Werkstoffe vorrangig gegenüber den Oberflächenrauheiten. Die Versuchsergebnisse zeigen Unterschiede in den Steifigkeiten bei verschieden Lagerschalentypen. Diese können bedingt durch systematische Fehlerquellen (z.B. Maschinensteifigkeit) allerdings nicht absolut angesehen werden. Das Resultat sind aus dem neuen Versuchsaufbau gewonnene Kontaktdaten und die daraus resultierende Erkenntnis für Notwendigkeit einer Weiterentwicklung der Versuchsmethodik. Ein Vergleich der Methoden verdeutlicht einerseits die starke Abweichung der Versuchsdaten zu den Simulations- und Kontaktmodelldaten, zeigt aber andererseits, dass die Simulation und Kontaktmodelle abhängig von Parametern vergleichbare Resultate liefern.


Dipl.-Ing. Florian STEINWENDER

Titel: AMB16-DA01 " Einfluss von verschleißreduzierenden Hartschichten auf das Schwingfestigkeitsverhalten"

Kurfassung 06/2016:

Zur Aufbereitung von Müll, Holz und Grünschnitt werden stationäre und mobile Zerkleinerungsmaschinen eingesetzt, wobei die integrierten maschinenbaulichen Komponenten hohen lokalen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Neben einer komplexen Strukturbeanspruchung unterliegen im Speziellen die Schneidwerkzeuge einem erhöhten Verschleiß, weshalb diese an der Oberfläche mit einer aufgeschweißten Hartschicht verstärkt werden. Dieser komplexer Fertigungsschritt wirkt sich einerseits positiv auf den Verschleißwiderstand aus, wodurch die Standzeit und in weiterer Folge die Wartungszeiten und Kosten reduziert werden und ein effizienter Betrieb dieser Maschinen ermöglicht wird. Andererseits ergibt sich durch die vergleichsweise spröde Hartschicht und dem thermo-mechanischen Auftragsschweißprozess eine Beeinflussung der lokalen Materialeigenschaften im hochbeanspruchten Bereich, woraus eine Reduktion der Ermüdungsfestigkeit resultieren kann.
Ziel der Arbeit ist es, den Effekt aufgeschweißter Hartschichten auf die lokale Lebensdauer unter typischen im Betrieb herrschenden Strukturbeanspruchungen zu ermitteln. Für die geforderte Schwingfestigkeitsuntersuchung wurde zunächst eine geeignete Prüfkörpergeometrie und Prüfmethodik erarbeitet, welche die realen Betriebsbedingungen im Versuch abbilden kann. Basierend auf einer umfangreichen experimentellen Studie wurde eine Vielzahl an Schweißproben, mit unterschiedlichen Zusatzwerkstoffen und Schweißprozessparametern gefertigt. Bei den Probenserien wurden zudem auch die Schweißnahtorientierung und der Einfluss des Nahtendes auf die Lebensdauer untersucht.
Die Ergebnisse der Versuche zeigen einen signifikanten Einfluss der Hartschicht auf das Ermüdungsverhalten mit einer Reduktion der Langzeitfestigkeit von rund dreißig Prozent gegenüber dem verwendeten Grundmaterial aus Baustahl. Metallographische Untersuchungen und Bruchflächenanalysen, sowie flächige Oberflächenhärtemessungen stellen zusätzlich eine Grundlage für die Charakterisierung lokaler Eigenschaften und deren Auswirkung auf die Lebensdauer dar.
Basierend auf den einzelnen Resultaten kann je nach struktureller Ermüdungsbeanspruchung eine spezifische Auswahl der Hartschicht erfolgen, wodurch eine beanspruchungsgerechte Fertigung der Werkzeuge ermöglicht wird.


Dipl.-Ing. Philipp PAUER

Titel: AMB15-DA08 " Abschätzung der Schwingfestigkeit bei geringen Ausfallwahrscheinlichkeiten auf Basis des statistischen Größeneffektes"

Kurfassung 06/2016:

Im Zuge des fortschreitenden Leichtbaugedankens in der Automobilindustrie steigt die Nachfrage nach statistisch abgesicherten Materialkennwerten zur Auslegung und Dimensionierung hochbeanspruchter Fahrzeugkomponenten. Dabei ist insbesondere in der Serien- und Massenfertigung eine Gewährleistung geringer Ausfallwahrscheinlichkeiten von großer Relevanz, wobei eine genaue Kenntnis der Schwingfestigkeit und der zugrundeliegenden Streuung Voraussetzung ist. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Abschätzung der Schwingfestigkeit auf Basis des statistischen Größeneffekts präsentiert und anhand experimenteller Schwingfestigkeitsuntersuchungen validiert. Für die statistische Absicherung der nachfolgenden Versuche wurden im ersten Teil gängigeWöhlerlinien-Auswerteverfahren mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen auf ihre Treffsicherheit und Schätzgüte untersucht. Aus den Ergebnissen wurden sowohl Empfehlungen für die Anwendung der Verfahren, als auch statistisch begründete Streuspannen abgeleitet. Demnach ist für die Auswertung des Zeitfestigkeitsbereiches das Perlenschnurverfahren als vorrangige Methodik anzuwenden. Steht zur Bestimmung der Langzeitfestigkeit nur eine geringe Anzahl an Proben zur Verfügung und ist lediglich der Mittelwert von Interesse, so zeigt das Arcsin√ P-Verfahren eine gute Anwendbarkeit. Soll neben dem Mittelwert auch die Streuung der Langzeitfestigkeit ausgewertet werden so ist das Treppenstufenverfahren mit einer Auswertung nach der IABG-Methode, zu bevorzugen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden anhand von zwei unterschiedlich langen Rundproben, bestehend aus einer gegossenen AlSi8Cu3-Legierung, Wöhlerversuche durchgeführt und die Ergebnisse im Hinblick auf den statistischen Größeneffekt bewertet. Die dazu notwendigen höchstbeanspruchten Volumina der beiden Probengeometrien wurden mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen evaluiert, wobei sich ein Größenverhältnis von etwa eins zu zehn ergab. Die statistische Auswertung der Versuchsergebnisse zeigt dabei einen signifikanten Einfluss der Größe des hochbeanspruchten Volumens auf die sich ergebende Schwingfestigkeit. Eine abschließende Berücksichtigung der Extremwertverteilung von den im gegossenen Grundmaterial auftretenden Poren bildet die Grundlage zur Ableitung zyklischer Materialkennwerte für geringe Ausfallwahrscheinlichkeiten im ppm-Bereich und dient als Basis zur sicheren und wirtschaftlichen Auslegung von Gußbauteilen im Automobilbau.


Dipl.-Ing. Uwe GSCHLIESSER

Titel: AMB15-DA07 "Neuentwicklung einer optimierten Hacktrommel von schnelllaufenden Holzzerkleinerern "

Kurfassung 06/2016:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konzeptionierung, Entwicklung, technischen Umsetzung und Betriebsfestigkeitsbewertung einer Hacktrommel eines schnelllaufenden, mobilen Holzzerkleinerers. Die Hacktrommel stellt ein dynamisch hochbelastetes, sicherheitskritisches Bauteil dar, welches hinsichtlich strukturellen Leichtbaus bereits im Designstadium zu bewerten ist. Die mit Werkzeugen bestückten Trommeln unterliegen hierbei unterschiedlichen, komplexen tribo-mechanischen Anforderungen. Ziel der Tätigkeiten ist die Entwicklung einer universell einsetzbaren Konstruktion unter Berücksichtigung der vorgegebenen, betriebsbedingten Rahmenbedingungen, welche den vergleichsweise rauen Umgebungsbedingungen und hohen lokalen Strukturbeanspruchungen im Betrieb für eine definierte Einsatzdauer standhält. Die Arbeit umfasst einen Überblick über die Methoden der Holzaufbereitung und den Einsatz von Holz als Brennstoff sowie den Bereich der Holzzerkleinerung mit den damit verbundenen Schnittkräften und Einflussfaktoren. Des Weiteren wird die Betriebsfestigkeitsbewertung von Schweißkonstruktionen anhand Strukturspannungen mittels numerischer Methoden skizziert. In einem iterativen Prozess werden Gestaltungskonzepte für die Hacktrommel erarbeitet und hinsichtlich eines möglichen Einsatzes im realen Betrieb bewertet. Die Konstruktionsvarianten der einzelnen Konzepte wurden mittels einer numerischen Strukturspannungsanalyse überprüft und bezüglich der auftretenden lokalen Spannungszustände konstruktiv optimiert. Nach einer technisch-wirtschaftlichen Bewertung, wurde das optimale Konzept konstruktiv umgesetzt und an die betrieblichen Ansprüche hinsichtlich Montage und Wartung angepasst. Als Resultat liegt eine mittels numerischer Spannungsanalyse konstruktiv optimierte Variante einer schnelllaufenden Hacktrommel als Designkonzept vor, welche die hohen Ansprüche im rauen Betrieb bestmöglich erfüllt


Dipl.-Ing. Florian OBERHOFER

Titel: AMB15-DA03 " Entwicklung einer Programmierung zur Durchführung von statischen und dynamischen Torsionsprüfungen"

Kurfassung 06/2016:

Um zukünftig einen Prüfstand für reine Torsionsversuche zur Verfügung zu haben, wurde eine Programmierung für einen konstruktiv bestehenden Torsionsprüfstand entwickelt. Durch die Programmierung wird eine automatisierte Prüfung für statische und dynamische Versuche ermöglicht. Die Versuchsergebnisse sind für die Betriebsfestigkeit von großer Bedeutung, da bei Simulationen und Bauteilberechnungen auf diese zurückgegriffen werden. Bei dynamischen Versuchen kann bei beliebigem Spannungsverhältnis geprüft werden, wobei das maximale Drehmoment 34Nm nicht überschreiten soll. Statische Versuche können bis 34Nm ohne Getriebe durchgeführt werden. Um statische Versuche auch bei Belastungen bis 1kNm durchführen zu können, besteht die Möglichkeit des Einsatzes eines Getriebemoduls. Sowohl für statische als auch für dynamische Versuche wurde eine Datenaufzeichnung implementiert. Die Eingaben und Bedienung der Versuche erfolgt in einer eigens für den Torsionsprüfstand programmierten Visualisierung. Zu Beginn wird ein Überblick über die wichtigsten Zusammenhänge und Formeln für Torsionsversuche gegeben, welche später zum Durchführen von Prüfungen und deren Auswertung notwendig sind. Danach wird der Aufbau des Torsionsprüfstandes betrachtet und dessen Komponenten erklärt. Im Anschluss wird die Programmierung anhand der Struktur und der Reihenfolge der Programmabschnitte aufgearbeitet und die wichtigsten Funktionen erläutert. Dabei wird auch auf die eigens erstellte Datenaufzeichnung eingegangen. Die Zusammenhänge zwischen Visualisierung und Programm stellen den Abschluss der Programmcodebeschreibung dar. Um die Programmierung zu testen, wurden dynamische und statische Validierungsversuche durchgeführt. Die Versuchsergebnisse der dynamischen Versuche wurden ausgewertet, in eine Torsionswöhlerlinie eingetragen sowie Anrisse und Bruchflächen analysiert. Es kamen sowohl gekerbte als auch ungekerbte Proben verschiedener Stähle sowie ein Kunststoffwerkstoff zum Einsatz. Die statischen Validierungsversuche werden in einem Torsionsmoment-Verdrehwinkel-Diagramm dargestellt und diskutiert. Abschließend werden diverse Möglichkeiten zur Erweiterung, resultierend aus den gemachten Erfahrungen, beschrieben.


Dipl.-Ing. Michael KOCH

Titel: AMB15-DA06 "Einfluss der Vorverfestigung auf statisches und zyklisches Kriechverhalten von Ti-6Al-4V "

Kurfassung 10/2016:

Das Kriechverhalten von Ti-6Al-4V ist ein wichtiger Faktor bei der Auslegung von sicherheitsrelevanten Bauteilen unter thermomechanischer Belastung. Durch Verfestigungen wird das Verformungsverhalten des Werkstoffs stark beeinflusst. Jedoch ist über den Einfluss der Verfestigung des Werkstoffs auf das Kriechverhalten noch nicht ausreichend Kenntnis vorhanden. Insbesondere der Beginn des Kriechens, die Existenz des primären Kriechens, sowie dessen Übergang in die stabile Kriechphase sind von Interesse. Die Durchführung von Kriechversuchen, mit durch Reckung vorverfestigten Proben, soll nähere Informationen und Verständnis über das Verhalten des Werkstoffs bei statischer Langzeitbelastung bringen. Die meisten publizierten Untersuchungen im Bereich des Kriechens liegen bei Temperaturen ab 0,4Ts (Schmelztemperatur) und höher. Jedoch tritt bei Ti-6Al-4V Kriechen auch bei niedrigeren Temperaturen auf. Selbst bei Raumtemperatur ist noch signifikantes Kriechen vorhanden, was nur bei wenigen Materialien der Fall ist.
In dieser Arbeit wurden statische Kriechversuche bei Temperaturen von 20°C bis 370°C, konstanter Gewichtsbelastung von 500MPa bis 800MPa und bei Vorreckungen von 0% bis 5% Gesamtdehnung durchgeführt. Es wurden dreiundzwanzig statische Kriechversuche mit einem Zeitlimit von etwa einhundert Stunden pro Versuch getätigt um den Einfluss der Vorverfestigung zu erfassen. Außerdem wurden vierzehn zyklische Blockversuche ohne Vorreckung, mit einer Periodendauer von zwanzig Minuten, durchgeführt. Diese Versuche wurden bei ähnlichen thermischen sowie mechanischen Belastungshöhen ausgeführt. Durch die zyklische Belastung mit Haltezeit bei maximaler Spannung und minimaler Spannung wird in jedem Zyklus primäres sowie sekundäres Kriechen erreicht. Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden als Dehnungs-Zeitverläufe (Kriechkurven) ausgewertet. Basierend auf diesen zeitabhängigen Verläufen, wurden die Phasen des Kriechprozesses hinsichtlich der Umsetzbarkeit in einer numerischen Simulation bewertet. Es wurde zunächst eine Sensitivitätsstudie betreffend die Kriechparameter der Simulation vorgenommen und die Simulation den Kriechkurven der Versuche angepasst. Die Simulation dient dem Abschätzen vom Verhalten von vorgereckten Bauteilen unter thermomechanischer, statischer als auch zyklischer Langzeitbelastung. Hierfür wurden im FE-Programm Abaqus bereits implementierte Kriechmodelle nach Norton und Bailey bzw. Kichenin herangezogen. Es stellte sich heraus, dass diese Modelle unzureichend in der Abbildung der zyklischen Versuche sind und somit konnte kein ganzheitlich zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Um ein solches zu erreichen müsste eine benutzerdefinierte Routine zur zyklenabhängigen Bestimmung der Kriechparameter erstellt werden.


Dipl.-Ing. Matthias AIGNER

Titel: AMB16-DA03 "Die Auswirkung von gussrauen Oberflächen auf die Schwingfestigkeit von gegossenem Aluminium im Automobilbau "

Kurfassung 10/2016:

Eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Antriebskomponenten aus gegossenem Aluminium findet in der heutigen Zeit speziell im Automobilbereich eine immer breitere Anwendung. Hierbei werden Formgussbauteile aus Aluminiumlegierungen aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials mit dem Zweck eingesetzt, das Gewicht zu reduzieren und somit die Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren zu verringern. Diese geometrisch komplexen Komponenten können durch modernste Sandgussverfahren, wie beispielsweise dem Kernpaketverfahren (CPS), endformnah hergestellt werden. Die sich dabei ergebenden Oberflächen weisen eine Topographie und Rauheit auf, welche durch die verwendete Gussform sowie die Gusstechnologie maßgebend beeinflusst werden und in der Praxis sowohl maschinell nachbearbeitet als auch gussrau Verwendung finden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Effekt der unbearbeiteten Gussoberfläche auf die Schwingfestigkeit des Werkstoffes untersucht um Serienbauteile technisch und wirtschaftlich zu bewerten. Um eine anwendungsbezogene Versuchsdurchführung zu gewährleisten, werden Flachproben direkt von Zylinderkurbelgehäusen der Serienproduktion entnommen, wodurch am Prüfquerschnitt eine raue und unbehandelte Gussoberfläche entsprechend dem industriellen Fertigungsprozess vorhanden ist. An diesen Prüfkörpern werden Konstantschwingversuche für wechselnde und schwellende Zug/Druck- und Biegebeanspruchung durchgeführt. Zur lokalen Bewertung des Einflusses der Oberflächentopographie auf die Ermüdungsfestigkeit werden zusätzlich numerische Analysen auf Basis von Kerbspannungen durchgeführt. Dazu wird mit einem Konfokalmikroskop die Rautiefe und Oberflächenbeschaffenheit der Gussoberfläche optisch vermessen. Die auf diese Weise produzierten Datensätze ermöglichen die rstellung eines Finite-Elementen Modells der Oberfläche. Das abgebildete Referenzvolumen wird in der Simulation sowohl auf Zug als auch auf Schub belastet. Die dadurch erzielten multiaxialen Spannungsverteilungen zeigen lokale Spannungsüberhöhungen in den Rauheitstälern der Oberfläche, wobei sich, unter Zuhilfenahme des bruchmechanischen Langrissschwellwertes vom defektfreien Material, über das Konzept des kritischen Abstands, schwingfeste Einflussfaktoren bestimmen lassen. Dies ermöglicht die schwingfeste Bewertung von derartigen Oberflächentopographien unter zyklischer Beanspruchung. Die experimentellen Ergebnisse aus den Wöhlerversuchen werden in weiterer Folge diesen numerisch evaluierten Einflussfaktoren gegenübergestellt, wodurch eine vergleichende Ermüdungsfestigkeitsbewertung technisch unterschiedlich rauer Gussoberflächen ermöglicht wird. Die in dieser Arbeit aufgebaute Methodik ermöglicht einen neuartigen Einblick in die Auswirkungen der Oberflächentopographie auf die Lebensdauer gegossener Aluminiumbauteile sowie deren Interaktion mit möglichen Defekten in der Randschicht. Des Weiteren können fertigungsprozessbedingte Streueffekte von rauen Gussoberflächen bereits früh im Auslegungs- und Dimensionierungsprozess berücksichtigt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass bereits in der Konzeptionsphase der Fokus auf eine betriebsfeste Optimierung der Bauteile gelegt wird, wodurch sowohl Kosten in der Erprobung eingespart sowie die Entwicklungs- und Konstruktionsprozesse verkürzt werden.


Dipl.-Ing. Benjamin SEISENBACHER

Titel: AMB16-DA07 "Einflüsse auf die Schwingfestigkeit eines hochfesten Stahls bei Schwingspielzahlen größer 1E7 "

Kurfassung 10/2016:

Um den ökologischen und wirtschaftlichen Anforderungen in einem globalisierten Umfeld gerecht zu werden, ist es unumgänglich die Effizienz der Anlagen und Maschinen weiter zu verbessern. Aus dieser Notwendigkeit heraus, ist es notwendig die Lebensdauer von zyklisch hoch belasteten Bauteilen weiter voranzutreiben. Um dies realisieren zu können, ist es unabkömmlich Kenntnis, über das Lebensdauerverhalten von Werkstoffen bei hohen zyklischen Belastungen zu erlangen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Werkstoffverhalten von einem hochfesten martensitisch aushärtbarem Stahl bei Schwingspielzahlen über 107 Zyklen. Zur Charakterisierung der Zeit- und Dauerfestigkeit sowie zur Bestimmung des Mittelspannungseinflusses und des Größeneinflusses wurden dynamische Versuche mit Prüfdurchmessern von D4 = 4mm und D7,5 = 7, 5mm sowie bei Spannungsverhältnissen von R = −1 und R = 0 durchgeführt. Die statistische Auswertung der Versuchsdaten erfolgt anhand eines programmierten Auswertetools. Bei der Auswertung im Zeitfestigkeitsbereich steht sowohl eine Normal- wie auch eine Weibullverteilung zur Auswahl. Die Auswertung im Dauerfestigkeitsbereich erfolgt mittels einer arcsinp P Transformation. Die Auswertungen bei einem Prüfdurchmesser D4 zeigen, dass es bei einem Spannungsverhältnis von R = 0 zu einer Reduktion der Ermüdungsfestigkeit um 18% gegenüber der Ermüdungsfestigkeit bei einem Spannungsverhältnis von R = −1 kommt. Die Ermüdungsfestigkeit weist bei einem Spannungsverhältnis von R = −1 und einem Prüfdurchmesser von D7,5 einen um 4% geringeren Wert auf als bei einem Prüfdurchmesser von D4. Wie die Prüfergebnisse zeigen, kommt es zu Brüchen bei einer Beanspruchung a  D und Zyklenzahlen N > 107. Durch eine umfangreiche Bruchflächenanalyse konnte ein Wechsel des Bruchmechanismus bei hohen Zyklenzahlen festgestellt werden. Dabei verlagert sich der Anriss von der Oberfläche ins Innere der Probe. Um die in Versuchen ermittelten Daten in kommerziellen Lebensdauer-Analysesoftwares integrieren zu können, ist es notwendig zu wissen, wie diese von den Simulationsprogrammen verarbeitet werden. Daher wurden die Simulationsprogramme FEMFAT® und fe-safe®, hinsichtlich der Berücksichtigung diverser Einflussfaktoren miteinander verglichen. Im Zuge dieser Arbeit wurde der Einfluss der Mittelspannung und der Einfluss der Größe der Probe auf das Dauerfestigkeitsverhalten von einem martensitischen aushärtbarem Stahl untersucht sowie deren Anwendbarkeit in kommerziellen Lebensdauerberechnungsprogrammen dargestellt.


Dipl.-Ing. Roman Alois AIGNER

Titel: AMB16-DA09 "Aufbau einer numerischen Simulationskette für induktionsgehärtete Randschichten "

Kurfassung 12/2016:

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau einer Simulationskette zur umerischen Abbildung des Induktionshärteprozesses. Anhand des Modells werden umfassende Parameterstudien hinsichtlich der Induktorgeometrie, der erforderlichen Frequenzen und Induktorströme sowie der Materialeigenschaften des Werkstücks durchgeführt. Mithilfe dieser Analysen können erste Aussagen sowohl über die entstehenden metallurgischen Eigenschaften, als auch über den Eigenspannungs-und Härtezustand in der Randschicht des Werkstücks getroffen werden. Dies reduziert somit den Prüfaufwand zur Bestimmung der Induktorgeometrie und ermöglicht die Abschätzung thermo-metallurgischer Prozessparameter. Die induktive elektromagnetischthermische Erwärmung wird mittels des Softwarepaketes COMSOL Multiphysics ® realisiert. Der nachfolgende thermo-mechanisch-metallurgische Abkühlvorgang inklusive Phasenumwandlung, Verzug, Härte- und Eigenspannungsverteilung wird anhand des Programmes Sysworld® durchgeführt. Bedingt durch die in der Arbeit untersuchte komplexe Bauteilform ist es notwendig, eine sogenannte SDF (Simultaneous Dual Frequency)-Technik in der elektro-magnetisch-thermischen numerischen Simulation abzubilden, bei der das Werkstück simultan mit einem hochsowie einem mittelfrequenten Induktorstrom angeregt wird. Die darauffolgende numerische Simulation der thermo-mechanisch-metallurgischen Abkühlung wird dahingehend optimiert, dass durch ein benutzerdefiniertes Skript eine Parameterstudie der Abkühlparameter durchgeführt werden kann. Für den Datentransfer zwischen den beiden Programmen werden Skripten erstellt, welche sowohl eine Auswertung der Temperaturverteilung, als auch die daraus resultierenden Anpassungen der Simulationsparameter automatisiert. Abschließend werden die numerisch ermittelten, lokalen Eigenschaften mit bereits vorhandenen Messdaten abgeglichen und somit die Simulationskette experimentell validiert. Die ermittelten Randschichteigenschaften können in weiterer Folge als Datenbasis für Betriebsfestigkeitsbewertungen induktiv gehärteter Bauteile dienen und stellen dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Effizienzsteigerung des Auslegungsprozesses dar.


Dipl.-Ing. Philipp RENHART

Titel: AMB16-DA10 "Numerische Simulation induktiver Bauteilerwärmung komplexer Geometrien "

Kurfassung 10/2016:

DieWerkstoffcharakterisierung 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.


Dipl.-Ing. Marcel MESSNER

Titel: AMB15-DA02 " Simulation des Kugelstrahlens zur prozessbasierten Bauteilauslegung"

Kurfassung 06/2016:

Die Lebensdauer von zyklisch belasteten Bauteilen wird wesentlich von Eigenspannungen in der Randschicht beeinflusst. Dieser Eigenspannungszustand wird durch Oberflächenbehandlungen, wie zum Beispiel Kugelstrahlen, eingestellt. Um die beim Kugelstrahlprozess entstehenden Effekte zu berechnen ist es notwendig eine computerunterstützte Kugelstrahlsimulation durchzuführen. Da aus wirtschaftlichen und technischen Gründen die virtuelle, flächendeckende Bestrahlung von komplexen Bauteilen nicht zielführend ist, wird in dieser Arbeit ein alternativer Lösungsweg vorgestellt. Dabei wird die Kugelstrahlsimulation an einer einfachen Geometrie durchgeführt und die resultierenden Ergebnisse auf ein komplexes Bauteil übertragen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Simulation des Kugelstahlprozesses aufzubauen und die entstehenden Eigenspannungen, Verfestigungen und plastischen Dehnungen in Bezug auf die Eindringtiefe zu ermitteln. Dazu wird eine einfache Probengeometrie modelliert und unter Variation der Strahlparameter, sowie unter Berücksichtigung der Überdeckung gestrahlt. Die Simulationsergebnisse in Form von Spannungen, Verfestigungen und plastischen Dehnungen, sowie die Verformungen auf der Oberfläche (Rauheit) werden evaluiert und erkennbare Trends aufgezeigt. Bei den Parameterstudien werden die Größe und Geschwindigkeit der Kugeln sowie der Reibwert zwischen Kugel und Probe variiert. Mit Zunahme der beiden erstgenannten Einflussfaktoren nehmen die Absolutwerte der Eigenspannung und Verfestigung zu und verschieben sich in Richtung höherer Eindringtiefe. Analog dazu verschiebt sich auch der Übergang von Druck- zu Zugspannungen. Zusätzlich wird eine automatisierte Routine entwickelt, welche die aus der Kugelstrahlsimulation ermittelten Eigenspannungen und Verfestigungen auf beliebige Bauteile überträgt. Außerdem können bestimmte Bereiche im FE-Modell definiert werden, die mit alternativen Eigenspannungs- und Verfestigungsverläufen beaufschlagt werden. Die entwickelten Tools ermöglichen eine automatisierte Erstellung und Auswertung der Kugelstrahlsimulation sowie eine Übertragung der Simulationsergebnisse auf beliebige Bauteile. Dadurch wird eine Berücksichtigung des Randschichtzustandes bei der Auslegung von Bauteilen in der Praxis wirtschaftlich ermöglicht.


Dipl.-Ing. Manuel SCHUSCHA

Titel: AMB15-DA05 " Entwicklung eines Prüfstandes zur Charakterisierung der Betriebsfestigkeit unter multiaxialer Beanspruchung"

Kurfassung 06/2016:

Aufgrund der vielfältigen Belastung unterliegen Bauteile im Betrieb relativ selten einer rein einachsigen lokalen Beanspruchung. Zumeist weisen diese komplexe Spannungszustände auf, die durch eine Überlagerung mehrerer Beanspruchungsarten oder bedingt durch die Bauteilgeometrie, wie beispielsweise geometrische Kerben, auftreten können. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau des multiaxialen Spannungszustandes, sowie mit der Kategorisierung bei überlagerten Belastungen hinsichtlich Periodizität, Proportionalität und Synchronizität. Desweiteren wird eine Übersicht gängiger Methoden zur Festigkeitsbestimmung unter einem mehrachsigen Spannungszustand präsentiert. Der zweite Teil behandelt die Entwicklung eines Prüfstandes zur Charakterisierung der Ermüdungseigenschaften an aus Großkurbelwellen entnommenen Rundproben unter den für das Bauteil typischen Belastungsarten Biegung, Torsion und kombinierter Biegetorsion. Eine wesentliche Anforderung an den Prüfstand ist eine Versuchsführung unter realitätsnahen Verhältnissen, damit die dabei experimentell ermittelten Probenergebnisse auf den realen Betriebsfall übertragbar sind. Unter der Anwendung von Finite-Elemente-Simulationen und darauf basierenden lokalen Festigkeitsbewertungen wurde der Prüfstand dimensioniert und betriebsfest ausgelegt. Im abschließenden Teil wurden Versuche an repräsentativen gekerbten Rundproben aus 50MnCr4 durchgeführt. Die statistisch ausgewerteten, lokalen Schwingfestigkeiten unter Berücksichtigung der Stützwirkung und des hochbeanspruchten Volumens zeigen eine gute Übereinstimmung mit bereits vorhandenen Resultaten an Kleinproben aus dem gleichen Grundmaterial. Es wurde somit anhand dieser Validierung gezeigt, dass der entwickelte Prüfstand zur experimentellen Charakterisierung der multiaxialen Ermüdung von Rundproben geeignet ist und als Basis für weiterführende Untersuchungen herangezogen werden kann.

2015

Dipl.-Ing. Alexander Lembeck

Titel: " Analysemodell zur Bewertung von Potenzial und effektiver Nutzung von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit"

Kurfassung:

Energieeffizienz spielt in der Automobilindustrie eine immer größer werdende Rolle. Leichtbaustrategien zielen unter anderem durch Gewichtsreduktion auf eine Effizienzsteigerung ab. Der Einsatz von Langfaserverbundmaterialien ist ein häufig verwendeter Ansatz zur Massenreduktion, wenngleich dadurch Material-, Fertigungs- sowie Entwicklungskosten steigen. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Strategie in Form eines Softwaremoduls entwickelt um Langfaserverbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer Eignung als Werkstoff in Strukturbauteilen zu bewerten. Diese Bewertung ist bei Schalenelementen für einen Lastfall und für mehrere wirkende Lastfälle möglich. Als für Faserverbund bestens geeignet angesehen werden Areale mit einachsiger Beanspruchung sowie mit einer sich nicht ändernden Beanspruchungsrichtung. Die vorliegende Bewertung basiert auf den Hauptnormalspannungen, dem Mehrachsigkeitsgrad nach Kuhn und der Gestaltänderungsenergiehypothese. Zur Reduktion der Rechenzeit wurde ein Filter auf Basis der von-Mises Spannung implementiert. Als Eingangsdaten benötigt werden ein vernetztes Modell sowie alle Spannungsdaten. Ausgegeben wird das Ergebnis im Patran Format zur Visualisierung im Programm Animator Viewer 4. Die Strategie ist als Programmmodul in Fotran entwickelt und Teil der Software FEMSITE© von Magna Steyr Engineering. Zur Erprobung der Methode wurde eine Hutprobe aufgrund ihrer bauteilähnlichen Form herangezogen. Die entwickelte Strategie wurde auf ein Rohkarosseriemodell angewandt und bezüglich ihren Stärken und Schwächen beurteilt. Der Vorteil der Strategie zeigt sich in einer raschen sowie deutlichen Identifizierung aller einachsig beanspruchten Areale der Karosserie. Dabei ändert sich die Beanspruchungsrichtung und -art zeitlich nur in geringem Maß. Nicht optimal bewertet werden Bleche, die aufgrund gezielt eingebrachter Versteifungen mehrachsige Beanspruchungen aufweisen.


Dipl.-Ing. Johannes REISENBERG

Titel: " Entwicklung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung der Haftfestigkeit im Gusszustand gießtechnisch hergestellter Aluminium-Verbundwerkstoffe"

Kurfassung:

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden verschieden Prüfverfahren untersucht, mit deren Hilfe ein verbundgegossener Werkstoff hinsichtlich seiner Haftfestigkeit klassifiziert werden kann. Hauptziel war es ein Prüfverfahren zu finden, mit dessen Hilfe ein qualitativer Haftfestigkeitswert angegeben werden kann. Bei der Literaturrecherche wurden unterschiedliche Verfahren verglichen und hinsichtlich ihrer Eignung überprüft. Aus diesen Prüfverfahren wurden fünf Prüfverfahren für Versuche mit verbundgegossenen Materialien ausgewählt. Die verschiedenen Tests brachten das Ergebnis, dass die Haftfestigkeit mit allen ausgewählten Verfahren qualitativ analysiert werden kann. Hinsichtlich der quantitativen Haftfestigkeitsanalyse lieferten nur der Zugversuch sowie der Zentrifugentest ein, den Anforderungen, entsprechendes Ergebnis. Beim Vergleich der Ergebnisse der Prüfverfahren konnte festgestellt werden, dass die Haftfestigkeitsresultate der unterschiedlichen Verfahren korrelieren wenn gleich die Prüfungen unterschiedliche Messwerte ergaben. Ein Vergleich der Verfahren ist aus diesem Grund nur begrenzt möglich. Für die Materialprüfung der Verbunde sind auf Grund der quantitativen Aussagekraft der Zugversuch sowie der Zentrifugentest zu empfehlen. Sollte die Schichtdicke der Materialien im weiteren Entwicklungsprozess reduziert werden, so ist eine Materialprüfung mittels Zugversuch nicht mehr möglich. Im Gegenzug dazu können beim Zentrifugentest auch Proben mit einer dünnen Aufgussschicht geprüft werden.


Dipl.-Ing. Christian BÄRNTHALER

Titel: " Entwicklung eines Ermüdungsprüfstandes für CFK unter kombinierter zyklischer und stoßender Belastung"

Kurfassung:

Die Produktionsgeschwindigkeit von Stanzpressen oder ähnlichen Maschinen soll aus wirtschaftlichen Gründen erhöht werden. Eine Möglichkeit ist daher die bewegten Massen der Maschine zu verkleinern. Kohlefaser verstärkte Kunststoffe sind aufgrund ihrer hohen Steifigkeit, Festigkeit und geringer Dichte bestens geeignet für diese Aufgabe. Die Komponenten haben bei einer Lebensdauer von 20 000 Arbeitsstunden ca. 1.5e9 Lastwechsel zu überstehen. Um die Dauerfestigkeit des Materials für den speziellen Lastfall und solch hohe Zyklen zu überprüfen, gilt es eine Prüfeinrichtung zu entwickeln. Verschiedenste Probleme, wie Wärmeentwicklung im Prüfling, hohe Prüffrequenzen und ein exaktes Messsystem müssen beachtet werden. Schlussendlich wurde ein Hochfrequenzprüfstand für den Very High Cycle Fatigue Bereich entwickelt und seine Funktionalität getestet.


Dipl.-Ing. Markus DOPPLER

Titel: " Entwicklung einer Umlaufbiegeprüfmaschine zur Bewertung des Größeneffekts zyklisch beanspruchter Komponenten "

Kurfassung: Infolge steigender Anforderungen an maschinenbauliche Komponenten nach einer Erhöhung der Lebensdauer und Reduzierung des Gewichts, wird eine Dimensionierung nach wirtschaftlichen und betriebsfesten Gesichtspunkten immer wesentlicher. Bei Bauteilen größerer Dimension, wie beispielsweise Eisenbahnfahrwerke, kommt ein zusätzlicher Einfluss auf die Betriebsfestigkeit zum Tragen, der Größeneffekt. Im Rahmen der Masterarbeit wird eine Umlaufbiegemaschine für Großproben bis zu einem Prüfdurchmesser von 60 mm entwickelt und aufgebaut. Die maschinenspezifischen Tätigkeiten beinhalteten die Entwicklung, Endabnahme beim Hersteller, Endmontage im Prüflabor, sowie Installation der Messtechnik und Sensorik. Im Zuge der Inbetriebnahme wird die Messtechnik kalibriert, durch Vorversuche validiert und entsprechend angepasst. Des Weiteren wird eine bestehende Steuerung auf die Anforderungen der Prüfmaschine adaptiert. Die experimentellen Untersuchungen umfassen Schwingversuche zur Evaluierung des Größeneffekts an ungekerbten und gekerbten Rundproben aus austenitischen Stahl. Den Ergebnissen der Großproben mit einem Prüfdurchmesser von 30 mm werden vorhandene Resultate von Kleinproben mit einem Prüfdurchmesser von 6 mm gegenübergestellt, wobei ein Abfall der Langzeitfestigkeit von rund 10% festgestellt wurde. Basierend auf in der Literatur vorhandenen Konzepten werden die Ergebnisse unter Berücksichtigung des spannungsmechanischen und statistischen Größeneffekts bewertet. Als Basis dienen hierfür umfassende numerische Analysen der verwendeten Klein- und Großprobengeometrie, um die für die Bewertung wesentlichen Parameter, den Spannungsgradienten und das höchstbeanspruchte Volumen, zu ermitteln. Die durchgeführten Versuchsreihen und begleitenden Auswertungen zeigen, dass eine Anwendbarkeit des volumenkorrigierten Spannungsgradientenmodells, für den verwendeten austenitischen Stahl im Langzeitfestigkeitsbereich, gegeben ist. Zukünftig sind Grundlagenuntersuchungen hinsichtlich des Größeneffekts rissbehafteter Großproben geplant, welche mit Hilfe der entwickelten Umlaufbiegemaschine und der erarbeiteten Prüfmethodik möglich sind.


Dipl.-Ing. Faheem Shah

Titel: " Rissfortschrittsanalyse geschweißter Verbindungen anhand numerischer und experimenteller Untersuchungen"

Kurfassung:

Das Ermüdungrisswachstum ist wesentlich zur Bewertung und Beurteilung der Bauteilfestigkeit und Lebensdauer maschinenbaulicher Komponenten. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist eine numerische, analytische und experimentelle Analyse des Rissfortschritts bei geschweißten Verbindungen. Eine vergleichende Studie unter Anwendung der SoftwarePakete Franc2D und nCode erfolgt für unterschiedliche strukturelle Details. Besonderer Fokus liegt dabei auf einem Kantenriss in einer Platte und Schweißverbindungen mit nicht-tragenden und last-tragenden Quersteifen. Dies ermöglicht einen Vergleich zu kürzlich veröffentlichten IIW-Ergebnissen. Die Bewertung mit Franc2D führt dabei aufgrund benutzerabhängiger Integrationseinstellungen zu etwas konservativeren Werten. Im Fall von nCode ist eine genaue analytische Berechnung des Spannungintensitätsfaktors (SIF) Voraussetzung, wobei auch hier die Resultate eine gute Übereinstimmung zeigen. Die experimentelle Arbeit konzentriert sich auf die Durchführung und mikroskopische Analyse von Ermüdungsversuchen bei variablen Blocklasten, mit und ohne Überlast. Die untersuchten T-Stoß Proben weisen dabei eine Grundmaterialfestigkeit von niederfestem Baustahl S355 bis zu höherfestem Feinkornstahl S690 auf. Einzelne Überlasten führen zu makroskopische Rastlinien, welche im Lichtmikroskop gut zu erkennen sind. Um die Schwingstreifen innerhalb der polykristallinen Mikrostruktur zu detektieren, wurde Rasterelektronmikroskopie eingesetzt. Die charakteristischen Rastlinien und Schwingstreifen sind gut erkennbar und entsprechen den Ergebnissen der numerisch ermittelten Rissfortschrittsanalyse. Abschließend erfolgt eine umfangreiche Parameterstudie von numerischen Franc2D Berechnungen unter Berücksichtigung zahlreicher verschiedener Materialparameter aus Richtlinien und der Literatur. Es zeigt sich, dass die Anfangsrisslänge der wesentliche Faktor für den weiteren Rissfortschritt und die Lebensdauer ist. Eine detaillierte Studie über die Anfangsrisslänge zeigt, dass ein Wert von 0,01mm für die Ermüdungsversuche der hochfesten Stahlverbindung gut anwendbar ist. Ein Vergleich zwischen den Simulationen und experimentellen Ergebnissen beweist, dass alle Rissfortschrittsparameter zu einer sicheren Auslegung führen, wenn die Anfangsrisslänge nicht kleiner als dieser Wert gewählt wird. Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass die ausgewerteten Materialparameter eine Lebensdauer aufweisen, welche innerhalb des empfohlenen Streubereichs für geschweißte Verbindungen ist.


Dipl.-Ing. Thomas Jakob

Titel: " Korrosionsuntersuchungen von verschraubten Mg-Komponenten"

Kurfassung:

Gewindefurchende Aluminiumschrauben bieten bei der Magnesiumdirektverschraubung ein großes Potenzial zur Kosten- und Gewichtsreduzierung. Für einen prozesssicheren Gewindefurchprozess in Magnesium ist der Einsatz von EN AW 7xxx-Furchschrauben notwendig. In der Literatur wird aber auf ein negatives Korrosionsverhalten der EN AW 7xxx-Legierungen hingewiesen. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Erstellung einer Auslegungsrichtlinie für hochfeste gewinde-furchende Al-Schrauben für einen Serieneinsatz bei Mg-Antriebsstrangkomponenten. Zu diesem Zweck wurde ein Prüfkonzept zur Bewertung des Kontaktkorrosionsverhaltens verschraubter Mg-Komponenten unter praxisnahen Einsatzbedingungen entwickelt. Entsprechend der hohen Korrosionsschutzanforderungen von 720 h im Salzsprühnebeltest nach DIN 50021 zeigte sich, dass Schrauben aus der Legierung EN AW 7075 mit einem geeigneten Top Coat eine geringere korrosive Abtragsrate der verschraubten Mg-Teile generierten als Schrauben aus der Legierung EN AW 6056, welche bereits in der Automobilindustrie etabliert sind. Neben den Aluminiumschrauben wurden auch Stahlschrauben mit verschiedenen Schutzsystemen untersucht. Ferner wurde eine Testmethodik für den Nachweis von Spannungsrisskorrosion (SpRK) entwickelt. Überelastisch montierte EN AW 7075 (T6, T7x)-Schrauben in Prüfkörpern aus Al, Mg und Edelstahl (A2) bei Auslagerung im Wechselklimatest VDA 621 - 415 sowie im Salzsprühnebeltest DIN 50021 zeigten, dass SpRK der EN AW 7075-Schrauben über-wiegend bei verspannten Edelstahlrahmen auftrat. Dies ist ein Indikator dafür, dass die SpRK primär durch eine anodische Auflösung in den korngrenzennahen Bereichen ausgelöst wird. Bei den verspannten Magnesiumrahmen traten keine Brüche der EN AW 7075 T6-Schrauben auf, weil die Schrauben durch das unedlere Mg kathodisch geschützt werden. Daher erscheint das Risiko der SpRK bei der Verschraubung von Mg-Komponenten als gering. Die Untersuchung zeigte, dass druckinduzierte Eigenspannungen durch plastische Verformung beim Gewindewalzen nach der Wärmebehandlung einen signifikanten Einfluss auf die SpRK-Empfindlichkeit haben. Gewindefurchschrauben EN AW 7075 T7x im schlussgerollten Zustand mit angepasstem Top Coat haben aufgrund der geringen Kontaktkorrosion sowie eines deutlich reduzierten Risikos für die SpRK das größte Potenzial für die Verwendung für prozesssicheres Gewindefurchen in Mg-Legierungen. Eine finale Verifizierung dieses Zustandes mit Hilfe von angepassten SpRK-Tests ist zu empfehlen.

2014

Dipl.-Ing. Jakob Moder

Titel: " Bewertung von Mischreibungsvorgängen in kontraformen Kontakten"

Kurfassung:

Eine der größten Herausforderungen unserer Zeit ist wohl der schonende Umgang mit den uns zur Verfügung stehenden Ressourcen, sowie die Reduzierung von Treibhausgasen und Schadstoffen. Neben der Nutzung von erneuerbaren Energien wie z.B. Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft, oder Geothermie, bietet die Optimierung von bereits etablierten Systemen ein enormes Potential. So beträgt in Verbrennungskraftmaschinen der Anteil an Reibungsverlusten etwa 30% der aktuell abgegebenen Motorleistung. Aufgrund dieser Thematik und Vorgaben von Gesetzgeber und Unternehmen, ist eine detaillierte Analyse und Optimierung von geschmierten kontraformen Kontakten, die beispielsweise in Nockenwellen oder Zahnrädern vorkommen, notwendig um den immer höher werdenden Anforderungen gerecht zu werden. Im Rahmen der Arbeit werden durch die Oberflächenmodifikationsprozesse Kugelstrahlen, Gleitschleifen und Schleifen die Oberflächenstrukturen von Bauteilen gezielt geändert, und die Auswirkungen auf das tribologische System detailliert analysiert. Die Analysemethodik gliedert sich dabei in drei Teilbereiche. So werden mit einem Zweischeibenprüfstand Versuche durchgeführt, wobei die Steuergrößen Temperatur, Geschwindigkeit, Pressung und Schlupf vorgegeben und die Größen Reibwert, Temperatur und Kontaktpotential gemessen werden. Begleitend werden optische Analysen durch ein Laserkonfokalmikroskop durchgeführt, die dadurch generierten Daten werden in einer eigens entwickelten MATLAB Software ausgewertet. Die Software ermöglicht eine 3D Visualisierung der Oberfläche, sowie eine Ermittlung von 3D Oberflächenkennwerten. Abschließend werden die durchgeführten Versuche in einem eigens entwickelten Mischreibungsmodell, welches auf vorhergehenden Arbeiten basiert, in der Software COMSOL Multiphysics simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verfahrenskombination von Kugelstrahlen und Gleitschleifen (KSGS) die Reibungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Schleifen drastisch reduzieren kann. Für bestimmte Situationen ergibt sich eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten um den Faktor zwei. Bei der KSGS Verfahrenskombination bildet sich eine extrem glatte Oberfläche, die aber trotzdem noch Schmiertaschen enthält, wodurch sich auch noch bei niedrigen Geschwindigkeiten ein sehr günstiger Reibwert ergibt. Die detaillierten optischen Analysen zeigen, dass diese Art von Oberflächen keinen Einlaufbedarf aufweist. Oberflächen, die nur gleitgeschliffen (GS) werden, können nicht die Eigenschaften von KSGS Oberflächen erreichen. Kugelgestrahlte (KS) Oberflächen zeigen aufgrund der hohen Rauhigkeit das schlechteste Reibverhalten. Allerdings stellt sich heraus, dass sich diese Oberflächen im Betrieb sehr gut aneinander anpassen können. Eingelaufene KS Oberflächen weisen weiters einen um etwa 10% geringeren Reibwert im Vergleich zu nicht eingelaufenen Proben auf. Der Vergleich der Oberflächenparameter der verschieden bearbeiteten Oberflächen ergibt, dass der statistische Kennwert Schiefe ein sehr gutes Maß für das tribologische Verhalten von Oberflächen ist, wobei grundsätzlich eine möglichst kleine Schiefe anzustreben ist. Durch die abschließend durchgeführten numerischen Berechnungen kann das Verhalten der verschiedenen Modifikationsverfahren noch detaillierter untersucht werden. Es kann gezeigt werden, dass das Reibungsverhalten bei niedrigen Drehzahlen durch das Losreißen der Oberflächen dominiert wird. Bei höheren Drehzahlen überwiegt die Fluidreibung und die Berücksichtigung von nicht Newton’schen Fluidverhalten ist maßgebend. Durch die im Rahmen der Arbeit erzielten Ergebnisse aus Versuchen, optischer Analyse und numerischer Simulation, können konkrete Empfehlungen für eine gezielte Optimierung der Oberflächenstruktur von verschiedenen kontraformen Kontakten abgegeben werden.


Dipl.-Ing. Tim Haslinger

Titel: " Charakterisierung von Quellung und Medieneinfluss zur Lebensdauerbewertung von kurzglasfaserverstärkten Polyamiden"

Kurfassung:

Durch die ständig wachsenden Forderungen nach Leichtbau und Kostensenkung, kommen im Bereich des Motorraums von Kraftfahrzeugen zunehmend Komponenten aus kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz. Im Betrieb werden diese Bauteile häufig zyklischen Belastungen in Kombination mit Alterung durch aggressive Medien, wie z.B. Kühlflüssigkeit, ausgesetzt. Durch den Kontakt mit diesen Medien kommt es zudem bei hygroskopischen Kunststoffen zu Feuchtigkeitsaufnahme und einer daraus resultierenden Volumenvergößerung, welche als Quellung bezeichnet wird. Sowohl Alterungsprozesse, wie z.B. eine Verringerung der Faser-Matrix-Haftung, als auch Quellung führen im Allgemeinen zur Änderung der anisotropen Eigenschaften des Werkstoffs, was für die Bauteilauslegung zusätzlich berücksichtigt werden muss. Im Zuge dieser Arbeit wird ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid mit 50 Gew. % Faseranteil hinsichtlich Feuchtigkeitsaufnahme, anisotroper Quellung, Alterung und daraus resultierender Festigkeitsreduktion charakterisiert. Der Medieneinfluss auf die Festigkeit kann dabei durch quasistatische Zugversuche und einstufige Wöhlerversuche in Abhängigkeit der Faserorientierung dargestellt werden. Hierzu werden Zugprüfkörper aus einer spritzgegossenen Platte gefräst und bei 80 °C und 120 °C in reinem Wasser und Kühlflüssigkeit, einem 1:1-Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser, bis zu 1500 Stunden ausgelagert. Parallel zum experimentellen Teil der Arbeit wird zur Abschätzung der durch die Feuchtigkeitsaufnahme entstehenden Quellspannungen im Bauteil sowie des entstehenden Verzugs eine Simulationskette aufgebaut. Mit dieser kann, ausgehend von der Spritzgusssimulation hin zur anisotropen FE-Strukturanalyse, der Diffusionsprozess der Feuchtigkeit und die daraus resultierende Spannungsverteilung in Anlehnung an eine thermische FE-Rechnung simuliert werden. Diese Daten können anschließend zur Analyse des Quellverzuges von komplexen Bauteilen herangezogen werden. Die Versuche zeigten, dass eine Wasseraufnahme von bis zu 4,1 % zu einer Abnahme der statischen Festigkeitswerte von bis zu 55 % führt. An den in Kühlflüssigkeit bei erhöhten Temperaturen ausgelagerten Proben konnte eine weitaus drastischere Reduktion der Festigkeit um bis zu 85 % dokumentiert werden. Die zyklischen Versuche zeigten eine medienunabhängige, deutliche Abnahme der Schwingfestigkeit um bis zu 82 % sowohl bei Auslagerung in Wasser als auch im Glykol-Wasser-Gemisch.


Dipl.-Ing. Christian Garb

Titel: " Auswirkungen verschiedener Lastinteraktionen auf das Lebensdauerverhalten eines Vergütungsstahls"

Kurfassung:

Komplexe Last-Zeit-Verläufe und im Betrieb auftretende Überlasten sind ein zunehmend bedeutend werdender Faktor in der Betriebsfestigkeit. Diese in der Lebensdauerberechnung zu berücksichtigen ist aus heutiger Sicht nur teilweise möglich. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand eines Vergütungsstahls Methodiken zu erarbeiten und nötige Messgrößen zu isolieren, welche die versuchsbasierende Berücksichtigung komplexer Lastinteraktionen ermöglichen. Zunächst wird das quasistatische Verformungsverhalten des betrachteten Werkstoffes unter Zug- und Druckbelastung charakterisiert. Der Verlauf der quasistatischen Verformungseigenschaften wird mittels Näherungsfunktionen mathematisch formuliert. Es wird der Einfluss einer zyklischen Belastung mit hoher Mittelspannung und vergleichsweise kleiner Amplitudenspannung untersucht. Die Auswirkungen der Variation an Vorlast-Zyklen auf die Lebensdauer bei zyklischer Belastung unter wechselnder Last werden betrachtet. Ein Einfluss auf die Lebensdauer unter wechselnder zyklischer Belastung zeigt sich nur minimal durch die ersten Vorlast-Zyklen, danach ist innerhalb eines Streubandes keine Veränderung der Lebensdauer ersichtlich. Der Einfluss einer quasistatischen Vordehnung auf die Lebensdauer des Werkstoffes bei einer darauffolgenden zyklischen Belastung wird untersucht. Dabei wird einerseits das Niveau der quasistatischen Vordehnung, andererseits das darauffolgende Spannungsamplitudenniveau variiert. Die Ergebnisse werden zunächst in Anlehnung an die ASTM E 739, einer Empfehlung zur statistischen Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen, je Spannungsamplitudenniveau ausgewertet, wobei ein deutlicher Einfluss der Vordehnung auf die Lebensdauer festgestellt werden kann. Mit steigender Vordehnung sinkt die zyklische Lebensdauer des hier betrachteten Werkstoffes. Bei einer Vordehnung von 1 % wird die Lebensdauer bei der höchsten betrachteten Spannungsamplitude um bis zu 66 % abgemindert. Es wird ein dreiparametriger Näherungsansatz verfolgt um alle Versuchspunkte beschreiben zu können. Der entwickelte Näherungsansatz bildet das Lebensdauerverhalten, bezogen auf die jeweils betrachteten Spannungsamplitudenniveaus, verglichen mit den ASTM-Auswertungen unter Berücksichtigung einer gewisser Streuung, ausreichend ab. Es wird auch ein vereinfachter Näherungsansatz basierend auf Standardmaterialkennwerten entwickelt. Abschließend wird der Einfluss der zeitlichen Lage und der Anzahl einer quasistatisch eingebrachten Überlast während einer zyklischen Belastung untersucht. Je früher eine Überlast während einer zyklischen Belastung eingebracht wird, desto geringer fällt die Lebensdauer des Werkstoffes aus. Die Anzahl direkt aufeinanderfolgender Überlasten hat einen eher geringen Einfluss auf die Abnahme der Lebensdauer des untersuchten Werkstoffes. Die Erhöhung der Anzahl an periodisch eingestreuten Überlasten während einer zyklischen Belastung hat sehr wohl einen abmindernden Effekt auf die Lebensdauer des Werkstoffes.


Dipl.-Ing. Abdelfattah Lamik

Titel: " Ausgewählte Einflüsse auf das Rissfortschrittsverhalten am Beispiel zweier AlSi-Gusslegierungen"

Kurfassung:

Aluminium-Gussbauteile finden im Kraftfahrzeugbau in Motorkomponenten wie Zylinderkopf bzw. Getriebegehäuse vielfältige Anwendung. Durch steigende Anforderungen im Leichtbau verringert sich das Bauteilgewicht bzw. steigt die örtliche Beanspruchung. Dies führt zu technischer Rissinitierung bzw. nachfolgendem Bauteilversagen durch zyklisches Risswachstum. Bei den betrachteten Aluminium-Gussbauteillen treten Materialinhomogenitäten bzw. Defekte auf, welche risswachstumsfördernd wirken. Grund für den technischen Rissausgang sind lokale Spannungskonzentrationen an Fehlstellen, Poren oder Rissen. Die Mikrostruktur der Gusslegierung hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit aber auch hinsichtlich der Rissinitierung bzw. des Risswiderstandes. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei AlSi-Legierungen, AlSi7Mg und AlSi10Mg, untersucht und folgende Einflussgrößen charakterisiert: 1) Einfluss der Prüfmethodik: Hierbei wurde der Unterschied zwischen steigendem und fallendem Spannungsintensitätsfaktor mit fortschreitender Risslänge an geschliffenen, polierten und mit Initialrissen versehen Proben untersucht. Das Anschwingen erfolgte unter Druck, um eine möglichst geringe plastische Zone an der Rissspitze zu erreichen. Es zeigte sich, dass der Schwellwert bei der Methode mit fallendem Spannungsintensitätsfaktor auftgrund von Rissschließeffekten wesentlich höher ist. Für diese duktilen Werkstoffe ist ausschließlich eine Prüfung mit zunehmendem Spannungsintensitätsfaktor zum Erreichen reproduzierbarer Kennwerte zu empfehlen. 2) Einfluss der Korngröße: Die Untersuchung der mittleren Korngröße bei der Gusslegierung AlSi7Mg zeigt, dass mit zunehmender Korngröße der Schwellwert des Spannungsintensitätsfaktors zunimmt. Grund ist erhöhtes Rissschließen bei zunehmender Oberflächenrauheit der Rissflanken infolge großer Korngröße. 3) Einfluss des Spannungsverhältnisses: Bei Versuchen an der Gusslegierung AlSi10Mg zeigt sich eine Verschiebung des Spannungsintensitätsschwellwerts zu größeren Werten bei abnehmendem Spannungsverhältnis. Als Grund ist eine Reduzierung der effektiven Spannungsintensität bzw. Rissschließeffekte zu nennen. 4) Einfluss des Dendritenarmabstandes DAS bzw. der chemischen Komposition: Untersuchungen an der Gusslegierung AlSi7Mg zeigen, dass der DAS sich nur geringfügig ändert. Tendenziell wird mit höherem DAS der Schwellwert des Spannungsintensitätsfaktors ebenfalls höher. Die chemische Komposition zeigte bei den beiden Legierungen AlSi7Mg und AlSi10Mg einen eutektischen Anteil von 50 % bis 85 %. Es zeigt sich, dass die Korngröße der dominante Faktor für den Schwellwert ist. Lokale Unterschiede im Eutektikum führten bei den beiden betrachteten Legierungen zu keiner nennenswerten Schwellwertänderung. Abschließend erfolgte eine analytische Auswertung der gemessenen Kurven unter Anwendung verschiedener ein- und mehrparameteriger Ansätze im Schwellwertbereich und im Bereich des stabilen Risswachstums. Modelle zur Korrelation des Schwellwertes mit den wesentlichen Parametern Korngröße und Spannungsverhältnis wurden angegeben.  


Dipl.-Ing. Alexander Müther

Titel: " Entwicklung einer Auslegungs- und Optimierungsmethode für Hochdruckbauteile"

Kurfassung:

In hochbelasteten Bauteilen können durch unterschiedliche Fertigungsverfahren Eigenspannungen hervorgerufen werden, die die Gesamtspannung im Betrieb verringern. Um den Auslegungs? und Optimierungsprozess zu beschleunigen, stellen automatisierte Berechnungsabläufe dabei eine wertvolle Unterstützung dar. Diese Arbeit beinhaltet den Aufbau und die Anwendung eines analytischen Berechnungswerkzeuges mit MS EXCEL für die Bestimmung der Spannungszustände in hoch belasteten Bauteilen. Dabei werden die Berechnungen der Eigen-spannungs? und Betriebsspannungszustände von unterschiedlichen Herstellungsarten der Bauteile in das Auslegungswerkzeug implementiert. Die Berechnungen basieren auf Berechnungsvorschriften aus der Fachliteratur und dem ASME Code, der zusätzlich bestimmte werkstoffliche Effekte berücksichtigt. Zudem ermöglicht das Berechnungswerkzeug eine überschlagsmäßige Lebensdauerabschätzung auf Basis der linearen Schadensakkumulation nach Miner. Durch die Kopplung der erstellten Berechnungsblätter mit der frei verfügbaren Software DAKOTA ist die Optimierung von Spannungszuständen unter Berücksichtigung geometrischer und prozessspezifischer Eingangsgrößen möglich. Weiterhin erfolgt zur Validierung des entwickelten Werkzeuges und der implementierten Optimierungsstrategie eine Anwendung des MS EXCEL Tools auf ausgewählte hochbelastete Bauteile. Die Durchführung umfangreicher Optimierungsversuche ermöglichte die Identifizierung verschiedener Optima. Die Spannungen konnten hierbei bis zu 44 % reduziert werden und Belastbarkeiten bis zu 30 % bei gleichbleibender Schädigung erhöht werden.

2013

Dipl.-Ing. David Simunek

Titel: " Aufbau einer numerischen Simulationskette zur betriebsfesten Bewertung hochfrequent gehämmerter Schweißverbindungen" 

Kurzfassung:

Die Anwendung höherfrequenter Hämmerverfahren (HFH) zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen gewinnt in der Praxis zunehmend an Bedeutung und wird bereits verbreitet eingesetzt. Dabei wird mit Hilfe eines gehärteten Stahlbolzens der Schweißnahtübergang plastisch verformt, wodurch Druckeigenspannungen erzeugt, die Kerbwirkung reduziert, oberflächennahe Fehler entfernt und das Material lokal verfestigt wird. Die lebensdauersteigernde Wirkung der HFH-Verfahren wird derzeit in Regelwerken nur in Form globaler Konzepte berücksichtigt, wobei eine Auslegung komplexer Strukturen auf Basis lokaler Auslegungsmethoden nicht implementiert ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst experimentelle Untersuchungen anhand eines ausgewählten Hämmerverfahrens durchgeführt, um Informationen über die dynamisch wirkenden Kräfte und Eindrucktiefen beim Prozess zu erhalten. Diese Daten dienen als Eingangsparameter für den Aufbau einer Simulationskette, bestehend aus einer Schweißstruktursimulation, einer numerischen Analyse des Hämmerprozesses und einer lokalen Schädigungsberechnung. Durch den Einsatz der Schweißstruktursimulation werden der Eigenspannungszustand und die heterogene Gefügestruktur nach dem Fügeprozess bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen wird in weiterer Folge der HFH-Prozess numerisch abgebildet. Eine Studie der wesentlichen Prozessparameter zeigt den Einfluss der Nachbehandlung auf die lokale Nahtübergangstopographie und den sich bildenden Eigenspannungszustand. Durch Eigenspannungsmessungen mittels Röntgendiffraktometrie an der realen Probe lassen sich die numerisch ermittelten Ergebnisse verifizieren, wobei eine gute Übereinstimmung erzielt wurde. Abschließend werden mit Hilfe einer numerischen Lebensdauerabschätzung die versagenskritischen Bereiche der unbehandelten und HFH-bearbeiteten Verbindung gegenübergestellt und der Einfluss der geometrischen Kerbe, sowie der Eigenspannungen auf die lokale Schädigung analysiert.


Dipl.-Ing. Benjamin LEITNER

Titel: " Erweiterung des FKM-konformen Ermüdungsfestigkeitsnachweises für nichtproportionale Beanspruchungen"

Kurzfassung:

Für den rechnerischen Nachweis der Ermüdungsfestigkeit nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile sind nach der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ die Amplituden der Hauptnormalspannungen zu bestimmen, wobei dies im Fall nichtproportionaler Beanspruchungen aufgrund zeitlich veränderlicher Hauptspannungsrichtungen nicht unmittelbar möglich ist. Aus diesem Grund schlägt die FKM-Richtlinie eine Näherungslösung vor, die jedoch im Allgemeinen zu deutlich konservativen Ergebnissen führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Amplituden der Hauptnormalspannungen bei zeitlich veränderlichen Hauptspannungsrichtungen ermittelt werden können. Zu diesem Zweck wurde ein Tensortransformationsverfahren entwickelt und in ein bestehendes Softwarepaket implementiert. Darin werden die mithilfe einer Finite-Elemente-Berechnung linear-elastisch berechneten Spannungstensoren schrittweise in gedrehte Koordinatensysteme transformiert. In jedem dieser Rotationszustände wird ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach der FKM-Richtlinie geführt. Der Vergleichsauslastungsgrad wird dabei anhand der Interaktionsgleichung für proportionale bzw. synchrone Beanspruchungen mit Normalspannungsamplituden gebildet. Das Maximum der Vergleichsauslastungsgrade aller Rotationszustände kennzeichnet das ungünstigste Zusammenwirken der Normalspannungsamplituden und daher wird der Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Hauptnormalspannungsamplituden geführt. Zur Validierung des entwickelten Berechnungskonzeptes werden Ergebnisse von Betriebsfestigkeitsversuchen mit proportionalen und nichtproportionalen Beanspruchungen an Rundproben aus der Literatur den entsprechenden Berechnungsergebnissen gegenübergestellt. Dabei wird gezeigt, dass die Berechnungsergebnisse des FKM-konformen Tensortransformationsverfahrens bei nichtproportionalen Beanspruchungen im Vergleich mit Versuchsergebnissen auf der sicheren Seite liegen, jedoch gegenüber der FKM-Näherungslösung die Abweichung um rund 40% verringert werden kann. Das Verfahren bringt somit einen wesentlichen Vorteil bei der leichtbauoptimierten Auslegung nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile nach der FKM-Richtlinie.


Dipl.-Ing. Michael Auer

Titel: " Entwicklung eines Referenzbauteils zur Prüfung von dickwandigen Großgussbauteilen!

Kurzfassung:

Um eine gezielte Aussage über die Eigenschaften von Großgussteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit zu erhalten, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Referenzbauteil mit den charakteristischen Wandstärken und Eigenschaften einer Nabe einer Windkraftanlage entwickelt. Mithilfe einer neu zu konstruierenden Spannvorrichtung und der am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau vorhandenen Ausrüstung soll dieses Bauteil in vertretbarem Aufwand geprüft werden können. Durch gezielte konstruktive und gießtechnische Maßnahmen soll es möglich sein, die Qualität des Bauteils zu beeinflussen. Um Vergleichswerte für die Entwicklung dieses Referenzbauteils zu erhalten, wurde die Nabe mittels dem Finite-Elemente-Paket Abaqus strukturmechanisch simuliert und ausgewertet. Dabei sind Parameter wie das höchstbelastete Volumen und der Verlauf des Spannungsgradienten herangezogen worden. Durch unterschiedliche Beanspruchungssituationen konnten als Ergebnisse für das höchstbelasteste Volumen Werte im Bereich von 1200–1800 mm^3 und für den relativen Spannungsgradienten von 0,08–0,1 mm^(?1) als Parameter definiert und mit den Simulationsergebnissen des Referenzbauteils verglichen werden. Iterativ wurde so die Geometrie des Referenzbauteils an obige Werte angepasst und verbessert. Mithilfe einer Gusssimulation wurde mittels Mikromodellierung das Gefüge abgeschätzt. Bei Gusseisen mit Kugelgraphit kann so unter anderem die Anzahl der Graphitkugeln pro mm^2 numerisch ermittelt werden. Für einen Vergleich der Simulation mit dem Gefüge der Nabe wurden Schliffbilder und metallographische Analysen angefertigt und validiert. In den höchstbelasteten Bereichen wurde eine Graphitkugelanzahl von 40–70 Kugeln pro mm2 festgestellt. Basierend auf den Ergebnissen der Gusssimulationen wurde die Geometrie des Referenzbauteils weiter angepasst. Weiters wurde zur Prüfung dieses Referenzbauteils eine Spannvorrichtung konstruiert. Diese ermöglicht eine 4-Punkt Biegeprüfung mit sowohl schwellender als auch wechselnder Beanspruchung. Im Zuge der Konstruktion dieser Spannvorrichtung, wurden Berechnungen für die Spannkräfte sowie der Durchbiegung des Bauteils durchgeführt.


Dipl.-Ing. Philipp Bergmann

Titel: "Bauteilnahe Testmethodik für Grenzreibungszustände von Gleitlagerungen"

Kurzfassung:

Der Markt, die Umweltsituation sowie Gesetzgeber fordern eine stetige Reduktion der Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren. Um diesem Wunsch zu entsprechen, wird versucht mit Downsizing- und Leichtbaumaßnahmen die spezifische Leistung zu erhöhen sowie mit der Verwendung von niedrigviskosen Schmiermittel Reibungsverluste zu reduzieren um somit den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Die steigende Hybridisierung von Fahrzeugen ist eine weitere Maßnahme, die es ermöglicht die hochgesteckten Ziele zu erreichen. Im Zuge dessen erfährt die Start/Stopp-Technologie als Grundbaustein jeder Hybridklasse einen enormen Aufschwung. Für Gleitlagerungen bringen die gesetzten Maßnahmen erschwerte Betriebsbedingungen mit sich und erweitern die Bereiche der Grenz- und Mischreibung, in denen Gleitlager eine unzureichende Tragfähigkeit aufweisen, über einen größeren Drehzahlbereich. Zusätzlich verschärft wird diese Situation durch die Start/Stopp-Technologie, die für ein Gleitlagersystem ein häufiges Durchfahren der vergrößerten Bereiche der Grenz- und Mischreibung bedeutet. Herkömmliche Gleitlager sind dafür nicht ausgelegt, weswegen es notwendig ist, die Entwicklung voranzutreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aufbauend auf vorangegangenen Arbeiten eine Methodik mit Hilfe eines Gleitlageradapters, aufgebaut auf dem Rotationstribometer TE92HS, entwickelt, um bauteilnahe kostengünstige Untersuchungen an einem Gleitlagerersatzsystem durchführen zu können. Untersucht wurden unterschiedliche Werkstoffkombinationen, wobei als Zwischenmedium FVA-Öle verwendet wurden. Die daraus resultierenden Schlüsse sollen der zukünftigen Verbesserung des Tribosystems selbst und Tribokomponenten dienen. Im Zuge der einführenden Literaturrecherche wurde der Stand der Technik in den Bereichen Tribologie, Gleitlagertechnik, Start/Stopp-Technologie sowie aktuelle Prüfmethodik erfasst. Um tribologische Untersuchungen des Verhaltens von Gleitlagersystemen im Genz- und Mischreibungsbereich durchführen zu können, wurden zu Beginn Arbeiten am mechanischen Aufbau durchgeführt. Dadurch konnte neben den technischen Voraussetzungen auch eine erhöhte Messgenauigkeit hergestellt werden. Zu den bestehenden Messgrößen wurden zwei neue Messinstrumente hinzugefügt. Zum einen ist dies die Messung der akustischen Emissionen und zum anderen die High Speed Daten Aufzeichnung der Messgrößen Reibwert, Kontaktpotential und Drehzahl, die eine Erfassung mit hohen Frequenzen ermöglicht. Die in vorangegangenen Arbeiten installierte Messung des hydrodynamischen Schmierfilmdrucks erbrachte in Folge der durchgeführten Änderungen erstmals zuverlässige Ergebnisse. Das Gerüst aus den bestehenden Messgrößen Reibwert, Kontaktpotential und Temperatur wurde somit um diese Komponenten erweitert um vertiefende Aussagen über das Verhalten des Gleitlagerersatzsystems treffen zu können. Es stellte sich heraus, dass die Aufzeichnung der High Speed Daten Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten des mechanischen Aufbaus zulassen. Die Auswertung dieser Daten schafft neben detaillierten Einblicken in das Verhalten der Messgrößen auch eine Basis zur Evaluierung von zukünftigen Verbesserungen des mechanischen Aufbaus. Zusätzlich unterstützt wird die Methodik durch eine hydrodynamische Schmierfilmsimulation mittels COMSOL, welche einerseits der Validierung der durchgeführten Adaptierung diente und zusammen mit den aus Versuchen ermittelten Größen eine umfassende Basis bildet, tribologische Systeme zu beschreiben. Die Versuche zeigten, dass die Prüfmethodik detaillierte Aussagen über das Verhalten von unterschiedlichen Tribosystemen liefert. Einflüsse von Temperatur, Belastung, Oberflächenzustand und unterschiedlicher Werkstoffpaarung konnten charakterisiert und deren Einfluss auf Grenz-, Misch- und Flüssigkeitsreibung dargestellt werden. Abschließend wurden Empfehlungen ausgesprochen und zukünftige Schritte in Aussicht gestellt.


Dipl.-Ing. Philip Pichler

Titel: " Anwendung des lokalen Spannungskonzeptes zur Lebensdauerberechnung von kurzglasfaserverstärkten Spritzgusskomponenten"

Kurzfassung:

Kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe finden heutzutage ein breites Anwendungsgebiet. Vor allem als Metallersatz von Strukturbauteilen bieten sie aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit Vorteile in Bezug auf Leichtbau gegenüber druckgegossenen Metallkomponenten. Die Verarbeitung durch Spritzgießen bietet zudem die Möglichkeit Komponenten in Großserien sehr kosteneffizient zu produzieren. Aufgrund der Strömungsverhältnisse während des Verarbeitungsprozesses kommt es zu unterschiedlichen Orientierungen der Fasern, was dazu führt, dass die Eigenschaften richtungsabhängig sind. Ziel dieser Arbeit ist es eine Lebensdauerberechnung an einem realen Validierungsbauteil durchzuführen und dem Versuch gegenüberzustellen. Die dazu benötigten Werkstoffdaten, welche zum Teil in einem Werkstoffdatensatz in der Betriebsfestigkeitsoftware FEMFAT Verwendung finden, werden mit quasistatischen und zyklischen Versuchen ermittelt. Als Werkstoff dient ein thermoplastisches Polyetherimid mit einer Verstärkung von 30 Gew.-% an gemahlenen Glasfasern. Anhand von Norm- und aus Platten geschnittenen Kurzprüfkörper wurden Einflüsse wie Bindenaht, Faserorientierung und erhöhte Temperatur auf die Festigkeitswerte untersucht. Die Bindenaht reduziert die Schwingfestigkeit um ca. 48 %. Quer zur Spritzrichtung entnommene Kurzprüfkörper weisen im Vergleich zum längs Ausgeschnittenen eine um ca. 20 % geringere Schwingfestigkeit auf. Zusätzlich reduziert das Einwirken erhöhter Temperatur (T = 120 °C) die dynamische Festigkeit, abhängig vom der Hauptfaserorientierung, um bis zu 37 %. Schadensanalytische Methoden zeigen, dass die Fasern von der Matrix ausgezogen werden, was auf eine geringe Faser/Matrixhaftung schließen lässt. Zusätzlich wurde die Aufnahme von Feuchtigkeit untersucht. Die Lagerung von Normprüfkörpern in Raumklima und Wasser bei 50 °C zeigt eine Wasseraufnahme von bis zu 0,7%. Zur Prüfung der Komponente, bei welcher es sich um einen Linsenhalter eines Automobilscheinwerfers handelt, wurde eine Prüfvorrichtung konstruiert und gefertigt. Die an einer servohydraulischen Prüfmaschine ermittelten Lastzyklen bei schwellenden Lastfällen (Zug und Druck) dienen zur Validierung der Lebensdauerrechnung mittels FEMFAT. Die Kalkulation wurde mit zwei unterschiedlichen Werkstoffdatensätzen durchgeführt (isotrop und anisotrop unter Berücksichtigung der lokalen Faserorientierung). Die Gegenüberstellung von Simulation und Versuch zeigt, dass die Berechnung gute jedoch stets konservative Ergebnisse liefert. Je nach verwendeten Materialdatensatz und Lastfall ergeben sich, bezogen auf die Spannung, Sicherheiten von 1,2 bis 2. Dies bedeutet, dass der reale Bauteil unter zyklischer Belastung eine höhere Lebensdauer aufweist als in der Simulation berechnet. Die Kalkulation mit dem anisotrop ausgewerteten Materialdatensatz zeigt die geringsten Abweichungen zum Validierungsversuch.


Dipl.-Ing. Markus Otto

Titel: " Schweißnahtbewertung auf Basis von Volumsmodellen"

Kurzfassung:

Zur Unterstützung des Auslegungsprozesses komplexer Bauteilstrukturen sind numerische Hilfsmittel Stand der Technik. Um den Leichtbaugedanken erfolgreich umsetzen zu können, werden diese stetig weiter entwickelt und verbessert. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist eine verbesserte Methode zur numerischen Lebensdauerbewertung von linienförmig geschweißten Stahlverbindungen zu erarbeiten, welche in einen Postprozessor zur Betriebsfestigkeitsanalyse implementierbar ist. Im Rahmen einer umfangreichen Studie ausgewählter Hypothesen zur Lebensdaueranalyse von geschweißten Strukturen werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden aufgezeigt. Dabei wird auf eine mögliche Umsetzung in den Betriebsfestigkeits-Postprozessor FEMFAT WELD geachtet. Die Untersuchungen beziehen sich auf Stahlwerkstoffe und berücksichtigen den Einfluss der Blechdicke, von Schweißnahtanfängen, sowie mehrachsiger Beanspruchung. Bei der vorgeschlagenen Bewertungsmethode, welche auf der Methode des kritischen Spannungsabstandes basiert, werden die mittels Finite-Elemente-Methode berechneten Strukturspannungen von grob vernetzten Volumsmodellen anhand von Kerbwirkungszahlen zu den schädigungsrelevanten Effektivspannungen umgerechnet. Für die Ermittlung der Strukturspannungen werden unterschiedliche Möglichkeiten aufgezeigt, wobei die Untersuchungen zeigen, dass die lineare Spannungsextrapolation mit zwei Stützstellen zu bevorzugen ist. Zur Ermittlung der Schädigungssumme wird eine Masterwöhlerlinie angegeben und die lineare Schadensakkumulation angewendet. Die Kerbwirkungszahlen werden für unterschiedliche Schweißnahttypen und Beanspruchungsarten an ebenen Modellen mit einem Kerbradius von r = 0,05 mm an der Schweißnahtwurzel und dem Übergang ausgewertet und in einer Datenbank gespeichert. Hinsichtlich der Modellierung von Schweißverbindungen im Preprozessor werden mehrere Varianten diskutiert und eine Empfehlung zur Erzielung der besten Genauigkeit ausgesprochen. Um eine experimentelle Verifikation der numerisch bestimmten Lebensdauer zu ermöglichen, wurden verschiedene Schwingversuche aus der Literatur nachgerechnet. Diese Berechnungen wurden auch mit FEMFAT WELD und Methoden, basierend auf fein vernetzten FE-Modellen, durchgeführt. Somit ist ein direkter Vergleich der ermittelten Lebensdauern bei verschiedenen Konzepten möglich, wodurch die Berechnungsgenauigkeit, besonders bei komplexen Bauteilen und Beanspruchungen, durch die vorgestellte spannungsabstandsbasierte Bewertungsmethode optimiert werden kann.


Dipl.-Ing. Andreas Primetzhofer

Titel: " Gewichtsoptimierung und betriebsfeste Bewertung einer Seilkranlaufkatze"

Kurzfassung:

In den letzten Jahren haben die Ansätze des Leichtbaus, neben den traditionellen Sektoren der Automobil- und Flugzeugindustrie, in vielen weiteren Bereichen des Maschinenbaus immer mehr an Bedeutung gewonnen. Vor allem im mobilen Einsatz von Arbeitsmaschinen in der Forsttechnik spielt das Eigengewicht der eingesetzten Geräte aus ökologischer und ökonomischer Sicht eine wesentliche Rolle. Im Zuge dieser Diplomarbeit ist eine Seilkranlaufkatze hinsichtlich ihres Gewichtes optimiert worden. Da vor allem die Belastungen im Arbeitseinsatz nur wenig bekannt und in der vorhandenen Literatur nur allgemeine Lastfälle und -annahmen angeführt sind, werden diese in einer experimentellen Analyse ermittelt. Basierend auf diesen Lastfällen und numerischen Simulationsmodellen wurde eine Optimierung der Struktur vorgenommen. Ziel der Optimierung ist es das Gewicht der gesamten Struktur, bei gleicher Funktionalität, weitestgehend zu senken. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung im Holzabbau und damit zu gesteigerten Erträgen und einer geringeren Schädigung des Waldbodens. Durch die Topologieoptimierung konnte das Gewicht der optimierten Teile um rund 25% (ausgehend von deren ursprünglichen Gewicht) gesenkt werden. Die durch den numerischen Optimierungsprozess entstehenden, oftmals technisch nur bedingt herzustellenden Formen, wurden in weiterer Folge in eine fertigungsgerechte Konstruktion überführt. Weiters wurde in Zuge der Arbeit ein neues Gesamtkonzept erarbeitet, in welchem neben der Formoptimierung auch ein Materialwechsel, sowie der Einsatz neuer Technologien untersucht wurde. Unter Ausnutzung aller möglichen Einsparungspotentiale konnte das Gesamtgewicht um 20% gesenkt werden.


Dipl.-Ing. Christopher Ludwig

Titel: " Planung, Erfassung und Auswertung von Betriebsfestigkeitsversuchen unter Berücksichtigung statistischer Methoden"

Kurzfassung:

Der erste Teil der vorliegenden Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Auswahl und Entwicklung einer geeigneten Datenbank zur Speicherung von Versuchsergebnissen (Bereich low and high cycle fatigue). Dabei wurde besonderer Wert auf die Anforderungen des Lehrstuhls für Allgemeinen Maschinenbau gelegt. Dies ist wichtig, da jedes Jahr hunderte von Werkstoff- und Bauteilversuchen durchgeführt werden und die dabei entstehenden Daten für eine spätere Verwendung intelligent gesichert werden müssen. Die Literaturstudie zeigt, dass eine relationale Datenbank mit drei schichtigem Aufbau (Projekte, Versuchsreihen, Proben) die beste Lösung für den Lehrstuhl darstellt. Es wurde ein Prototyp der gewünschten Datenbank erstellt und zur weiteren Entwicklung an einen externen Spezialisten weitergegeben. Im zweiten Teil der Arbeit wurden mehrere Methoden zur näherungsweisen Bestimmung der Schwingfestigkeit für die spätere Versuchsplanung entwickelt und getestet. Diese Aufgabe bedarf großer Aufmerksamkeit, da sie als Grundlage für die Einteilung der zu prüfenden Lastniveaus dient. Alle Methoden wurden an acht verschiedenen Werkstoffen angewendet. Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass die Wahl eines Verfahrens einerseits von der Werkstoffgruppe der vorliegenden Probe und andererseits vom Endergebnis (Dauerfestigkeit oder Dauer- und Zeitfestigkeit) abhängt. Allgemein kann jedoch eine Empfehlung für die FKM und Hück Werkstoffgleichungen, das Locati Verfahren und die Rückrechnungsmethoden aus dem Zeitfestigkeitsbereich mit Ecklastspielzahl nach Radaj gegeben werden. Ein angehängter Leitfaden zur Planung von Wöhlerversuchen, aufbauend auf die beschriebenen Abschätzungsmethoden, soll den Mitarbeitern des Lehrstuhls in Zukunft eine Hilfestellung bei der Versuchsplanung bieten. Der dritte Teil der Diplomarbeit beinhaltet Verbesserungsvorschläge für die derzeit am Lehrstuhl verwendeten Auswertemethoden zur Lokalisierung der Wöhlerlinie. Dabei handelt es sich um die log10 Normalverteilung bzw. graphische Auswertung für den Zeitfestigkeitsbereich und das Arcsin?P bzw. Probit Verfahren für den Dauerfestigkeitsbereich. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Schätzgleichungen für die Bruchwahrscheinlichkeit und die Standardabweichung ungenaue Ergebnisse liefern. Um dieses Problem zu lösen wurden neu publizierte Formeln präsentiert und diskutiert.


Dipl.-Ing. Michael Spary

Titel: " Thermomechanische Ermüdung von bauteilnahen zylindrischen Hohlkörpern"

Kurzfassung:

Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel das Prüfungsgebiet für thermomechanische Ermüdung (thermo-mechanical-fatigue, TMF) zu erweitern. Die TMF-Prüfmethode zeigt gegenüber isothermen Versuchen bereits eine bessere Nachbildung der tatsächlichen Beanspruchung. Um diese Übereinstimmung weiter zu steigern werden TMF-Versuche an bauteilnahen Geometrien angestrebt. Einflussfaktoren welche beispielsweise geometriebedingter Natur sind, werden mit der Modellprobe (zylindrischer Vollkörper mit polierter Oberfläche), hier Standardprobe genannt nicht berücksichtigt. Bauteilversuche hingegen sind mit einem sehr großen Aufwand verbunden, daher werden in dieser Arbeit bauteilnahe Versuche an Rohren durchgeführt. Der TMF-Prüfstand wurde für die Anforderungen, welche der Hohlkörper in der Form eines zylindrischen Rohres mit einem Außendurchmesser von 23 mm und einer Wandstärke von 1 mm stellt, angepasst. Das Spannsystem, die Induktionsspule und die Art der Temperaturmessung wurden als Hauptkomponenten des TMF-Prüfstandes für den Einsatz von Rohren adaptiert. TMF-Versuche mit gleichen Prüfparametern für die Standardprobe und der Rohrprobe wurden durchgeführt. Die Phasenlage der thermischen zur mechanischen Dehnung erfolgte bei der ersten Versuchsreihe in gleicher Phasenlage (Inphase, IP) und in der zweiten Versuchsreihe um 180° Phasenversetz (Out of Phase, OoP). Einflüsse aus der Variation der Maximaltemperatur sowie aus den unterschiedlichen Dehnungsbehinderungen wurden in den beiden Versuchsmoden IP und OoP durchgeführt. Die entstandenen zeitlichen Verläufe von Spannung und Dehnung werden untersucht und miteinander verglichen. Die Spannungsverläufe im OoP-Versuch zeigen bei beiden Probenformen gleiche Verfestigungsmechanismen, bei IP-Versuchen sind die Spannungsverläufe von Rohrprobe und Standardprobe konträr. Der Vergleich der entstandenen Spannungs-Dehnungs Hysteresen zeigt eine gleiche Entwicklung bei beiden Probenformen im Laufe des Versuchs. Der Vergleich der Lebensdauer zwischen den beiden Probekörpern zeigt eine 3-fach höhere ertragbare Zyklenzahl der Standradprobe gegenüber der Rohrprobe. Die relative Änderung der Lebensdauer lässt erkennen, dass geänderte Prüfparameter auf jede Probenform die gleiche Auswirkung haben. Die abschließende Analyse der Bruchflächen von beiden Prüfkörpern zeigt ein ähnliches Schema im Schadensbild und im Risswachstum.


Dipl.-Ing. Markus Ottersböck

Titel: " Bewertung der Betriebsfestigkeit von Unterpulverschweißnähten basierend auf einer Schweißstruktursimulation"

Kurzfassung:

Durch den stetig vorangetriebenen Leichtbaugedanken ist eine möglichst genaue Abschätzung der Betriebsfestigkeit geschweißter Verbindungen unerlässlich. Die lokale Nahtübergangstopographie, Eigenspannungen und unterschiedliche Gefügezonen, welche durch den Schweißprozess ausgebildet werden, beeinflussen hierbei die Lebensdauer maßgeblich. Aufgrund der limitierten Anwendung von analytischen Methoden bei komplexen Strukturen werden zunehmend lokale Konzepte eingesetzt, welche auf numerisch ermittelten Beanspruchungen basieren. Bisher noch nicht durchgehend eingesetzt wird dabei die transiente Schweißstruktursimulation zur numerischen Berücksichtigung der Schweißung auf die Struktur. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, die anhand einer Schweißstruktursimulation ermittelten Schweißeigenspannungen in die numerische Betriebsfestigkeitsbewertung zu implementieren. Zusätzlich werden die unterschiedlichen lokalen Eigenschaften von charakteristischen, durch den Schweißprozess entstandenen, Gefügezonen im Hinblick auf die Lebensdauer berücksichtigt. Die gesamte Simulationskette wird in Anlehnung an eine zweilagige Unterpulverschweißnaht aufgebaut. Im Zuge der Arbeit werden auch die maßgeblichen technologischen Herstellungsprozesse, wie die mechanische Bearbeitung des geschweißten Bleches zur finalen Probengeometrie und dem Recken zur Eigenspannungshomogenisierung, abgebildet. Für die thermisch-mechanisch gekoppelte Schweißstruktursimulation wird das Finite-Elemente-Softwarepaket Sysweld verwendet. Es werden dabei die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften der einzelnen Gefügezonen eines Stahls sowie deren Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten berücksichtigt. Die numerisch ermittelten Schweißeigenspannungen werden durch röntgenographische Messungen an der betrachteten Unterpulverschweißnaht validiert. Die numerische Abschätzung der Lebensdauer der eigenspannungsbehafteten Schweißproben erfolgt mit der Software Femfat. Die dabei benötigten lokalen Schwingfestigkeitsdaten liefern experimentelle Ermüdungsversuche, welche sowohl am Grundmaterial als auch an einzelnen charakteristischen Gefügezonen durchgeführt werden. Eine abschließende Gegenüberstellung der Lebensdauer basierend auf Simulation und Versuch zeigt die wesentlichen Vorteile und auch Anwendungsgrenzen der vorgestellten Methodik auf.


Dipl.-Ing. Anton Lettner

Titel: " Simulation der Schlagverfestigung von gekerbten Rundproben mittels Nadelhammer"

Kurzfassung:

Für den Motorenbau übliche Kurbelwellen werden je nach Anforderungsprofil entweder als gegossene Kurbelwellen oder als geschmiedete Stahlkurbelwellen eingesetzt. Durch den konstruktionsbedingten Übergang zwischen Kurbelwellenwange und Lagerzapfen liegen scharfe Kerben vor. Dies bedeutet ein höheres Versagensrisiko durch die auftretende komplexe, schwingende Beanspruchung. Eine dauerfeste Auslegung ist daher für Kurbelwellen nur durch zusätzliche festigkeitssteigernde Maßnahmen in Form von Randschichtverfestigungsverfahren möglich. Im Rahmen der Diplomarbeit werden systematische Untersuchungen hinsichtlich der Eigenspannungseinbringung durch das Oberflächenverfestigungsverfahren Hämmern durchgeführt. Dabei wird der Mechanismus der Schlagverfestigung in einem Finite-Elemente Modell abgebildet. Schwerpunkt liegt dabei auf einer möglichst genauen Abbildung des Werkstoffverhaltens sowie einer realitätsnahen Nachbildung des Vorganges selbst. Darauf aufbauend werden Variantenstudien hinsichtlich unterschiedlicher Verfestigungsparameter (Überdeckung, Schlagkraft) miteinander verglichen. Anschließend werden Eigenspannungsmessungen an verfestigten Rundproben durchgeführt, die wiederum jenen der Simulation gegenübergestellt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass durch das Schlagverfestigen mittels Nadelhammer Druckeigenspannungen in einem Maß eingebracht werden, welches zu einer Steigerung der Schwingfestigkeit führt. Darüberhinaus wird das in der Simulation angewandte Werkstoffmodell durch Vergleich von Eigenspannungsmessungen am Probenkörper und den Ergebnissen der Simulation verifiziert.


Dipl.-Ing. Fleury Douto Nana

Titel: " Lebensdauerbewertung von Platten aus gegossenem Aluminiumknetwerkstoff AlMg4,5Mn0,7"

Kurzfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Schwingfestigkeits- und Lebensdauerverhalten von Platten aus einer gegossenen Aluminiumknetlegierung AlMg4,5Mn0,7, die mit dem Horizontal-Stranggussverfahren hergestellt wurden. Die Schwingfestigkeitsuntersuchungen wurden mit Charpy-V-Proben durchgeführt wobei das Werkstoffverhalten richtungsabhängig untersucht wurde. Für die Übertragbarkeit der Probenergebnisse auf Platten wurde ein rechteckiges Plattenmodell basierend auf der Kirchhoff-Theorie erstellt, wofür zwei Lösungsmethoden abgeleitet wurden. Einerseits wurde eine analytische Lösung und anderseits eine numerische Lösung erstellt, wobei die Ergebnisse gegenübergestellt wurden. Eine Finite-Elemente Simulationen mit ABAQUS basierend auf linear elastischen Materialdaten wurde für die Platte aufgebaut, womit für unterschiedliche Einspannbedingungen Berechnungen durchgeführt wurden. Für die Lebensdauerbewertung wurde eine Platte mit einer Kreis- bzw. Ellipsenbohrung versehen, und basierend auf den Berechnungen und Werkstoffuntersuchungen eine Lebensdauerberechnung mit der Betriebs-festigkeitssoftware FEMFAT durchgeführt. Zur Evaluierung der Lebensdauerberechnung wurde ein Prüfkonzept konstruiert. Die gesamten Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen zeigen nahezu identische richtungsunabhängige Schwingfestigkeitswerte in der Größenordnung von 27 N/mm2, damit zeigt sich isotropes Verhalten und eine Homogenität des Gussblocks. Die vergleichenden Ergebnisse der numerischen und analytischen Berechnungen an der Kragplatte (Fall 1) zeigen eine Näherung der analytischen Lösung bei dem 2D-Modell und einen erheblichen Unterschied mit der Lösung des 3D-Modelles. Im Gegensatz dazu gibt es bei beidseitiger Einspannung der Platte (Fall 2) eine Annäherung der analytischen Lösung mit dem 3D-Modell und einen Unterschied mit der Lösung des 2D-Modelles. Bei Einspannung benachbarter Seiten (Fall 3) ist die analytische Lösung mit den Lösungen des 2D- und 3D-Modelles nahezu ident. Hinsichtlich dreiseitiger Einspannung (Fall 4) hat das 3D-Modell die höchste Spannung gefolgt von der Spannung des 2D-Modelles und der analytischen Lösung. Eine umgekehrte Reihenfolge der Ergebnisse ergibt sich bei vollständiger Ein-spannung (Fall 5). Die Lebensdauerberechnung der Platten mit dem Kreis- und Ellipsenbohrungsmodell zeigt, dass die Ellipsenbohrung keinen Einfluss auf die Randbedingungen hat und daher zur Lebensdauerbewertung das örtliche Spannungskonzept auf Gradientenbasis für Platten mit unterschiedlichen Bohrungen vorgeschlagen werden kann.


Dipl.-Ing. Claudia Wagner

Diplomarbeitsthema:“ Untersuchung der Entstehung und Umlagerung von mechanisch und thermisch induzierten Eigenspannungen für die Nickelbasis-Legierung Inconel® 718

Publikationsjahr: 2013

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Eigenspannungen sind ein komplexes Thema. Während des Betriebs können sie positiven sowie negativen Einfluss auf die Festigkeit von Bauteilen haben. Um sie positiv zu nutzen, muss jedoch genug Erfahrung und Know-How über die Entstehung der Eigenspannungen vorhanden sein. Um dieses Verständnis zu erweitern, werden in dieser Arbeit Simulations-Modelle aufgebaut, die Eigenspannungen an der Nickelbasis-Legierung Inconel® 718, einem Hochtemperatur-Werkstoff aus der Luft- und Raumfahrt, untersuchen. Versuche untermauern die Ergebnisse der Simulation. Der erste Teil beschäftigt sich mit mechanisch induzierten Eigenspannungen, eingebracht durch Recken einer gekerbten Probe, bei denen es durch anschließenden Materialabtrag an der Oberfläche zur Umlagerung der Spannungen kommt. Schwerpunkt bilden jedoch thermisch induzierte Eigenspannungen, die beim Abkühlen von hohen Temperaturen entstehen. Werden Bauteile nach dem Schmieden wärmebehandelt kommt es zur Relaxation und Neubildung dieser Eigenspannungen. Nach Ausarbeiten eines geeigneten Versuchsaufbaus werden Inconel® 718-Proben von 1.000 °C bzw. 950 °C in Wasser abgeschreckt, während ihr Temperaturverlauf mit gemessen wird. Das Simulations-Modell basiert auf einem thermisch-mechanisch entkoppelten Verfahren. Die Genauigkeit der Eigenspannungs-Berechnung ist entscheidend davon abhängig, wie gut der örtliche Temperaturverlauf beim Abkühlen eines Bauteils berechnet werden kann. Dies hängt wiederum davon ab, wie realitätsnah die verwendeten orts- und temperaturabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten sind. Mithilfe eines in dieser Arbeit entwickelten Optimierungs-Tools können die Wärmeübergangskoeffizienten an die Realität angepasst werden. Die wichtigsten Ergebnisse bilden also die Simulation der Spannungsumlagerung nach dem Materialabtrag, die Entwicklung eines Versuchsaufbaus zum Einbringen von thermisch induzierten Eigenspannungen und die Ermittlung der Wärmeübergangskoeffizienten.

2012

Dipl.-Ing. Thomas Bumberger

Diplomarbeitsthema:“ Bearbeitungs- und Instrumentierungsvorschläge zur Echtzeiterfassung der Einwirkungen an Abbauwerkzeugen von Tunnelbohrmaschinen

Publikationsjahr: 2012

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die vorliegende Arbeit dient als Grundlage zur in situ Erfassung der Einwirkungen auf Abbauwerkzeuge (Disken) von Tunnelbohrmaschinen (TBM). Am Beginn stehen die Beschreibung des Systems TBM und deren Einsatzgebiet. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Disken beziehungsweise den unterschiedlichen Möglichkeiten zur Fixierung der Disken im Bohrkopf der TBM. Nach einer ergänzenden Literaturübersicht zu Dehnungsmessstreifen (DMS) und zur Finiten Elemente Methode (FEM) mit Abaqus/CAE folgt die Modellierung zweier ausgewählter Spannsysteme inklusive der Disken. Das Modell des sogenannten Wedge Lock Spannsystems wird zunächst im Originalzustand simuliert. Aus den Ergebnissen dieser Simulation werden geeignete Positionen identifiziert, welche sich für Modifizierungen eignen. Diese Veränderungen sind nötig, um Platz für die Applizierung von Messmitteln am betreffenden Bauteil zu ermöglichen. Abschließend erfolgt eine neuerliche Simulation des modifizierten Wedge Lock Systems und eine Diskussion der Ergebnisse. Das Steckachsensystem unterscheidet sich grundsätzlich in der Art und Weise, wie die Diske im Bohrkopf beziehungsweise in der Aufnahme fixiert wird. Aus diesem Grund ergeben sich Differenzen sowohl im Aufbau des Modells als auch in den Möglichkeiten zur Erfassung der Einwirkungen auf die Diske. Die Vorgehensweise bei der Modellierung des Steckachsensystems ist ähnlich jener des Wedge Lock Systems. Für das Steckachsensystem werden ebenso wie für das Wedge Lock System Vorschläge zur messtechnischen Instrumentierung und der dafür nötigen Veränderungen erarbeitet. Für Laborversuche mit einem Nachbau des Steckachsensystems und einer eigens dafür angefertigten Diske ist die Konstruktion einer Prüfvorrichtung notwendig. Diese soll die Aufspannung der Diske in eine vorhandene hydraulische Prüfpresse des Lehrstuhles für Subsurface Engineering ermöglichen. Die Konstruktion besteht aus einer Aufspannvorrichtung sowie einer geeigneten Lasteinleitung, welche die Abbildung unterschiedlicher Lastfälle erlauben. 


Dipl.-Ing. Christoph Hofbauer

Diplomarbeitsthema:“ Prinzipielle Anwendung des Eurocodes auf Komponenten einer ESU-Anlage

Publikationsjahr: 2012

Kurzfassung der Diplomarbeit:

In der vorliegenden Arbeit wird anhand der Drehsäule des Ofenkopfes einer ESU-Anlage die Anwendung des Eurocode 3 aufgezeigt. Die grundlegenden Anforderungen des Eurocode 3 bauen auf den Eurocode 0 bzw. den Eurocode 1 auf, weshalb im Speziellen folgende Normenwerke für die Bemessung herangezogen wurden: DIN EN 1990 – Grundlagen der Tragwerksplanung, DIN EN 1991-1-1 – Einwirkungen auf Tragwerke – Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke – Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau, DIN EN 1991-3 – Einwirkungen auf Tragwerke – Einwirkungen infolge von Kranen, DIN EN 1993-1-1 – Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Allgemeine Bemessungsregeln für den Hochbau, DIN EN 1993-1-5 – Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Plattenförmige Bauteile sowie die DIN EN 1993-1-9 – Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Ermüdung. Die höchstbelastete Stelle wurde mittels Methode der finiten Elemente lokalisiert. Dieser Bereich wurde einem umfassenden analytischen Nachweis gemäß Eurocode unterzogen. Es wurden die Nachweisführungen mittels Grenzzuständen der Tragfähigkeit (Lagesicherheit, Beanspruchbarkeit von Querschnitten, Stabilitätsnachweis), Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit (Verschiebungen) sowie der Ermüdungsnachweis erbracht. Wobei die Beanspruchbarkeit von Querschnitten unter Berücksichtigung der Methode der reduzierten Spannungen erfolgt ist.  


Dipl.-Ing. Michael Magritzer

Diplomarbeitsthema:“ Charakterisierung von wälzbeanspruchten Maschinenelementen durch tribologische Versuchstechnik

Publikationsjahr: 2012

Kurzfassung der Diplomarbeit:

An viele in der Technik häufig verwendete Maschinenelemente werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Tragfähigkeit bei Überrollbeanspruchung gestellt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema Rollkontaktermüdung. Einerseits mit der Charakterisierung von verschiedenen Werkstoffpaarungen am Zweischeibenprüfstand (Plint TE74) und andererseits mit der Entwicklung eines Prüfstandes für die betriebsnahe Prüfung der Baugruppe des Systems Nocke/Rollenstößel eines Großgasmotors. Im ersten Teil wurden die Werkstoffe Austempered Ductile Iron, Einsatzstahl und ein Schienenwerkstoff unter verschiedenen Kontaktpaarungen am Zweischeibenprüfstand untersucht. Im Zuge dessen, wurden die Auswirkungen auf das Verschleiß- und Schädigungsverhalten dieser Werkstoffe bei unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und Beanspruchungen mit und ohne Schlupf untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Verschleiß und Schädigung vor allem von Härte, Mikrostruktur und Beanspruchung abhängen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Konzeptierung, Entwicklung und Konstruktion einer Prüfanlage für die betriebsnahe Bauteilprüfung des Nocken/Rollenstößelkontaktes eines Großgasmotors, um die Tragfähigkeit von ausgewählten Ventiltriebselemeten und die Schmierfilmbildung zwischen Stößel und Stößelrolle in einem breiten Bereich untersuchen und optimieren zu können.  


Dipl-Ing. Fritz Oppliger

Diplomarbeitsthema:“ Auslegung und Konstruktion eines Harvesterkopfs in Leichtbauweise

Publikationsjahr: 2012

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die Anforderungen der Forstindustrie für anwendungsorientierten Leichtbau zur Gewichtseinsparung können durch den Einsatz hochfester Materialen, speziell angepasster Fertigungstechnologien und einer spannungsoptimierten Gestaltung der Bauteile erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Betriebsbedingungen des Harvesterkopfs Woody 60 mit Hilfe experimenteller Lastanalysen und Beschleunigungsmessungen als Basis für die begleitende numerische Berechnung bestimmt. Ausgewählte Komponenten mit hohem Leichtbaupotential werden hinsichtlich ihrer Gestalt, des Materials und des Fertigungsprozesses optimiert. Die im Betrieb auftretenden lokalen Strukturbelastungen werden mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) via Funkübertragung an signifikanten Stellen gemessen und als Lastkollektiv ausgewertet. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und zur entsprechenden Definition der numerischen Randbedingungen wurde eine begleitende numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation durchgeführt. Ergebnis dieser Betriebslasterfassung und der numerischen Auswertung der Grundlastfälle stellt die Kenntnis der höchstbeanspruchten bzw. hinsichtlich Leichtbaupotential ausnutzbaren Komponenten des Harversterkopfs dar. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Ausnutzung des Optimierungspotentials der Forstgreifer, der Antriebswalzeneinheit und der Rahmenkonstruktion. Unter der Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie den herstellungs- und montagebedingten Randbedingungen konnte für den Forstgreifer eine Stahlgusskonstruktion entwickelt und umgesetzt werden. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus wird der iterative Topologieoptimierungsprozess zur Reduktion des Gewichtes gegenüber der Ausgangsgeometrie unter Berücksichtigung einer maximalen Steifigkeit als Zielfunktion angewandt. Das Resultat der durchgeführten Topologieoptimierung am Walzenarm und der Vorschubwalze wurde als Designvorschlag unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Gesichtspunkte umgesetzt. Der Rahmen wurde mit Unterstützung einer numerischen Spannungsanalyse konstruiert. Das Zusammenspiel aus konstruktiven Leichtbau-Erfahrungswerten und die iterative Topologieoptimierung an ausgewählten Komponenten führte zu einer rund 12 %igen Gewichtsreduktion des neudesignten Harvesterkopfs gegenüber der Ausgangsvariante .


Dipl.-Ing. Lukas Rinnergschwentner

Diplomarbeitsthema:“ Schwingfestigkeitsuntersuchung sowie Form- und Topologieoptimierung an einem Aluminiumdruckgussgehäuse

Publikationsjahr: 2012

Kurzfassung der Diplomarbeit:

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.


Dipl.-Ing. Aleksandar Stanojevic

Diplomarbeitsthema:“ Automatische Parameterermittlung von thermo-mechanisch beanspruchten Proben

Publikationsjahr: 2012

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Im Zuge dieser Arbeit wurden zyklisch beanspruchte Werkstoffproben untersucht, wobei sich aufgrund zyklischen Ermüdungsverhaltens zwangsläufig Risse an der Oberfläche der Probe ausbilden. Um besseres Verständnis über das Verhalten von Rissen zu erhalten, wurde eine neue Methode entwickelt, die mittels digitaler Bildverarbeitung, automatisch Risse erkennt und daraus Rissparameter, wie z.B. Risslänge, Rissbreite, Rissabstand und Öffnungswinkel, berechnet. Zusammenhänge zwischen diesen Rissparametern und der Bruchschwingspielzahl konnten hergestellt werden. Außerdem wurde ein Programm erstellt, das Parameter für ein Materialmodell, welches in FE-Simulationsprogrammen zur Nachbildung des plastischen Verhaltens von Werkstoffen verwendet wird, ermittelt. Die vorgestellten Methoden wurden unter Verwendung von MATLAB erstellt und sollen die behandelnden Thematiken weitestgehend automatisiert behandeln, um personenbezogene Einflüsse zu minimieren und somit eine objektive Betrachtungsweise zu gewährleisten. Die Ermittlung der realen Bruchschwingspielzahl, welche eine deutlich höhere Bruchspannung erträgt, soll die versuchstechnisch bedingte Unzulänglichkeit, den Versuch erst bei Bruch oder dem Erreichen einer besonders niedrigen Spannung abzuschließen, kompensieren. Damit entspricht die Angabe des ermittelten Spannungs-Lebensdauer-Wertepaares realistischen Werten. Werden anhand gebrochener TMF-Proben („thermo-mechanical fatigue“ - Thermo-mechanische Ermüdung) Schliffe angefertigt und anschließend mikroskopiert, können an der Oberfläche der Probe Risse beobachtet werden. Wird nun ein Bild dieses mikroskopischen Bereiches aufgenommen, können Risse durch das Anwenden von bildverarbeitenden Methoden und eingeführten Algorithmen eindeutig erkannt und Rissparameter berechnet werden. Diese können den zuvor ermittelten realen Bruchschwingspielzahlen gegenübergestellt werden, womit sich Zusammenhänge von Rissparametern mit steigender Lebensdauer ableiten lassen. Ein weiterer Bereich dieser Arbeit befasst sich mit der automatischen Ermittlung von Materialparametern auf Basis des stabilisierten Zyklus bei halber Bruchschwingspielzahl, die das Nachbilden einer Spannungs-Dehnungs-Hysterese ermöglichen. Der temperaturabhängige Parametersatz, lässt sich durch Annäherung an den plastischen Bereich der gemessenen Hysterese ermitteln. Die Methoden wurden an zwei Versuchsserien mit unterschiedlichem Werkstoff angewandt. Anhand den gebrochenen Proben und den aufgenommenen Versuchsdaten, konnten sowohl die Ermittlung der realen Lebensdauer und der Materialparameter für das verwendete Materialmodell, als auch die automatische Risserkennung und Rissparameterberechnung, evaluiert werden. Die zufriedenstellenden Ergebnisse ermöglichen die Einbindung der vorgestellten Methoden im Auswerteprozess.   


Dipl.-Ing. Ivan Zivkovic

Diplomarbeitsthema:“ Einfluss multiaxialer Beanspruchung auf das Ermüdungsverhalten von Austempered Ductile Iron und Maraging Stahl

Publikationsjahr: 2012

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Im Betriebszustand unterliegt ein Bauteil im Allgemeinen einem zeitlich veränderlichen, multiaxialen Spannungszustand. Ursachen dafür sind kombinierte Beanspruchungen und komplexe Bauteilformen. Diese vielfältigen Einflüsse auf die Lebensdauer von Bauteilen und auf das Ermüdungsverhalten des jeweiligen Werkstoffes sind Gegenstand aktueller Forschungsvorhaben. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der systematischen Einteilung multiaxialer Beanspruchungskombinationen und der Definition einiger Haupteinflüsse auf das Ermüdungsverhalten. Bei den Einflüssen handelt es sich um die Beanspruchungsart, die Phasenverschiebung, das Frequenzverhältnis, den Mittelspannungseinfluss und die Probengeometrie. Daraus wird ein Prüfprogramm zur Bestimmung multiaxialer Werkstoffkennwerte von zwei ausgewählten Konstruktionswerkstoffen abgeleitet. Bei den Werkstoffen handelt es sich einerseits um ein hochfestes Gusseisen mit Kugelgraphit, Austempered Ductile Iron (ADI) genannt, und andererseits um einen hochlegierten, martensitaushärtenden Stahl, dem Maraging Stahl. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen teilweise große Auswirkungen auf das Ermüdungsverhalten. Lebensdauerverkürzenden Einfluss hat ein zunehmendes Frequenzverhältnis zwischen zwei Beanspruchungs-Zeitverläufen, wobei es zu einer Lebensdauerverlängerung bei einer Phasenverschiebung kommt. Festgestellt wird, dass Mittelspannungen und Probengeometrie bei kombinierter Beanspruchung einen vergleichbaren Einfluss wie bei uniaxialer Zug/Druck- Beanspruchung haben. Der Einfluss der Beanspruchungsart lässt sich bei kombinierter Beanspruchung zufriedenstellend durch das elliptische Bruchgesetz nach Gough/Pollard beschreiben. Auf Basis der Versuchsergebnisse wird eine Gegenüberstellung der mechanischen Eigenschaften von ADI und Maraging Stahls vorgenommen, wobei statische und dynamische Festigkeitswerte verglichen werden. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Festigkeitshypothesen und ihrer Eignung, das Ermüdungsverhalten der Werkstoffe abzubilden. Mit Hilfe eines, vom Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau entwickelten, Programmes werden die Festigkeitshypothesen getestet und die Ergebnisse mit den experimentell ermittelten Schwingfestigkeiten verglichen. Die besten Resultate für beide Werkstoffe zeigen die Festigkeitshypothesen nach Spagnoli, Liu/Zenner und Fröschl.

2011

Dipl.-Ing. Stefan Barwart

Diplomarbeitsthema:“ Entwicklung eines technologischen Verfahrens zur Herstellung von Panzerschichten mit Hartstoffpartikeln

Publikationsjahr: 2011

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Schneidezähne in Zerkleinerungseinheiten für die Wiederverwertung anfallender Rohstoffe müssen enorm hohe mechanische und abrasive Belastungen ertragen. Um möglichst lange Standzeiten bei geringem Verschleiß zu gewährleisten, werden solche Werkzeuge an der Eingriffsoberfläche gepanzert. Die in Vorversuchen getesteten Panzerungen bestehen aus einer eisenbasierenden Schweißnaht und eingestreuten Hartstoffpartikeln. Dieser Materialverbund in Form einer harten verschleißfesten Auftragschweißung an der Zahnspitze des zähen Schneidezahns kommt den gestellten Anforderungen an Verschleiß und mechanischer Belastung nahe. Mit dem „Einstreuselverfahren“ lassen sich hochabrasionsbeständige Panzerungen verwirklichen, welche den schlagenden Beanspruchungen von Schneidwerkzeugen in der Holz- und Müllaufbereitungsbranche bestmöglich standhalten. Charakterisierend für dieses Schweißverfahren ist die Einbringung von pulver- bis kornförmigen Hartstoffen in das noch flüssige Schweißbad. Für die in dieser Arbeit geforderten Schweißuntersuchungen wurde daher zunächst ein Versuchsaufbau zur Einbringung von Hartstoffen realisiert. Die Probeschweißungen zeigen, dass die Art des verwendeten Zusatzwerkstoffes und die eingestreute Hartstoffmenge einen starken Einfluss auf den Schweißprozess ausüben. Durch eine umfangreiche Parameterstudie an ebenen Probeplatten sind prozesssichere Schweißparameter für multiple Kombinationen von Zusatzwerkstoff und Hartstoff ausgearbeitet worden. Begleitende Gefügeanalysen und Härtemessungen bilden die Grundlage für eine Charakterisierung der lokalen Eigenschaften in der Schweißnaht. Weiterführende Vergleiche der heterogenen Schweißzusätze, eine Bewertung der Makrorisse und der Verteilung der eingebrachten, partikelförmigen Hartphasenanteile in der geschweißten Verbindung stellen einen wesentlichen Beitrag für die Auswahl der Panzerung dar. Eine nachfolgende methodische Auswertung liefert den tendenziellen Zusammenhang zwischen den einstellbaren Schweißparametern und dem daraus resultierenden Schweißergebnis. Eine Übertragung der an den Probeplatten gefundenen Schweißparametersätze ist auf den Schneidezahn als Grundlage für die experimentellen Untersuchungen von Verschleiß und Schwingfestigkeitsverhalten durchgeführt worden.  


Dipl.-Ing. Stefan Friedl

Diplomarbeitsthema:“ Simulation eines Festwalzprozesses unter Einbeziehung von Werkstoffmodellen

Publikationsjahr: 2011

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erstellung eines Simulationsmodells für den Festwalzprozess anhand gekerbter Proben und der damit verbundenen Induzierung von Druckeigenspannungen, welche eine deutliche Erhöhung der Schwingfestigkeit mit sich ziehen. Sämtliche Simulationen werden mit dem Finite-Elemente-Programm, Abaqus, durchgeführt. Für ein geeignetes Modell werden verschiedene Herangehensweisen an das Materialmodell, wie etwa die Betrachtung der duktilen Schädigung oder die Implementierung eines zyklischen Werkstoffmodells in die Simulation für den Festwalzprozess, gegenübergestellt und analysiert. Es wird die inkrementelle Schädigung dD als Funktion des Vergleichsdehnungsinkrements und der (über die Vergleichsspannung normierten) hydrostatischen Spannung dargestellt. Für das Combined Hardening Modell, durch welches ein zyklisches Werkstoffverhalten widergespiegelt werden kann, werden LCF-Versuche (Low Cycle Fatigue-Versuche) durchgeführt. Die experimentell ermittelten Materialdaten bzw. Hysteresen werden über das Combined Hardening Modell angenähert um so Werkstoffparameter für die Festwalzsimulation zu generieren. Weiters werden röntgenographische Eigenspannungsmessungen bei festgewalzten Proben durchgeführt. Um die Vorgänge bei der Eigenspannungsmessung näher zu betrachten, wird in dieser Arbeit der Materialabtrag und die damit verbundenen Spannungsumlagerungen simuliert. Auf Basis dieser Simulationsergebenisse wird auch die Theorie nach Moore and Evans behandelt. In Moore and Evans werden einfache Näherungen entwickelt, um aus dem gemessenen Eigenspannungsverlauf auf den ursprünglichen Verlauf zurück zurechnen. Durch die bessere Abbildung des Werkstoffverhaltens kann eine Optimierung bei der Simulation der durch den Festwalzprozess eingebrachten Eigenspannungen bewirkt werden, was eine Aufwertung des Simulationsmodells mit sich zieht.


Dipl.-Ing. Patrik Huter

Diplomarbeitsthema:“ Entwicklung einer Umlaufbiege-Prüfmaschine für die In-situ Untersuchung der Rissinitiierung und des mikrostrukturellen Rissfortschritts

Publikationsjahr: 2011

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Realisierung einer Umlaufbiege-Prüfmaschine, die es ermöglicht, in Verbindung eines konfokalen Laser-Au?ichtmikroskops, in-situ Rissinitierung und mikrostrukturellen Risswachstum zu untersuchen. Dazu wird eine Schwingprobe mit einem Prüfdurchmesser von 4 mm verwendet. Mit dieser Prüfmaschine kann das Verhalten des Kurzrisswachstums verschiedener Werkstoffe, wie Stahl, Gusseisen und Titan untersucht werden, unter Berücksichtigung der Gefügestruktur. Zudem kann die Prüfmaschine in eine Halterung umgebaut werden, die es ermöglicht, geöffnete Risse an der Schwingprobe in einem Rasterelektronenmikroskop zu untersuchen. Zunächst wurden verschiedenste Konstruktionsvarianten miteinander verglichen und die Geeigneteste ausgewählt. Über die Rahmenbedingungen von Festigkeitsberechnungen und Sicherheitsbestimmungen sind elektrische und mechanische Ausführungspläne erstellt worden, nach denen die Prüfmaschine gefertigt und montiert wurde. Die Steuerung erfolgt mit einer eigenen nach Bedienungsfreundlichkeit optimierten Anwendungssoftware. Erste Erfahrungen während der Inbetriebnahme konnten an Versuchen mit hochfesten Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) gesammelt werden. Die Testversuche verliefen besonders zufriedenstellend in bezug auf Genauigkeit, Einfachheit und Schnelligkeit. Zudem wurden die mit ADI gewonnenen Ergebnisse bruchmechanisch bewertet und diskutiert. Die Beobachtungen zeigten, dass mikrostrukturelle Risse innerhalb der ersten 10% der Bruchlastschwingspiele an den sichtbaren Graphitkugeln initiiert werden. Im fortschreitenden Ermüdungsvorgang brachen auch Risse durch, die knapp unterhalb der Ober?äche an Graphitkugeln initiiert wurden.


Dipl.-Ing. Wolfgang Richter

Diplomarbeitsthema:“ Betriebslastmessung und Strukturoptimierung eines stationären Metallrecyclingsystems

Publikationsjahr: 2011

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Eine beanspruchungs- und funktionsgerechte Konstruktion großer Strukturen stellt durch die oft unzureichend verfügbaren Informationen über die genauen Belastungen eine große Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird anhand eines stationären Metallrecyclingsystems eine Methodik dargestellt, durch welche Bauteile und Anlagen des Schwermaschinenbaus mit Hilfe von experimentellen Lastanalysen und begleitenden numerischen Berechnungen hinsichtlich Gestalt und Eigengewicht optimiert werden können. Dadurch ist auch eine Abschätzung der Betriebslebensdauer möglich. Dabei wurden die im Betrieb auftretenden Strukturbelastungen mittels Dehnmessstreifen (DMS) an signifikanten Stellen gemessen. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und als Eingang für die numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation wurden zusätzlich die wirkenden Betriebsdrücke in den Zylindern aufgezeichnet. Die Auswertung der Lastfälle ergibt einerseits die realen Belastungen der Anlage durch die Arbeitszylinder und die somit ins System eingebrachten Kräfte, als auch das für eine Betriebsfestigkeitsanalyse benötigte Lastkollektiv. Anhand dieser Datensätze wurden die lokalen Beanspruchungen im gesamten Modell, als auch in charakteristischen Baugruppen, mittels der FE-Software ABAQUS© ermittelt. Ein Abgleich der numerisch ermittelten mit den gemessenen Strukturspannungen lieferte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. In weiterer Folge wurde eine Lebensdauerbeurteilung unter Zuhilfenahme der Software FEMFAT© durchgeführt. Die iterative Strukturoptimierung der Rahmenkonstruktion erfolgte durch gesteuertes Deaktivieren von Elementen (Soft Kill Option-Methode) mittels der Software TOSCA©. Der vorgegebene Optimierungsraum wird beispielhaft an einer ausgewählten Strukturkomponente auf minimales Gewicht bei maximaler Steifigkeit berechnet. Bei gleicher numerisch ermittelter Lebensdauer wurde somit durch die in dieser Arbeit vorgestellte Optimierungsmethodik eine Gewichtsreduktion der optimierten Konstruktionsvariante von bis zu 40% gegenüber der Ausgangsversion erzielt.


Dipl.-Ing. Bernd Strohhäussl

Diplomarbeitsthema:“ Entwicklung einer Versuchsmethodik zur Untersuchung von Frettingbeanspruchung

Publikationsjahr: 2011

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Der Begriff „Fretting“ beschreibt einen komplexen Prozess, der durch eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei kontaktierenden Körpern hervorgerufen wird und sich in verschiedenen Schädigungsformen äußern kann. Die Lebensdauer von Bauteilen und Komponenten kann durch dieses Verhalten stark vermindert werden, wodurch dieser Vorgang zu einem ernstzunehmenden Problem unserer Zeit geworden ist. In der Fachliteratur werden überwiegend Hertz’sche Kontakte untersucht, da die Kontaktmechanik dieser Systeme bereits sehr intensiv erforscht und diesbezüglich auch sehr exakt beschrieben ist. Viel komplexer stellen sich in diesem Zusammenhang großflächige Kontakte dar, die zufolge ihrer Natur versuchstechnisch schwerer zu beherrschen und zu interpretieren sind. In maschinenbaulichen Anwendungen sind allerdings vorwiegend großflächige Kontakte von dieser Schädigung betroffen, wodurch der Bedarf einer geeigneten Versuchsmethodik für diese Systeme bereits seit langem vorhanden ist. In dieser Arbeit wurde diesbezüglich eine elektromotorisch direktangetriebene Prüfvorrichtung mit spezieller Belastungseinheit entworfen, die die Untersuchung von Frettingprozessen an großflächigen Kontakten ermöglicht. Die dafür aufwendige Regelung des Antriebs wurde speziell für Frettinguntersuchungen durch die Modifikation des PI-Reglers und der Einführung eines versuchstechnisch ermittelten Vorsteuerfaktors adaptiert. In einer ersten Versuchsserie, anhand des Systems Stahl/Stahl, wurde die Der Begriff „Fretting“ beschreibt einen komplexen Prozess, der durch eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei kontaktierenden Körpern hervorgerufen wird und sich in verschiedenen Schädigungsformen äußern kann. Die Lebensdauer von Bauteilen und Komponenten kann durch dieses Verhalten stark vermindert werden, wodurch dieser Vorgang zu einem ernstzunehmenden Problem unserer Zeit geworden ist. In der Fachliteratur werden überwiegend Hertz’sche Kontakte untersucht, da die Kontaktmechanik dieser Systeme bereits sehr intensiv erforscht und diesbezüglich auch sehr exakt beschrieben ist. Viel komplexer stellen sich in diesem Zusammenhang großflächige Kontakte dar, die zufolge ihrer Natur versuchstechnisch schwerer zu beherrschen und zu interpretieren sind. In maschinenbaulichen Anwendungen sind allerdings vorwiegend großflächige Kontakte von dieser Schädigung betroffen, wodurch der Bedarf einer geeigneten Versuchsmethodik für diese Systeme bereits seit langem vorhanden ist. In dieser Arbeit wurde diesbezüglich eine elektromotorisch direktangetriebene Prüfvorrichtung mit spezieller Belastungseinheit entworfen, die die Untersuchung von Frettingprozessen an großflächigen Kontakten ermöglicht. Die dafür aufwendige Regelung des Antriebs wurde speziell für Frettinguntersuchungen durch die Modifikation des PI-Reglers und der Einführung eines versuchstechnisch ermittelten Vorsteuerfaktors adaptiert. In einer ersten Versuchsserie wurde anhand des Systems Stahl/Stahl die Funktionsweise dieser Prüfmethodik ermittelt und mit Referenzuntersuchung durch eine etablierte Hydropuls-Versuchsmethodik validiert. Durch eine anschließende schadensanalytische Betrachtung wurden die auf den beiden Prüfvorrichtungen entstandenen Schadensbilder miteinander verglichen. Bei gleicher Parametrierung und Versuchsdauer weisen die Probenkörper der Hydropuls-Versuchsmethodik bedingt durch die Unterschiede in der Steifigkeit der Probeneinspannung und der unterschiedlichen Krafteinleitung eine weitaus stärkere Schädigung als die der elektromotorischen Variante auf, die sich eher bauteilnahe orientiert. Das großflächige Tragbild und dessen Reproduzierbarkeit bilden somit die Grundlage für eine detaillierte Visualisierung der Funktionsweise von Materialien, Beschichtungen und anderen Oberflächenmodifikationen, wodurch die entworfene elektromotorische-Versuchsmethodik eine entscheidende Erweiterung der Fretting-Untersuchungsmöglichkeiten am Lehrstuhl darstellt.  

 


Dipl.-Ing. Florian Summer

Diplomarbeitsthema:“ Tribometrisches Verhalten von geschmierten aluminiumbasierten Gleitsystemen

Publikationsjahr: 2011

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Durch steigende Anforderungen an die Funktionstüchtigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit tribologischer Systeme erreichen tribologische Gleitwerkstoffe zunehmend ihre Leistungsgrenzen. Rein empirische Verbesserungen können diese wachsenden Ansprüche nicht mehr erfüllen. Um diesen Erwartungen gerecht zu werden, muss das tribologische Gesamtsystem hinsichtlich Werkstoffkombinationen sowie Schmierstoffreaktionen gezielt untersucht und optimiert werden. In der Praxis erfolgt diese Charakterisierung hauptsächlich durch tribometrische Versuche. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden aluminiumbasierte tribologische Systeme durch tribometrische Untersuchungen auf ihre Leistungsfähigkeit und Funktionalität untersucht, wobei primär zwei Ziele verfolgt wurden. Einerseits stand die Wirkungsweise separater Gefügephasen auf das tribologische Verhalten eines Aluminiumbasismaterials im Vordergrund. Andererseits wurde die Anwendbarkeit alternativer Gegenkörpermaterialien zu Stahl für tribologische Prozesse untersucht. Das tribologische Ersatzmodell war ring on disc. Die experimentellen Untersuchungen wurden hinsichtlich charakteristischer Betriebsverhältnisse tribologischer Systeme untersucht. Zentrale Punkte waren dabei das Einlaufverhalten, der stabile Betrieb und die Belastungsgrenzen. Um die Vorgänge innerhalb des Reibkontaktes umfassend darzustellen, wurde im Anschluss an die tribometrischen Untersuchungen eine Schadensanalyse durchgeführt. Basierend auf den tribometrischen Ergebnissen und den Erkenntnissen der Schadensanalyse konnten umfassende Funktionsmodelle getesteter ausgewählter Materialien entwickelt werden. Diese Modelle liefern wertvolle Informationen hinsichtlich der Optimierung dieser Werkstoffe für tribologische Beanspruchungen. Es wurden signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen tribologischen Systemen festgestellt, sowie die Wirkungsweisen einzelner Parameter auf die verschiedenen Systeme dargestellt. Die angewandte Prüf- und Analysemethodik zeigte sich als geeignet für diese Art von tribologischer Charakterisierung.

 

2010

Dipl.-Ing. Miroslav Bosnjak

Diplomarbeitsthema:“ Einfluss des Kugelstrahlens auf die Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V

Publikationsjahr: 2010

Kurzfassung der Diplomarbeit:

In den meisten Bauteilen tritt durch die Belastung (Biegung, Torsion sowie deren Kombination) die maximale Beanspruchung in der oberflächennahen Schicht auf. Sind zusätzlich noch Kerben vorhanden, so erhöht sich die Beanspruchung in der Randschicht um ein Vielfaches. Um die Schwingfestigkeit zu steigern bietet es sich an, die lokale Festigkeit in dem Bereich der maximalen Beanspruchung zu steigern. Dazu werden diverse Oberflächenverfestigungsverfahren eingesetzt. Eines dieser Verfahren ist das Kugelstrahlen, das aufgrund seiner Einfachheit und Flexibilität verbreitet Anwendung findet. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden Druckeigenspannungen im Randbereich von Bauteilen induziert, die sich mit den Lastspannungen überlagern und dabei die zum Riss führenden Zugspannungen in der Randschicht reduzieren. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Einfluss des Kugelstrahlens auf die Schwingfestigkeit der Titanlegierung Ti-6Al-4V untersucht. Das umfangreiche Versuchsprogramm beinhaltete Umlaufbiege-, Zug/Druck-, Torsion- sowie Multiaxialermüdungsversuche. Letztere setzten sich dabei aus einer Kombination von Umlaufbiegung und Torsion zusammen. Um den Einfluss der Strahlintensität auf die Schwingfestigkeit zu ermitteln, erfolgte das Kugelstrahlen der Ermüdungsproben bei drei unterschiedlichen Intensitäten entsprechend den Vorgaben der Military Specification (MIL). Es wurden Eigenspannungsmessungen an den Proben durchgeführt, die jedoch mit ansteigender Strahlintensität kaum nennenswerte Unterschiede im Eigenspannungsprofil aufzeigten. In Zusammenhang mit den drei Strahlintensitäten erfolgte weiters eine Rauheitsmessung, bei der ein annähernd linearer Anstieg der Rauheiten mit steigender Strahlintensität festzustellen war. Die erhaltenen Schwingfestigkeitsergebnisse unter Umlaufbiegung zeigten beachtliche Steigerungen der Lebensdauer infolge des Kugelstrahlens. Der Grund dafür liegt in den induzierten Druckeigenspannungen, die die Rissausbreitung hemmen. In Abhängigkeit von der Spannungsamplitude konnten Anrisse sowohl unter der Oberfläche, als auch an der Oberfläche festgestellt werden. Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation konnten die mit den Druckeigenspannungen im Gleichgewicht stehenden Zugeigenspannungen ermittelt werden, welche hauptverantwortlich für die Rissinitiierung unter der Oberfläche sind. Bei größeren Spannungsamplituden überschreiten die ermittelten Vergleichsspannungen nach v.Mises an der Oberfläche die Grenze der Druckfließspannung von Ti-6Al-4V. Dadurch kommt es zum zyklischen Plastifizieren dieser Bereiche, was in weiterer Folge zu Anrissen an der Oberfläche führt. Aufgrund der unter Umlaufbiegung gewonnen Ergebnisse wurde eine neuartige Auswertung der Wöhlerlinie für Ti-6Al-4V gewählt. Zusätzlich wurde das Verhalten von kugelgestrahlten Proben bei unterschiedlichen Kerbgeometrien untersucht. Anhand der hier durchgeführten Versuche konnte kein Effekt des relativen Spannungsgradienten gezeigt werden. Mit Hilfe von Zug/Druck-Ermüdungsversuchen wurde der Mittelspannungseinfluss untersucht. Es konnte bei rein wechselnder Belastung im Bereich der Zeitfestigkeit eine Steigerung um den Faktor 30 erzielt werden. Bei schwellenden Belastungen geht der positive Effekt des Kugelstrahlens jedoch fast zur Gänze verloren. Mit Hilfe von Torsions- und Multiaxial-Schwingversuchen wurde die Wirkung der Mehrachsigkeit der Beanspruchung in Kombination mit gestrahlten Oberflächen beim Werkstoff Ti-6Al-4V erforscht. In beiden Fällen konnte eine Steigerung der Lebensdauer erzielt werden. Die vorhandenen Eigenspannungen wurden als eine Haupteinflussgröße auf die Schwingfestigkeit identifiziert, weshalb sie bei der Auslegung von Bauteilen besonders berücksichtigt werden müssen. Speziell bei Ti-6Al-4V können sich Zugeigenspannungen aufgrund der anomal hohen Mittelspannungsempfindlichkeit kritisch auf das Ermüdungsverhalten auswirken.


Dipl.-Ing. Josip Juric

Diplomarbeitsthema:“ Fretting-Wear und Fretting-Fatigue von Ti-6Al-4V

Publikationsjahr: 2010

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Titanlegierung und insbesondere Ti-6Al-4V zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und niedrige Dichte aus. Deshalb reichen die Anwendungsgebiete von Medizintechnik über Fahrzeugbau bis zur Luft- und Raumfahrt. Durch den zunehmenden Einsatz von Leichtbaukomponenten zur Gewichtsreduktion und Nutzlasterhöhung wird die Steifigkeit reduziert. Dies führt unter dynamischer Beanspruchung verstärkt zu oszillatorischen Schwingungen welche zu Fretting-Schädigungen und in weiterer Folge zum Versagen des Bauteils führen können. Das Fretting-Verhalten von Ti-6Al-4V wurde mittels Fretting-Wear und Fretting-Fatigue Versuchen charakterisiert. Fretting-Wear Versuche wurden durchgeführt, um das Verschleißverhalten in Abhängigkeit von Parametern wie Kontaktdruck, relative Amplitude und Fretting-Zyklen zu ermitteln. Basierend auf Fretting-Versuchen mit unterschiedlichen lokalen Temperaturen, verursacht durch die variierenden Testfrequenzen, wurde der Einfluss der Temperatur auf das Fretting-Verhalten ermittelt. Fretting-Fatigue Versuche wurden ausgeführt, um den Lebensdauerabfall im Vergleich zu normalen Ermüdungsversuchen zu bestimmen. Desweiteren wurde der Einfluss von verschiedenen Ti-6Al-4V Mikrostrukturen auf das Fretting-Wear und die Fretting-Fatigue Lebensdauer untersucht. Die Fretting-Wear Versuche zeigten, dass mit Anstieg der Fretting-Zyklen und der relativen Amplitude die Verschleißmasse ansteigt, während kein Einfluss des Kontaktdrucks festgestellt wurde. Im Vergleich der verschiedenen Ti-6Al-4V Mikrostrukturen, wies die bimodale Mikrostruktur die höchste Verschleißresistenz auf. Fretting-Fatigue Versuche zeigten, dass Fretting zu einem essentiellen Lebensdauerabfall im Vergleich zu normalen Ermüdungsversuchen führt. Die mill-annealed Mikrostruktur, führte dabei zu den höchsten Fretting-Fatigue-Festigkeiten. Die Fretting-Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V wurde mit existierenden Modellen und unter Zuhilfenahme der Finite-Elemente-Methode abgeschätzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass erhöhte Vergleichsspannungen im Fretting-Kontakt für die Fretting-Fatigue-Schädigung verantwortlich sind. Diese verursachen eine lokale Low-Cycle-Fatigue Belastung trotz globaler High-Cycle-Fatigue Belastung der Frettingprobe. Die durchgeführten Fretting-Versuche und die detaillierten Analysen bilden die Basis für eine Implementierung der Fretting-Schädigung in die Lebensdauerberechnung von Ti-6Al-4V Komponenten.


Dipl.-Ing. Herbert Krampl

Diplomarbeitsthema:“ Rechnerische und experimentelle Untersuchung der Schmierfilmbildung in geschmierten Tribokontakten

Publikationsjahr: 2010

Kurzfassung der Diplomarbeit:

In vielen Bereichen des Maschinenbaus treten hochbelastete Kontakte zwischen relativ zueinander bewegten Bauteiloberflächen auf. Um die Lebensdauer der an solchen Kontakten beteiligten Oberflächen, und damit der gesamten Bauteile, zu erhöhen, werden diese in der Regel geschmiert. Derartige Kontakte sind einer Vielzahl an Einflüssen, wie z.Bsp. durch Verschleißpartikel verunreinigtes Öl, hohe Kontakttemperaturen oder Versagen des die Oberflächen trennenden Schmierfilms ausgesetzt. Neben diesen Einflussfaktoren sind auch die im Kontaktbereich auftretenden Drücke infolge äußerer Lasten zu berücksichtigen. Die Kenntnis der hierbei auftretenden Hertzschen Pressung reicht jedoch nicht aus, um die Lebensdauer eines hochbelasteten, geschmierten Kontaktes zuverlässig abzuschätzen. Hierzu ist eine Kenntnis der durch das Schmiermittel entstehenden Drücke im Schmierspalt nötig, welche lokal die maximale Hertzsche Pressung maßgeblich überschreiten können. Im Zuge dieser Arbeit werden kommerzielle Softwarepakete auf ihre Eignung zur Lösung dieser elastohydrodynamischen Aufgabenstellung erprobt. Des Weiteren werden die hydrodynamischen Druckverteilungen und Schubspannungen im Schmierfilm in Roll- und Gleitkontakten analytisch ermittelt, um eine Basis der Kenntnisse über die im Schmierspalt auch bei vernachlässigbarer Deformation der Bauteiloberflächen auftretenden Strömungsphänomene aufzubauen. Die daraus ermittelten Kennfelder für Druck, Tragfähigkeit des Schmierfilms und Reibmoment durch Flüssigkeitsreibung werden zudem auch mittels Simulation erstellt, wobei sich im Vergleich mit der Analytik eine hohe Übereinstimmung ergibt. Zur Validierung der generierten Kennfelder wurde eine Prüfkonfiguration entwickelt, mit der es möglich ist, an einem Rotationstribometer den Druck im Schmierspalt zwischen einer Axiallagerprobe und ihrer Gegenprobe über eine Bohrung messtechnisch zu erfassen. Mit den dabei gemessenen Werten für Druck und Reibmoment werden anhand der zuvor generierten Kennfelder die sich einstellenden minimalen Schmierfilmdicken ho indirekt abgeschätzt. Dabei ergibt sich eine gute Übereinstimmung der ausgelesenen Werte für die minimale Schmierfilmdicke zwischen den einzelnen Kennfeldern.


Dipl.-Ing. Bernd Maier

Diplomarbeitsthema:“ Betriebsfeste Auslegung von Metallkompensatoren unter besonderer Berücksichtigung strömungsinduzierter Schwingungen

Publikationsjahr: 2010

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Kompensatoren mit metallischen Bälgen sind flexible Elemente in Rohrleitungen zur Aufnahme axialer, lateraler und angularer Verschiebungen. Aufgrund ihrer Form und Flexibilität sind sie anfällig für Schwingungen. Bei kritischen Durchströmgeschwindigkeiten entstehen Resonanzeffekte, die binnen kürzester Zeit zum Ausfall führen. Es gibt hier die Möglichkeit, ein sogenanntes Leitrohr in den Kompensator einzubauen, um diese Effekte zu unterbinden. Dies bedeutet jedoch eine unerwünschte Gewichtszunahme der gesamten Konstruktion. Ziel dieser Arbeit ist die Klärung der Frage, ob diese kritischen Durchströmgeschwindigkeiten formelmäßig erfasst werden können. Aufgrund ihrer umfassenden Berechnungsmethodik wird als Grundlage für die Berechnungen die DIN 14917 verwendet. Zum Vergleich wird die EJMA-Richtlinie herangezogen. Ansätze zur Berechnung von kritischen Durchströmgeschwindigkeiten werden der einschlägigen wissenschaftlichen Literatur entnommen. Zusammen mit der Berechnungsnorm werden diese Erkenntnisse in einem Berechnungsblatt in Microsoft Excel implementiert. Mittels Simulationen mit dem Finite-Elemente-Paket Abaqus wird gezeigt, dass die Ermittlung der Federrate die aussschlaggebende Fehlerquelle in der Berechnung der Eigenfrequenzen darstellt. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie das Ergebnis durch Kalibrierung an Versuchsergebnissen verbessert werden kann. Weiters wird eine Schnittstelle zwischen Microsoft Excel und dem Optimierungspaket DAKOTA entwickelt. Dies ermöglicht es, einen Kompensator sowohl normgerecht auszulegen als auch auf die auftretenden Belastungen zu optimieren. Mit dieser Koppelung kann binnen kürzester Zeit eine Vielzahl von Szenarien dargestellt werden. Dies stellt besonders bei immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten eine erhebliche Verbesserung der Methodik bei der Auslegung von Kompensatoren dar.


Dipl.-Ing. Michael Mairhofer

Diplomarbeitsthema:“ Lebensdaueroptimierung eines Haspeldorns auf Basis von Prozesssimulation

Publikationsjahr: 2010

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Zum Wickeln der fertiggewalzten Bänder befindet sich am Ende einer Warmwalzstraße eine Haspel. Der Dorn, um welchen das Band gewickelt wird, ist angetrieben und muss in gewissen Grenzen seinen Durchmesser verändern können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Lebensdauerermittlung bzw. optimierung dieses Haspeldorns, wobei besonderes Augenmerk auf den verbauten Spreizmechanismus gelegt wird. Die hohen Anwickelbelastungen bei dicken Bändern, die hohen Wickelgeschwindigkeiten bei dünnen Bändern und die thermischen Beanspruchungen bei längeren Verweilzeiten des fertig gewickelten Bundes am Dorn, verursacht durch Stromausfall, u. anschließender Kühlung mit Wasser stellen die Hauptbelastungen der Dornmechanik dar. Da die Belastungen auf den Dorn während des Anwickelns an der Anlage nicht gemessen werden können, müssen diese mit Hilfe einer dynamischen 2D-FEM-Simulation des Wickelprozesses in Abaqus bestimmt werden. In einer statischen FEM-Analyse wird der gesamte Haspeldorn als 3D-Modell nachgebildet, wobei die aus der Wickelsimulation ermittelten Lasten als Randbedingungen dienen. Anhand von zwei weiteren 3D-Modellen wird sowohl die Zentrifugalbelastung bei hohen Wickelgeschwindigkeiten als auch die thermische Beanspruchung nachgebildet. Aufgrund der Größe der Modelle muss zur Ermittlung der auftretenden Spannungen in den einzelnen Bauteilen der Mechanik auf die in Abaqus implementierte Submodell-Technik zurückgegriffen werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse über kritische Bauteile bzw. Lastfälle stellen die Basis für die anschließende Lebensdauerberechnung mit FEMFAT dar. Dabei wird für die am höchsten beanspruchten Bauteile die Sicherheit gegen Dauerbruch bzw. die Bruchlastspielzahl ermittelt. Zur Optimierung der Lebensdauer des Haspeldorns wird der Bauteil mit der geringsten Bruchlastspielzahl herangezogen. Dabei wird die zum Versagen führende Kerbe modifiziert und die auftretenden Kerbspannungen je Lastfall sowie die zu erwartende Lebensdauer neu berechnet. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die thermische Beanspruchung zu stark unterschiedlichen Temperaturgradienten im Spreizmechanismus führt. Die dadurch hervorgerufenen Verspannungen können jedoch als unkritisch eingestuft werden. Bei den beiden anderen Lastfällen liegen zwei Bauteile des Spreizmechanismus im Zeitfestigkeitsbereich. Durch die durchgeführte Optimierung am Bauteil mit der geringsten Bruchlastspielzahl kann sowohl die Lebensdauer dieses Teils als auch der gesamten Dornmechanik verzehnfacht werden.


Dipl.-Ing. Wolfgang Sailer

Diplomarbeitsthema:“ Methodenfindung zur Beschreibung der Vorgänge im Kontaktbereich bei Composite-Werkstoffen unter tribologischer Beanspruchung

Publikationsjahr: 2010

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Verbundwerkstoffe, auch Composites oder Compounds genannt, sind inhomogene Werkstoffe, die aus zwei oder mehr chemisch und physikalisch unterscheidbaren Phasen bestehen. Durch gezielte Kombination von Phasen mit unterschiedlichen Eigenschaften können Verbundwerkstoffe entwickelt werden, die die gewünschten Eigenschaften der Phasen vereinen und teilweise übertreffen. Auch bei tribologischen Anwendungen spielen Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle, z.B. in der Lager- oder Dichtungstechnik. In der Praxis erfolgen die Entwicklung und Charakterisierung dieser Werkstoffe hauptsächlich durch tribometrische Versuche. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterstützende Methoden zur tribologischen Charakterisierung partikelverstärkter Werkstoffe entwickelt. Nach einer theoretischen Einführung in die tribologische Wirkungsweise inhomogener Werkstoffe wird Entwicklung unterschiedlicher dreidimensionaler Finite-Elemente-Methode-Simulationsmodelle in ABAQUS beschrieben. In einem Einheitszellenmodell wurde die tribologische Tragfähigkeit eines PTFE/Bronze-Composites simuliert und Parameterstudien mit unterschiedlichen Belastungen (2,5 N/mm, 5 N/mm, 7,5 N/mm, 10 N/mm), Partikelgehalten (8 %, 12 %, 25 %), Temperaturen (-15°C, 23°C, 100°C) und Matrix-Partikel-Bindungen (rein form- und reibschlüssig eingebunden, fix eingebunden) für elastisch-plastisches Materialverhalten durchgeführt. Zwei weitere Modelle beziehen das zeitabhängige viskoelastische Kriechverhalten von PTFE in die Simulation mit ein. Ein viertes Modell simuliert das Aufschmelzen von Weichphasen in einem metallischen Gleitwerkstoff. Der praktische Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methodik zur In-Situ-Untersuchung der Reibfuge während des Gleitvorganges. Ein dazu konstruiertes und gebautes Tribometer mit der Versuchsanordnung Pin-on-Plate ermöglicht die Beobachtung der Reibfuge unter einem Auflichtmikroskop während des Reibvorganges gegen eine Glasplatte. Zur Validierung der entwickelten Methode wurden unterschiedliche Versuche mit PTFE/Bronze-Compound- und organisch/anorganisch gefüllten TPU-Proben durchgeführt. Neben glatten Glasplatten kamen zur Untersuchung abrasiver Verschleißvorgänge auch quer zur Gleitrichtung aufgeraute Glasplatten zum Einsatz. Die reale Kontaktfläche und die freigelegten Partikelanteile an der Oberfläche konnten mit dem Phasenanalyse-Tool der Bildverarbeitungssoftware Olympus Analysis erfasst werden. 


Dipl.-Ing. Peter Steiner

Diplomarbeitsthema:“ Optimierung des passiven Fahrschwingungstilgers eines Radladers

Publikationsjahr: 2010

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Um den Ansprüchen einer höheren Fahrgeschwindigkeit und eines verbesserten Fahrerkomforts gerecht zu werden, ist es notwendig, die Schwingungen, welche beim Betrieb des Radladers auftreten, so gering wie möglich zu halten. Weiters wirkt sich eine Schwingungsminimierung aus Sicht der Betriebsfestigkeit positiv auf die Lebensdauer der Komponenten aus. Da ein Radlader über keine Fahrwerksfederung verfügt, sind die Reifen und der passive hydropneumatische Fahrschwingungsdämpfer die einzigen Systeme, welche im Stande sind, diese auftretenden Schwingungen zu dämpfen. Der Fahrschwingungsdämpfer ist ein Schwingungstilger, bei dem das Hubgerüst des Radladers als Tilgermasse dient, die hydropneumatische Speichereinheit die Feder des Tilgers darstellt und die Dämpfung durch die hydraulischen Widerstände abgebildet wird. Dieser Schwingungstilger kann sowohl Hub- als auch Nickschwingungen minimieren, wobei aus Sicht der Sicherheit das System auf die Nickschwingungen abgestimmt werden sollte, um die Radlastschwankungen so gering wie möglich zu halten. Bei der Auslegung dieses hydropneumatischen Fahrschwingungsdämpfers steht man der Herausforderung gegenüber, dass die Nickfrequenz des Fahrzeugs mit zunehmender Beladung abnimmt und die Eigenfrequenz des hydropneumatischen Federungssystems einen progressiven Verlauf, bei steigender Beladung, aufweist. Aus diesem Grund sieht man sich der Problematik gegenübergestellt, dass bei einem vorgegebenen, unveränderlichen Vorfüllvolumen und einem vorgegebenen, unveränderlichen Vorfülldruck des Speichers das System nur in einem Betriebspunkt optimal ausgelegt ist. Die Lösung dieser Problemstellung ergibt sich durch den Einsatz einer Speichereinheit, die mit verschiedenartigen Speichern bestückt ist, welche ein unterschiedliches Vorfüllvolumen und einen unterschiedlichen Vorfülldruck aufweisen. Durch analytische Betrachtungen und einer kombinierten Hydraulik- und MKS-Simulation wurde das Systemverhalten untersucht und eine optimale Abstimmung der Speichereinheit gefunden.

2009

Dipl.-Ing. Kamju Azizi

Diplomarbeitsthema:“ Bewertung von Antriebskonzepten für die Lineareinheit eines Blockgerüsts

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Böhler Edelstahl GmbH & Co KG besitzt ein Block- und Grobwalzwerk zur Erstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Blockformate. Eine wichtige Rolle spielt hier das Blockgerüst mit ihren mehrkalibrigen Walzen und die dafür erforderliche Lineareinheit als Verschiebeeinrichtung. Die Verschiebeeinrichtung ist neben dem Verschieben der Blöcke in das dafür vorgesehene Kaliber auch noch für das Kanten und Richten der Blöcke zuständig. Im Laufe der Jahre stiegen die Anforderungen an die Lineareinheit. Zum einen wurde das Blockgewicht auf das Vierfache erhöht, zum anderen wurden immer wieder neue Edelstahlmarken mit höheren Umformwiderständen entwickelt. Durch diese höheren Anforderungen kam es zu vermehrten Ausfällen der Anlage und zu unplanmäßigen Stillständen und Produktionsausfällen. Die Ausfälle waren zumeist durch Wellenbrüche im Antriebsstrang der Lineareinheit bedingt. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Bewertung von Antriebskonzepten für die Lineareinheit des Blockgerüsts. Bei der für die Modernisierung erforderlichen Analyse der Funktionsweise der Lineareinheit zeigte sich der gekoppelte Antrieb als Schwäche. Durch das gekoppelte Antreiben einer Linealseite durch einen Antriebsstrang kommt es bei der einseitigen Richtarbeit zu extrem hohen Reaktionskräften. Bei der Recherche alternativer Antriebsvarianten wurde darauf geachtet diese funktionelle Schwäche zu beseitigen. Zwei dieser alternativen Lösungsvarianten, ein hydraulisches und ein mechanisches Konzept, wurden einer Machbarkeitsstudie unterzogen. Durch eine anschließende technische und wirtschaftliche Bewertung wurden die Schwächen und Stärken der jeweiligen Konzepte bestimmt. Als technisch und wirtschaftlich vorteilhaftestes Konzept stellte sich die mechanische Lösungsvariante heraus. Zur Charakterisierung des Schwingverhaltes des neuen mechanischen Konzeptes im Vergleich zum bestehenden Linearantrieb wurde eine Mehrkörpersimulation durchgeführt. Die anhand der Simulation erhaltenen Kräfte führten bei der darauffolgenden Lebensdauerberechnung zu dem Ergebnis, dass beim neuen Antriebssystem eine viereinhalb Mal höhere Lebensdauer zu erwarten ist als bei der bestehenden Anlage.


Dipl.-Ing. Martin Fortin

Diplomarbeitsthema:“ Vorgehensweise zur Implementierung von Werkstoffmodellen in die Lebensdauerbewertung thermo-mechanisch beanspruchter Bauteile

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verifizierung von Methoden zur Abschätzung der Lebensdauer sowie der Parametrierung und Implementierung von Werkstoffmodellen zur Untersuchung der Belastungssituation von thermo-mechanisch beanspruchten Bauteilen. Es wird ein Überblick von Werkstoffmodellen und deren Möglichkeit zur Anwendung hinsichtlich der Verwendung zur Simulation thermo-mechanisch beanspruchter Bauteile gegeben. Dazu wurden verschiedene Modelle zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens, die im kommerziellen Finite Elemente Solver Abaqus enthalten sind, bezüglich ihrer Anwendung zur Simulation untersucht. Im Zuge der Arbeit wurde eine Routine zur Erstellung von Materialparametern für das nonlinear isotropic/kinematic hardening Modell aus TMF-Versuchsdaten erstellt. Die Parametrierung dieser Größen basiert auf im Versuch gemessenen Spannungs-Dehnungs-Verläufen, wobei die Ermittlung der Parameter mittels einer uneingeschränkten nichtlinearen Optimierung in Matlab erfolgt. Mit dem gewählten Materialmodell ist es möglich, komplizierte Belastungssituationen bei überlagerter thermischer und mechanischer Beanspruchung in komplexen Bauteilen nach zu bilden. Zur qualitativen Verifizierung der durch die generierte Routine berechneten Materialparameter wurde ein Simulationsmodell erstellt und die gefundenen Parameter in dieses eingebunden. Die Implementierung des Werkstoffmodells erfolgte über eine User Subroutine, die abhängig von der Belastungssituation die entsprechenden Parameter zur Abbildung des Werkstoffverhaltens auswählt. Dieser Vorgang ermöglicht es, die Belastungen in der Struktur abhängig von Temperatur, Dehnungsbehinderung und Belastungsrichtung zu ermitteln. Die in der Simulation ermittelten Spannungs- und Dehnungsgrößen werden als Grundlage für eine Lebensdauerabschätzung herangezogen. Dabei werden unterschiedliche Konzepte miteinander verglichen und gegenübergestellt sowie deren Aussagekraft qualitativ bewertet. Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die wesentlichsten Methoden zur Lebensdauerbewertung von thermisch und mechanisch beanspruchten Bauteilen und zeigt die Möglichkeit der Anpassung und Implementierung eines Werkstoffmodells in einen kommerziellen FE-Solver.


Dipl.-Ing. Philip Herics

Diplomarbeitsthema:“ Entwicklung eines neuartigen Prüfkonzepts zur Ermittlung der lokalen Zahnfußtragfähigkeit von Hypoidtellerrädern

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die Automobilindustrie ist ständig bestrebt, durch innovative Ideen, die Produktionskosten für Getriebebauteile zu senken und gleichzeitig die Tragfähigkeit der Komponenten zu steigern. Für die Ermittlung der Zahnfußtragfähigkeiten von komplexen Hypoidtellerrädern ist bislang noch kein Prüfverfahren im Einzelkontakt bekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit soll daher die Konzeption und Konstruktion einer Prüfvorrichtung zur Bestimmung der Zahnfußtragfähigkeit einer speziellen Hypoidtellerradvariante sein. Die lokal auftretenden Zahnfußspannungen, welche durch die unterschiedlichen Tragbildvariationen resultieren, werden mittels Finite Elemete (FE) Simulationen bestimmt. Durch die FE Simulation kann die lokale Bauteilwöhlerlinie auf notwendige Spannungswerte skaliert werden. Das neu entwickelte Prüfkonzept eignet sich sehr gut zur Bestimmung der Zahnfußtragfähigkeit von Hypoidtellerrädern. Zusätzlich zeigt der Ergebnisvergleich der ertragbaren Zahnfußspannung zweier Hypoidtellerradvarianten mit unterschiedlicher Einsatzhärtetiefe die Relevanz der Randschicht auf.


Dipl.-Ing. Stefan Hölbfer

Diplomarbeitsthema:“ Wirkungsgraduntersuchung von Zahnradpaaren auf Basis von RCF-Versuchsmethodiken

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein versuchsbasiertes Verfahren entwickelt, welches es ermöglicht, den Wirkungsgrad bzw. die Reibungsverluste von Zahnradpaaren abzuschätzen. Hierfür wurde im ersten Teil der Arbeit eine Literaturrecherche über Zahnradtribologie durchgeführt. Die Schwerpunkte waren dabei: Die Entstehung des Reibverlustes, sein Zusammenhang mit der Verzahnungsgeometrie und die wichtigsten Einflussgrößen und das Verbesserungspotential durch technologische Maßnahmen. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet eine Verzahnungskorrektur einer FZG- C Verzahnung. Es wurde versucht, die Verzahnung hinsichtlich Wirkungsgrad zu optimieren. Die gefundenen Optima wurden abschließend gegenübergestellt. Im dritten Teil wurde eine neuartige Prüfzelle entwickelt die es ermöglicht, die Reibungsphänomene zwischen zwei Prüfscheiben hochgenau zu untersuchen. Die Prüfzelle wurde so konstruiert, dass sie auf dem institutseigenen Tribometer TE77 aufgesetzt wird. Die Prüfzelle ermöglicht es, die Last- und Bewegungsverhältnisse eines allgemeinen Zahnkontaktes bei auftretendem Schlupf nachzubilden wobei die Traktionskomponente der Reibung gemessen wird. Außerdem wurde bei der Konstruktion berücksichtigt, dass genügend Platz für notwendige Messgeräte vorhanden ist. Die Auslegung der Prüfzelle sieht vor, dass auch eine Schlupfkomponente in Querrichtung simuliert werden kann, wie sie beispielsweise bei Hypoidverzahnungen auftritt.


Dipl.-Ing. Paul Kainzinger

Diplomarbeitsthema:“ Entwicklung einer flexiblen Programmarchitektur zur Gestaltoptimierung mit Finiten Elementen

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine flexible Schnittstelle (Interface for Parametric Optimization, IPO) zwischen dem Finite Elemente Programm Abaqus und der Open Source Optimierungsbibliothek DAKOTA (Design Analysis Kit for Optimization and Terascale Applications) entwickelt. Finite Elemente Modelle können mit Abaqus parametrisiert und auf eine beliebige Zielfunktion unter Berücksichtigung von optionalen Restriktionen optimiert werden. Alle in Abaqus verfügbaren Ausgabevariablen können beliebig zu Zielfunktionen oder Restriktionen kombiniert werden. DAKOTA bietet eine Vielfalt an unterschiedlichen Algorithmen für Optimierungen, Parameterstudien, die Bestimmung von Unsicherheiten sowie viele weitere Anwendungen. Gradienten--basierte Verfahren sowie gradientenfreie Methoden wie z.B. evolutionäre Algorithmen können zur Optimierung verwendet werden. Das IPO kombiniert die Vorteile beider Programme, die Fähigkeit von Abaqus hoch nichtlineare (material-- sowie geometrische Nichtlinearitäten) Probleme zu lösen sowie die weitreichenden Optimierungsmetoden bzw. Möglichkeiten für Parameterstudien von DAKOTA. Die von Abaqus zur Verfügung gestellte Python Programmierschnittstelle dient als Basis für die entwickelte Software, da auf alle Pre-- bzw. Postprocessing Befehle einfach zugegriffen werden kann. IPO wurde objektorientiert in der Programmiersprache Python geschrieben, da dies sehr gut zu der vorhandenen Programmierschnittstelle passt, bzw. eine spätere Erweiterung erleichtert. Die entwickelte Software wurde anschließend auf zwei Beispiele wurden anschließend angewandt, die Gewichtsoptimierung einfaches Fachwerk und einer aufwändigeren Brückenkonstruktion. Diese beiden Fachwerke wurden auf ihr Gewicht hin optimiert. Verschiedene unterschiedliche Optimierungsalgorithmen wurden untersucht und deren Vor-- bzw. Nachteile diskutiert.


Dipl.-Ing. Martin Leitner

Diplomarbeitsthema:“ Lebensdauererhöhung und Kostensenkung durch die Ermittlung der optimalen Einsatzhärtetiefe an Zahnrädern infolge experimenteller und numerischer Untersuchungen

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Für die Auslegung von Verzahnungen ist die Kenntnis über die Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit von großer Bedeutung. Speziell die hoch beanspruchten Regionen in der Randschicht des Zahnfußes haben hohen Festigkeitsanforderungen genüge zu leisten. Aus diesem Grund zählt in der Fahrzeugindustrie das Einsatzhärten zu den gängigsten Oberflächenbehandlungen um eine Verbesserung gegen verschiedene Schadens- und Ermüdungsmechanismen zu erzielen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, durch Auffinden der optimalen Einsatzhärtetiefe bei maximaler Tragfähigkeit der Randschicht, Ofenzeit und in weiterer Folge Kosten zu sparen. Nach dem zweiten Fick'schen Gesetz steigt die benötigte Zeit für das Eindiffundieren des Kohlenstoffs in die Bauteiloberfläche mit dem Quadrat der Einsatzhärtetiefe. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Ermittlung der Tragfähigkeit des Einsatzstahles 20MnCr5 unter Berücksichtigung des Einflusses der einsatzgehärteten Randschicht. Hierzu wurden die wichtigsten Materialparameter - die Einsatzhärtetiefe, Härte- und Eigenspannungsverteilung - welche die lokale Tragfähigkeit beeinflussen, analysiert und diskutiert. Durch Umlaufbiegeversuche und Versuche an realen Bauteilen, an FZG-C Zahnrädern, wurden drei unterschiedliche Einsatzhärtetiefen untersucht. Die Geometrie der Umlaufbiegeproben ist gekerbt um eine vergleichbare Kerbformzahl wie in der Zahnfußausrundung der Prüfräder zu erreichen. Die getesteten Zahnräder sind geradverzahnte Stirnräder, einsatzgehärtet mit drei verschiedenen Einsatzhärtetiefen von 0,3; 0,5 und 0,7 mm. Begleitend dazu wurden Umlaufbiegeversuche, analytische Berechnungen nach Norm DIN 3990 Teil 3 und numerische Finite Elemente Simulationen durchgeführt. Um mehr Informationen über den Rissausgang und die Bruchcharakteristik zu erhalten wurden detaillierte Untersuchungen der Bruchflächen ausgeführt. Eine abschließende Diskussion der Ergebnisse liefert den Einfluss der Einsatzhärtetiefe auf die Tragfähigkeit und zeigt den möglichen Weg der Übertragbarkeit von der Probe zum realen Bauteil auf.


Dipl.-Ing. Andreas Mösenbacher

Diplomarbeitsthema:“ Ansätze zur spannungsbasierenden und bruchmechanischen Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von glasfaserverstärktem Polyamid

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Ermittlung von Schwingfestigkeitsdaten auf Basis des spannungsbasierenden einstufigen Wöhlerversuches und des bruchmechanischen Risskinetikversuches, an einem mit 50 Gew.-% kurzglasfaserverstärkten (kgfv) Polyphtalamids (PPA). Um sich im täglichen Wettbewerb zu behaupten, wird es immer wichtiger die Entwicklungszeiten und -kosten zu reduzieren. Durch die in dieser Arbeit durchgeführten Korrelationsuntersuchungen zwischen dem spannungsbasierenden und dem bruchmechanischen Ermüdungsansatz wird gezeigt, in wie weit die Übertragung von Ermüdungsdaten aus dem kostengünstigeren und zeitsparenden Risskinetikversuch auf die Wöhlerlinie möglich ist. Weiters wird eine Methode zur analogen Risslängenmessung über Rissmessfolien ausgearbeitet. Zur betriebsfesten Dimensionierung von zyklisch beanspruchten Strukturbauteilen aus kgfv Kunststoffen ist die Kenntnis von Schwingfestigkeitsdaten und deren Abhängigkeiten erforderlich. Der Einfluss von geometrisch bedingten Kerben sowie erhöhter Umgebungstemperatur (120 °C) wird anhand von Wöhlerlinien weitgehend untersucht. Die Ermittlung der zur Stützwirkungscharakterisierung erforderlichen spannungstechnischen Kennzahlen (Formzahl Kt und bezogener Spannungsgradient ) erfolgt über eine Finite-Elemente-Simulation. Die bruchmechanische Charakterisierung des Werkstoffes umfasst Risszähigkeitsversuche und Risskinetikversuche. Die für diese Untersuchungen erforderlichen Prüfkörper (CT-Proben) werden aus spritzgegossenen Platten entnommen. Untersucht wird das bruchmechanische Verhalten in Abhängigkeit von Faser-Hauptorientierung und Temperatur. In den Untersuchungen hinsichtlich Korrelation von spannungsbasierendem und bruchmechanischem Ermüdungsansatz werden sowohl Langzeitfestigkeitsbereich als auch Zeitfestigkeitsbereich betrachtet. Als Ausgangsriss werden unterschiedliche Fehlerformen angenommen, wobei die linear-elastische Bruchmechanik die Grundlage zur Umrechnung bildet. Der in dieser Arbeit untersuchte Werkstoff zeigt unter den getroffenen Annahmen eine sehr gute Korrelation. Es wird gezeigt, dass eine erste Abschätzung der Wöhlerlinie durch den bruchmechanischen Risskinetikversuch sehr kostengünstig möglich ist. Vor allem zur Beschreibung von Tendenzen hinsichtlich des Schwingfestigkeitsverhaltens zu Folge erhöhter Temperatur, ist der Risskinetikversuch sehr gut geeignet. Jedoch liefert die Umrechnung aus dem bruchmechanischen Ermüdungsansatz keinen vollständigen Ersatz zur herkömmlichen Wöhlerlinienermittlung.


Dipl.-Ing. Sabine Redik

Diplomarbeitsthema:“ Kurzrisswachstum in AlSi9Cu3 und Ti-6Al-4V Einfluss kurzer Risse auf die Lebensdauer

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die Beschreibung des Rissfortschrittsverhaltens erfolgt in Form einer Rissfortschrittskurve, welche die Rissfortschrittsrate in Abhängigkeit der Belastung, in Form eines sogenannten Spannungsintensitätsfaktors, beschreibt. Aus der Literatur geht hervor, dass sich die Rissfortschrittskurven kurzer Risse wesentlich von denen langer Risse unterscheiden. Kurze Risse wachsen bereits bei geringeren Spannungsintensitäten als lange Risse und zeigen bei äquivalenten Spannungsintensitäten zum Teil deutlich höhere Rissfortschrittsraten. Um den Einfluss kurzer Risse auf die Lebensdauer rissbehafteter Bauteile zu untersuchen, wurden Rissfortschrittskurven langer und kurzer Risse von zwei Leichtmetalllegierungen AlSi9Cu3 und Ti-6Al-4V aufgenommen. Die Langrisskurven wurden im Vier-Punkt-Biegeversuch aufgenommen, wobei die Messung der Risslänge über den Spannungsabfall an der Probe erfolgte. Für die Aufnahme der Rissfortschrittskurven kurzer Risse wurden Flachproben mit 0,2 bzw. 0,4 mm langen Initialrissen im einachsigen Schwingversuch geprüft. Die Messung der Risslänge erfolgte über ein eigens entwickeltes optisches Kamerasystem. Die in den Kurzrissversuchen ermittelten Rissfortschrittskurven zeigten nur für AlSi9Cu3 ein, gegenüber langen Rissen, anormales Verhalten. Für Ti-6Al-4V stimmten die Rissfortschrittskurven aus den einachsigen Schwingversuchen und den Vier-Punkt-Biegeversuchen überein, da die bei den einachsigen Schwingversuchen verwendeten Anfangsrisslängen für Ti-6Al-4-V nicht als kurz betrachtet werden können. Die ermittelten Rissfortschrittskurven wurden in weiterer Folge zur Lebensdauerberechnung herangezogen. Dabei konnte für AlSi9Cu3 eine deutliche Reduktion der Lebensdauer kurzrissbehafteter Bauteile festegestellt werden. Die reduzierte Lebensdauer von kurzrissbehafteten Bauteilen konnte durch Versuchsergebnisse bestätigt werden. Die Berechnung der Lebensdauer erfolgte dabei in Abhängigkeit von der Anfangsrisslänge aus den Rissfortschrittskurven langer bzw. kurzer Risse. Auf Grund der Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen konnte für AlSi9Cu3 die Grenze zwischen langen und kurzen Rissen in Abhängigkeit vom Spannungsverhältnis mit 1 mm (R = 0) bzw. 2 mm (R = -1) bestimmt werden.


Dipl.-Ing. Jürgen Schiffer

Diplomarbeitsthema:“ Schadensorientierte Prüfmethodenentwicklung für das System Kolbenring-Zylinderlaufbahn

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Durch strenger werdende gesetzliche Vorgaben, steigende Kundenanforderungen und eine gewünschte Verminderung des Service- bzw. Instandhaltungsaufwands wird sowohl die thermische und mechanische als auch die tribologische Belastung in Verbrennungsmaschinen steigen. Im Fokus steht dabei besonders das tribologische System Kolbenring-Zylinderlaufbahn. Um eine einwandfrei Funktion auch in Zukunft gewährleisten zu können, ist es erforderlich, das Gesamtsystem im Hinblick auf Grundwerkstoffe, Oberflächenkonfiguration und Schmierstoffe zu optimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Tribosystem Kolbenring-Zylinderlaufbahn von Gas-Großmotoren untersucht, wobei primär zwei Ziele verfolgt wurden. Nach der Entwicklung einer schadensäquivalenten Prüfmethodik wurde das Tribosystem Kolbenring-Zylinderlaufbahn auf Modellmaßstab untersucht. Das tribologische Ersatzmodell war ring-on-liner. Die Untersuchungen wurden anhand zweier charakteristischer Betriebsverhältnisse durchgeführt. Der normale Betrieb wurde mit idealen Schmierungsbedingungen nachgebildet. Der außerordentliche Betrieb wurde mit einem stark abrasiv wirkenden Schmierstoff reproduziert. Diese Versuche, die als Arizona-Dust-Test bezeichnet werden, zeigen das Systemverhalten bei einer möglichen Verschmutzung des Schmierstoffs durch Abrasivpartikel. Um hinsichtlich dieser Betriebsbereiche eine Optimierung der tribologischen Tragfähigkeit der Zylinderlaufbahn erreichen zu können, wurden zahlreiche Nitrierschichten einer Versuchsreihe unterzogen. Zur Verifikation der Erreichbarkeit der wahren Schädigungsmechanismen wurden Referenzversuche durchgeführt. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurden schädigungsäquivalente Versuchsstrategien abgeleitet. Das Einlaufverhalten, das Langzeitverschleißverhalten und die Fresssicherheit waren zentrale Punkte. Nach den vergleichenden Parameteruntersuchungen der unterschiedlichen Werkstoffkombinationen und Schmiermittelreinheiten wurde eine umfassende Schädigungsanalyse durchgeführt. Die entstandenen Modelle geben Aufschluss über die Funktions- bzw. Schädigungsmechanismen. Es konnten signifikante Unterschiede zwischen den geprüften Nitrierschichten erarbeitet werden. Weiters konnte das unterschiedliche Verhalten bei Langzeitversuchen mit oder ohne Abrasivstoff charakterisiert werden. Es wurden bedeutsame Differenzen zwischen der unmodifizierten Standard-Probenpaarung und den nitrierten Varianten sichtbar gemacht. Abschließend wurden Empfehlungen ausgearbeitet und weitere Schritte in Ausblick gestellt.


Dipl.-Ing. Martin Seebacher

Diplomarbeitsthema:“ Einfluss von Porosität und multiaxialer Belastung auf die Schwingfestigkeit einer Magnesium-Druckgusslegierung

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Ziel der vorliegenden Arbeit ist qualitative und quantitative Informationen über das Ermüdungsverhalten der Magnesiumdruckgusslegierung AZ91hp bereitzustellen. Die zunehmende Verknappung der Ressourcen nicht erneuerbarer Energieträger und die Forderung nach Reduktion des CO2- Ausstoßes zwingen viele Industriezweige effizienter zu gestalten. Eine Möglichkeit besteht darin, die Vorteile der Magnesiumlegierungen mit einer Dichte von 1,8g/cm3 zu nutzen. Sie sind damit für den Leichtbau prädestiniert. Mit dem Druckgussverfahren können Bauteile aus Magnesium wirtschaftlich hergestellt werden. Während der Fertigung entstehen jedoch Einschlüsse, Poren und Lunker, welche in Abhängigkeit ihrer Größe und Verteilung die Festigkeit wesentlich beeinflussen. Oberwinkler [1] hat ein Modell zur Vorhersage der Porosität auf Basis der Aluminiumlegierung GD-AlSi9Cu3 vorgeschlagen. Reichhart [2] wandte das Modell bereits auf die Legierung AZ91hp für eine Platte mit konstanter Wandstärke an. Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wird die Übertragbarkeit und Gültigkeit dieses Modells für ein Referenzbauteil mit unterschiedlichen Wandstärken geprüft. Dabei konnte ein Zusammenhang zwischen Gießsimulation und Porositätsauswertung bestätigt werden, sodass die Porenverteilung im Bauteil anhand der Gießsimulation vorhersagbar ist. Die Optimierung der Schwingfestigkeit von Bauteilen rückt in Anbetracht der stetigen Steigerung spezifischer Lasten immer mehr in den Mittelpunkt des Entwicklungsgeschehens. Im Betrieb unterliegen viele Bauteile einer multiaxialen Beanspruchung, deren Auswirkung auf die Lebensdauer berücksichtigt werden muss. Aus diesem Grund wurde das Werkstoffverhalten der Legierung AZ91hp unter uni- und multiaxialer Beanspruchung mittels einstufiger Wöhlerversuche untersucht und mit für die Bauteilauslegung eingesetzten Festigkeitshypothesen verglichen. Das Kriterium der Sicherheitsfaktorenintensität (SFIH) und das elliptische Bruchgesetz nach Gough zeigen dabei die besten Übereinstimmungen mit den Ergebnissen der Schwingversuche. Mit dem Modell zur Vorhersage der Porosität und den ermittelten Werkstoffkennwerten unter uni- und multiaxialer Belastung kann die Sicherheit gegen zyklisches Versagen druckgegossener Magnesiumbauteile deutlich genauer vorhergesagt werden. [1]Oberwinkler C.: "Virtuelle betriebsfeste Auslegung von Aluminium-Druckgussbauteilen", Dissertation, Leoben, 2009 [2]Reichhart M.: "Quantifizierung von fertigungsbedingten Defekten und deren Einfluss auf die Schwingfestigkeit der Magnesiumdruckgusslegierung AZ91hp", Diplomarbeit, Leoben, 2008


Dipl.-Ing. Michael Thaler

Diplomarbeitsthema:“ Methodenentwicklung zur Vorhersage des Verhaltens einer selbstfurchenden Schraubenverbindung im Multimaterialdesign

Publikationsjahr: 2009

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Immer stärker werdende Forderungen nach Gewichts- und Kostensenkung im Automobilbau haben selbstfurchende Schraubenverbindungen in Multimaterialdesign zunehmend etabliert. Besonders die Komponentenpaarung von einer Schraube aus einer hochfesten Aluminiumlegierung und einer Magnesiumlegierung als Grundwerkstoff haben sich im Leichtbau durchgesetzt. Diese Leichtmetalllegierungen zeigen im Einsatz bei höheren Betriebstemperaturen aber Kriecherscheinungen. Dadurch verliert die Schraubenverbindung an Vorspannkraft. Da dies die Funktionsfähigkeit der verschraubten Baugruppe beeinträchtigen kann, ist ein Finite Elemente Modell erstellt worden, das den Verschraubungsprozess abbildet und den Verlust der Vorspannkraft prognostiziert. Diese Diplomarbeit zeigt, dass eine Abbildung des Furch- und Verschraubungsvorgangs prinzipiell möglich ist und sich Aussagen über den Verlust der Vorspannkraft treffen lassen. Dabei wird der Einfluss von verschiedenen Reibzuständen und Modellgeometrien auf den Formmomentenverlauf untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass das Reibmoment einen wesentlichen Anteil am Formmoment hat und der ganze Prozess äußerst reibungssensitiv ist. Das Formmoment steigt mit zunehmender Reibzahl stark an. Das eigentliche Umformmoment nimmt nur einen kleinen Anteil am Gesamtmoment ein. Um das Anziehen und Kriechen der Schraubenverbindung richtig abbilden zu können, ist die Abbildung des Prozesses in einem Vollmodell nötig. Das rein zum Formen des Gewindes benötigte Moment kann bereits im Viertelmodell ermittelt werden. Diese Arbeit schafft die Ausgangsbasis zur numerischen Darstellung der Verschraubung und Relaxation von selbstfurchenden Schraubenverbindungen in Leichtmetalllegierungen. Realversuche können so in Zukunft mit verfeinerten Modellen reduziert werden. Die benötigte Versuchszeit der virtuellen Versuche hängt nur mehr von der Rechenleistung ab.

2008

Dipl.-Ing Hermann Maderbacher

Diplomarbeitsthema:“ Untersuchung der Eigenspannungsentstehung bei der spanenden Formgebung Drehen mittels Finite Elemente Simulation

Publikationsjahr: 2008

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Moderne Fertigungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sie einerseits auf ihre Durchsatzmenge maximiert werden, und andererseits auch die Qualität des Produktes mit den geringsten Mitteln so hoch wie möglich ansiedeln. Ein sehr wichtiges Fertigungsverfahren stellt das Zerspanen von Metallen dar, wodurch relativ einfach sehr komplizierte geometrische Formen verwirklicht werden können. Heute wird von einem Bauteil nicht nur erwartet, dass seine Geometrie makroskopisch mit jener der Zeichnung übereinstimmt, sondern auch die mikroskopischen Eigenschaften müssen bestimmte Kriterien erfüllen. Bei einem schwingend belasteten Bauteil ist vor allem die Oberfläche, von der Bauteilversagen mit großer Wahrscheinlichkeit ihren Ursprung nimmt, von großer Bedeutung. Neben Härte und Gefüge haben vor allem die Oberflächenrauheit und die Eigenspannungen einen großen Einfluss auf die Bauteillebensdauer. Interessant wäre es also die Oberfläche eines zerspanend gefertigten Werkstücks nur durch den Zerspanungsprozess so zu beeinflussen, dass seine Lebensdauer ohne Zusatzbearbeitung maximiert wird. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde versucht, für die zerspanende Fertigung Drehen ein Finite Elemente Modell zu erstellen, das es ermöglicht, Eigenspannungen in der gefertigten Werkstückoberfläche für bestimmte Schnittparameterkombinationen abzuschätzen. Die verwendeten Modelle sind in der Lage die Eigenspannugsverläufe des Experimentes qualitativ wiederzugeben. Weiters konnten Hypothesen aufgestellt werden, welche Mechanismen für die Entstehung der Eigenspannungen verantwortlich sind, wovon sie abhängen und wie sie beeinflusst werden können. Schließlich wird vorgeschlagen, welche Gestalt eine Schneide besitzen und wie diese Schneide eingesetzt werden muss, damit optimale Ergebnisse hinsichtlich Eigenspannungen erreicht werden können.


Dipl.-Ing. Michael Reichhart

Diplomarbeitsthema:“ Quantifizierung von fertigungsbedingten Defekten und deren Einfluss auf die Schwingfestigkeit der Magnesiumdruckgusslegierung AZ91hp

Publikationsjahr: 2008

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Magnesium ist mit einer spezifischen Masse von 1,8 g/cm das leichteste großtechnisch nutzbare Metall und eignet sich daher ideal für den Leichtbau. Durch den immer stärker werdenden Druck leichter und damit kosteneffizienter zu gestalten, werden immer mehr Komponenten aus Magnesiumlegierungen gefertigt. Die Voraussetzung für eine optimierte schwingfeste Auslegung von Magnesiumdruckgussteilen sind Berechnungsmodellen, welche neben den Werkstoffeigenschaften auch die Inhomogenitäten durch den Herstellungsprozess berücksichtigen. Für eine verbesserte Berechnung der Lebensdauer von Bauteilen ist es notwendig Defektgrößen und deren Verteilung in den unterschiedlichen Bereichen des Bauteils zu kennen. Die Resultate dieser Berechnung ermöglichen es, diesen Bereichen Defektgrößen abhängige Wöhlerlinien zugrunde zu legen. Zur Bestimmung der Porosität eines Druckgussbauteils existiert bereits ein Modell, welches anhand der Aluminiumlegierung AlSi9Cu3 entwickelt wurde [42]. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Übertragbarkeit und Gültigkeit dieses Modells für Magnesiumdruckgussbauteile geprüft. Über die Auswertung der Porosität in einer Referenzplatte konnte ein Zusammenhang mit den Ergebnisdaten der Gießsimulation gefunden werden, sodass es nun möglich, ist die Porenverteilung eines Bauteils über die Gießsimulation vorherzusagen. Im Zuge der Untersuchungen zur Charakterisierung der Schwingfestigkeit für AZ91hp zeigte sich bei den Schwingversuchen aufgrund von unterschiedlichen Defektgrößen in den Proben eine große Streuung der Daten auf den unterschiedlichen Spannungsniveaus. Die gewonnenen Daten ermöglichten die Entwicklung eines Modells zur Ableitung von Wöhlerlinien für unterschiedliche Defektgrößen aus einer Grenzwöhlerlinie, die für ein porenfreies Material gültig ist. Anhand der nunmehr möglichen Berechnung der Verteilung von Defektgrößen im Bauteil und der davon abhängigen Wöhlerlinien können Magnesiumdruckgussbauteile unter Berücksichtigung ihrer Inhomogenität verbessert für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden.


Dipl.-Ing. Johannes Reiser

Diplomarbeitsthema:“ Entwicklung einer Untersuchungsmethodik zur Evaluierung des Fretting-Widerstandes

Publikationsjahr: 2008

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Fretting ist ein komplexer Vorgang, der im Allgemeinen durch die Wechselwirkung zweier unter hoher Flächenpressung in Kontakt stehenden Körpern, und eines dritten lokal trennenden Körpers, auftritt. Gleichzeitig wird zwischen diesen Körpern eine oszillierende Bewegung ausgeführt. Fretting wird im deutschen Sprachraum als Schwingungsverschleiß bezeichnet, der charakteristische Unterschied zwischen Fretting und Verschleiß ist die Mikrobewegung zwischen den Körpern. Ebenfalls gebräuchlich sind die Begriffe Reibrost und Reibkorrosion. Diese Begriffe sind auf die Entstehung von oxidischen Partikeln in einer Fretting-Zone zurückzuführen. Während des Fretting-Prozesses werden kontinuierlich Partikel aus den Grenzschichten abgebaut und durch chemische Reaktion mit den umgebenden Medien umgewandelt, der Abbau der Partikel führt zu einer Schwächung der Oberfläche und zur Entstehung von Rissen. Die geschwächte Oberfläche sowie die vorhandenen Risse können zum Versagen des Bauteils führen. Zur Beurteilung des Fretting-Prozesses wurden Fretting-Verschleiß Laborversuche an Stahlproben mit einer selbst entworfenen Vorrichtung durchgeführt. Hierzu werden zwei Klötze symmetrisch mit einer definierten Normalkraft gegen eine Probe gedrückt, welche definierte oszillierende Mikrobewegungen ausführt. Die Verhältnisse in der Fretting-Zone ändern sich ständig, diese Zustandsänderungen lassen sich mit Hysteresen charakterisieren, diese sind ein Maß für die während eines Zyklus dissipierte Energie. Je größer die Fläche innerhalb einer Hysterese, desto größer ist die dissipierte Energie. Die Proben wurden nach dem Versuch schadensanalytisch untersucht, dabei wurde der flächenmäßige Anteil der geschädigten Oberfläche vermessen, dies diente zur Erstellung von aussagekräftigen Fretting-Verschleiß-Diagrammen. Diese ermöglichen es, Voraussagen über den Fretting-Widerstand unter bestimmten Bedingungen zu tätigen. Die gesamte Vorrichtung wurde mit einer FE-Simulation abgebildet um die Spannungsverhältnisse in der Fretting-Zone zu analysieren. Die geschädigte Oberfläche der Proben wurde mit einem Laser-Konfokal-Mikroskop gescannt, um das abgetragene Volumen zu ermitteln. Um eine Messgröße für den Widerstand gegenüber Fretting zu erhalten, wurde die Verschleißenergiedichte eingeführt, diese stellt das abgetragene Volumen der Probe, der dissipierten Energie der Hysteresen gegenüber. Je geringer das abgetragene Volumen pro geleisteter Energie ist, desto höher ist der Widerstand gegenüber Fretting.


Dipl.-Ing. Ulfried Rieger

Diplomarbeitsthema:“ Einfluss des Drehprozesses auf die Schwingfestigkeit von 34CrNiMo6 - Prozessparameterstudie, Eigenspannungen, Oberflächentopographie und Simulationsmodell

Publikationsjahr: 2008

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Unter Schwingfestigkeit wird die Festigkeit des Werkstoffes gegenüber zeitlich veränderlicher, üblicherweise zyklischer Beanspruchung verstanden. An einem dynamisch beanspruchten Bauteil bilden sich nach einer gewissen Anzahl von Schwingspielen Anrisse, die meist von der Oberfläche, bevorzugt an Querschnittsübergängen, Kerben oder Fehlstellen ausgehen. Mit weiteren Schwingspielen vergrößern sich die Risse fortschreitend bis der Restquerschnitt so klein ist, dass ein Gewaltbruch eintritt. Die Schwingfestigkeit hängt neben der Werkstoffart, Beanspruchungsart, Mittelspannung, Temperatur, Korrosion, Bauteilgröße, Spannungsgradient auch von den Oberflächeneigenschaften des Bauteiles ab. Die Oberflächeneigenschaften werden durch die Oberflächentopographie, dem Eigenspannungszustand und der Härte gekennzeichnet. Durch die Wahl der Parameter beim Drehprozess werden diese Oberflächeneigenschaften maßgeblich beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Prozessparameterstudie der Drehbearbeitung hinsichtlich Oberflächentopographie und Eigenspannungszustand durchgeführt. Die wichtigsten Parameter beim Drehen sind der Vorschub und der Eckenradius des Drehmeißels. Aus Versuchsdaten wird jeweils ein Simulationsmodell abgeleitet, mit dessen Hilfe, abhängig von Vorschub und Eckenradius, die Oberflächentopographie und der Eigenspannungszustand vorhergesagt werden kann. Aus diesen Ergebnissen wird ein Modell für die Schwingfestigkeit gedrehter Bauteile unter Einbeziehung bruchmechanischer Gesichtspunkte aufgestellt. Das Modell wird mit umfangreichen Schwingfestigkeitsversuchen untermauert. Mit diesen Modellen soll es möglich sein, eine moderne, spanabhebende Fertigung nur durch entsprechende Wahl der Parameter mit geringem Kostenaufwand hinsichtlich der Schwingfestigkeit zu optimieren.


Dipl.-Ing. Andreas Trausmuth

Diplomarbeitsthema:“ Verhalten von Plasmanitrierschichten unter Kontaktbeanspruchung

Publikationsjahr: 2008

Kurzfassung der Diplomarbeit:

An viele Maschinenelemente wie zum Beispiel Zahnräder, Wälzlager oder den Kontakt zwischen Rad und Schiene werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Tragfähigkeit unter zyklischer Überrollbeanspruchung gestellt. Die vorliegende Arbeit untersucht anhand von Rolling-Contact Versuchen (RCF), Schadensanalysen und begleitender Finite Elemente Berechnungen die Einflüsse und Unterschiede von einsatzgehärteten und plasmanitrierten Schichten auf die Tragfähigkeit. Für die Versuche mit Punktberührung wurde der Kugel-auf-Stift Prüfstand (BoR), und für die Versuche mit Linienberührung der Zweischeibenprüfstand (2-RCF) gewählt. Es wurden zahlreiche Prüfungen in unterschiedlichsten Betriebsbereichen durchgeführt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Tragfähigkeitsgrenze werden unterschiedlichste Schadensmechanismen aktiviert, welche im Rahmen einer umfangreichen Schadensanalyse erfasst und diskutiert wurden. Durch die strukturierte Vorgehensweise konnten folgende Unterschiede festgestellt werden: Bei punktförmigen Kontakten treten plastische Verformungen als Dark Etching Area (DEA) unterhalb der Kontaktzone auf. Bei linienförmigen Beanspruchungen steht der flächige-abrasive Oberflächenverschleiß im Vordergrund. Der Vergleich von einsatzgehärteten und plasmanitrierten Werkstoffen bei linienförmiger Flächenpressungen kleiner 1,0 GPa zeigt eine geringfügig höhere Kontakt-Zeitfestigkeit des einsatzgehärteten Werkstoffes bei 10% Schlupf. Bei 22 % Schlupf weist hingegen der plasmanitrierte Werkstoff eine etwas höhere KontaktZeitfestigkeit auf. Durch den größer werdenden Schlupf erhöht sich das Reibungsmoment, wodurch auch das Schubspannungsmaximum näher zur Oberfläche rückt. Die plasmanitrierte Verbindungsschicht weist eine wesentlich höhere Härte auf als die einsatzgehärtete Schicht, was zu einer größeren lokalen RCFBeanspruchbarkeit führt. Die tendenziellen Ergebnisse aus Rollenversuchen können laut DIN 3990 vergleichsweise auf Zahnräder angewendet werden. Ein standardisierter Ansatz zur direkten Übertragung von 2-RCF Versuchen auf Bauteile wie Zahnräder ist nicht bekannt. In weiteren Arbeiten sollten bauteilnahe Versuche am FZGVerspannungsprüfstand durchgeführt werden, um Modelle zur direkten Übertragung der lokalen tribologischen RCF-Systembeanspruchung von scheibenförmigen Ersatzgeometrien auf Bauteile wie Zahnräder zu entwickeln.


Dipl.-Ing. Manuel Wohlfahrt

Diplomarbeitsthema:“ Charakterisierung des Einflusses von Chunky-Graphit auf die Schwingfestigkeit dickwandiger Gussbauteile

Publikationsjahr: 2008

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Beim Gießen dickwandiger Gussbauteile steigt das Risiko, trotz guter Prozessführung, Gefügeungänzen zu erzeugen. Zu diesen Gießungänzen zählen Graphitentartungen, Dross, Lunker und Mikroporosität. Im Rahmen dieser Diplomarbeit ist der Einfluss von Chunky-Graphit auf die statische Festigkeit und Schwingfestigkeit untersucht worden. Weiters wurde der Gefügeaufbau dieses Bauteils in Bereichen mit und ohne Chunky-Graphit mithilfe metallographischer und bildanalytischer Methoden charakterisiert. Gefügeuntersuchungen am dickwandigen Gussbauteil zeigen, dass sowohl der Kugelgraphit in Größe, Dichte und Form als auch der Chunky-Graphit im Gefügeanteil nicht homogen über den Querschnitt verteilt sind. Diese Diplomarbeit zeigt, dass grundsätzlich Chunky-Graphit die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Kugelgraphit verschlechtert. Bei Auftreten vermindern sich erreichbare Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Dauerfestigkeit. Die Reduzierung der quasistatischen Eigenschaften, und hier vor allem des Dehnungsvermögens, korreliert nicht mit der Verminderung der Schwingfestigkeitskennwerte. Die Beeinflussung ist deutlich vom Gehalt im Gefüge abhängig. Aus diesem Grund ist für eine zufriedenstellende Lebensdauerbewertung von Gussbauteilen mit Chunky-Graphit eine Einbindung des lokal vorherrschenden Anteils und der damit verbundenen Reduzierung der Werkstoffeigenschaften notwendig. Diese Arbeit trägt zum besseren Verständnis der Graphitausbildung in dickwandigen Gussbauteilen und deren mechanischen Eigenschaften bei.

2007

Dipl.-Ing. Dr.mont. Bernd Oberwinkler

Diplomarbeitsthema:“ Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V: Betrachtung mehrerer Einflussgrößen

Publikationsjahr: 2007

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die Titanlegierung Ti-6Al-4V ist ein weit verbreiteter Konstruktionswerkstoff, vor allem in Luft- und Raumfahrt. Es gibt eine Vielzahl von Einflüssen auf die Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V, von denen einige in deren Wirkungen betrachtet werden. Die Schwingfestigkeit hängt in großem Maße vom Gefüge ab, welches wiederum durch die Herstellungsbedingungen eingestellt wird. Dies ist einer jener Einflüsse, die im Zuge dieser Arbeit untersucht werden. Kugelstrahlen ist ein Verfahren zur Steigerung der Schwingfestigkeit und findet auch in Zusammenhang mit Ti-6Al-4V breite Anwendung. Es handelt sich dabei um ein Kaltbearbeitungsverfahren, durch das eine Verfestigung der Randschicht sowie eine Induzierung von Druckeigenspannungen stattfinden. Diese Auswirkungen sind ebenfalls Gegenstand dieser Arbeit. Weiters wird versucht, mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen einen Zusammenhang zwischen Strahlgeschwindigkeit und Eigenspannungen herzustellen, diesen mit durchgeführten Eigenspannungsmessungen abzugleichen und mit der Strahlintensität zu korrelieren. Mittels gekerbten Proben wird auch der Einfluss des Spannungsgradienten auf die Schwingfestigkeit und auf die Wirkungen des Kugelstrahlens untersucht. Mit Hilfe von Torsions- und Multiaxial-Prüfungen wird die Wirkung der Mehrachsigkeit der Beanspruchung beim Werkstoff Ti-6Al-4V erforscht. Weiters wird die Wirkung des Kugelstrahlens unter multiaxialer Belastung betrachtet.


Dipl.-Ing. Dipl.-Ing. Thomas Pühringer

Diplomarbeitsthema:“ Parameteridentifikation für Temperaturfeldberechnungen an Dieselmotoren

Publikationsjahr: 2007

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Moderne Verbrennungsmotoren müssen steigenden ökologischen, ökonomischen und letztendlich Kundenanforderungen genügen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der Bauteiltemperaturen des Grundmotors mittels des Finite-Elemente-Softwarepakets ABAQUS. Studienobjekt war ein 4-Zylinder-DI-Dieselmotor mit Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse. Ziel war es die für die Temperaturfeldbildung maßgeblichen Parameter zu identifizieren und das Wissen über diese zu erweitern. Das vorhandene Simulationsmodell wurde dem Wärmestrom im Motor folgend untersucht. Als entscheidende Parameter stellten sich die Kontakt-Wärmeübergangszahlen für die Übergänge zwischen den einzelnen Motorbauteilen heraus. Speziell für die des Übergangs zwischen Zylinderlaufbuchse und Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) wurde mittels thermisch-mechanisch voll-gekoppelter Rechnung ein neuer Wert für rein thermische Simulationen ermittelt. Bei der Wärmestromanalyse zeigte sich, dass die Verbrennungswärme, die in den Kolben fließt, einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die Bauteiltemperaturen in der Laufbuchse und im ZKG hat. Um diesen Einfluss erfassen zu können, wurde in ABAQUS/Explicit eine Methode entwickelt, die Temperaturfelder von bewegten, sich in Kontakt befindlichen Bauteilen zu berechnen. Zur Validierung der Simulationsmodellverbesserungen wurde eine Messmethodik eingeführt, um zusätzlich zur Messung der ZKG-Temperaturen auch in der Lage zu sein, Laufbuchsentemperaturen direkt zu messen.

2006

Dipl.-Ing. Dr.mont. Christoph Haberer

Diplomarbeitsthema:“ Beurteilung der Zahnfußspannungen von gerade- und schrägverzahnten Stirnzahnrädern

Publikationsjahr: 2006

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Für die Ermittlung der Zahnfußtragfähigkeit ist die Kenntnis der tatsächlich am Zahnfuß auftretenden Spannung von Bedeutung. Ziel der Diplomarbeit ist es, resultierende Zahnfußspannungen aus FE Simulationen mit den analytischen Ergebnissen nach DIN 3990 Teil 3 Methode B abzugleichen. Durch eine exakte Modellierung der Zahnradgeometrie in 2D und 3D, welche eine der wichtigsten Forderungen darstellt, und die geeignete Generierung des FE Modells können die unter Belastung auftretenden Zahnfußspannungen numerisch berechnet werden. Eine sehr gute Möglichkeit, um wahre Geometrien zu erzeugen, bietet die Software KISSsoft, welche durch einen virtuellen Herstellprozess die Zahnform punktweise aufbaut. Mit dem FE Preprocessor MSC Patran kann dann die Vernetzung vorgenommen werden. Wichtig dabei ist die Wahl eines geeigneten Elementtyps und eine angemessene Netzfeinheit. Die eigentliche numerische Berechnung erfolgt mit dem FE Solver Abaqus 6.5. Um die ständig wachsende Forderung nach mehr Leistung bei gleichen oder besser noch sinkenden Entwicklungs- und Herstellkosten bei modernen Fahrzeuggetrieben bewältigen zu können ist es notwendig bestehende Verzahnungen zu optimieren. Verfahren wie Oberflächenmodifikation und Gestaltoptimierung finden dafür zunehmend Anwendung. Eine FE Studie über gestaltoptimierte Fußausrundungen gibt einen Überblick darüber wie die Spannungen in der Fußausrundung geeignet beeinflusst werden können.


Dipl.-Ing. Tobias Kaiser

Diplomarbeitsthema:“ Entwicklung eines Prüfstandes zur Prüfung von Kurbeltriebskomponenten von Verbrennungsmotoren unter betriebsnahen Bedingungen

Publikationsjahr: 2006

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung einer Regelung zur Lufteinblasung für einen Prüfstand, mit dem die im realen Motor auftretenden Spitzendrücke und Massenkräfte abgebildet werden können um eine Prüfung von Kurbeltriebskomponenten abseits vom Gesamtmotor zu ermöglichen. Diese Arbeit umfasst zwei Abschnitte. In der Anfangsphase wurde ein thermodynamisches Simulationsmodell des Prüfstandes entwickelt, das es ermöglichte, die an der Kurbelwelle auftretenden Momente abzuschätzen um einen geeigneten Antrieb auswählen zu können und Aussagen über die zu erwartende Drehungleichförmigkeiten machen zu können. Das Modell wurde in Matlab / Simulink aufgebaut. Alle notwendigen Berechnungen erfolgten dabei in einem selbst geschriebenen S-Function-Block, der in Simulink eingefügt wurde. Vergleiche der berechneten Druckverläufe mit Messergebnissen zeigten eine sehr gute Übereinstimmung des Simulationsmodells mit der Realität. Nach Fertigstellung dieses Modells erfolgte die Entwicklung einer Spitzendruckregelung für den Prüfstand, die es ermöglichen sollte, durch zeitgenaues Einblasen von Druckluft in den Arbeitsraum den dort auftretenden Maximaldruck möglichst genau regeln zu können. Die Regelung wurde mit LabVIEW programmiert. Die entwickelte Regelung des Spitzendruckes zeigte in ersten Tests sehr vielversprechende Ergebnisse.

2005

Dipl.-Ing Wenzhe Wei

Diplomarbeitsthema:“ Eignung verschiedener Schweißpunktmodelle für die Strukturoptimierung

Publikationsjahr: 2005

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Die Modellierung der Schweißpunkte spielt eine wichtige Rolle für die FE-Simulation in der Automobilindustrie. Die Schweißpunktmodelle müssen einerseits die Steifigkeit der Schweißverbindung richtig darstellen, andererseits muss die Beanspruchung des Schweißpunktes genau genug ermittelt werden, um Aussagen zur Lebensdauer der Struktur machen zu können. In dieser Diplomarbeit sollen verschiedene gängige FE-Modelle für Schweißpunkte bezüglich Verwendbarkeit für die Strukturoptimierung beurteilt werden. Die Strukturoptimierung bezüglich Steifigkeit und Lebensdauer ist bereits Stand der Technik. In dieser Arbeit werden die Optimierung von punktgeschweißten Strukturen mit verschiedenen Schweißpunktmodellen bezüglich Steifigkeit und Lebensdauer durchgeführt. Diesbezügliche Testrechnungen an akademischen und realen Bauteilen sind durchzuführen. Die Versuche die Verteilung von Schweißpunkten mit der Software TOSCA.Topology unter Berücksichtigung von Steifigkeit, Eigenfrequenz und Lebensdauer zu optimieren waren erfolgreich. Es konnten bezüglich aller Einzelkriterien automatisiert Designverbesserungen gefunden werden. Die Optimierungsschleife für die jeweilige Optimierungsaufgabe funktionierte und der Programmablauf erfolgt automatisiert. Der Prozess der Schweißpunktoptimierung wurde mit 2 verschiedenen Schweißpunktmodellen durchgeführt. Das Verfahren der Schweißpunktoptimierung hat generell funktioniert, und die Ergebnisse sind plausibel.

2004

Dipl.-Ing. Dr.mont. Christoph Guster

Diplomarbeitsthema:“Entwicklung eines Resonanzschwingkopfes zum Einsatz in Standardprüfungen und Ausarbeitung eines neuartigen Torsionsprüfstandkonzeptes

Publikationsjahr: 2004

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Zur Aufnahme von Wöhlerlinien wurden bisher zahlreiche Prüfanlagen entwickelt. Die Bekanntesten sind die mechanisch oder elektromagnetisch angetriebenen Resonanzprüfmaschinen, sowie die servohydraulischen Prüfanlagen. In dieser Arbeit wird ein rein mechanisch angetriebener Resonanzschwingkopf zum Einsatz in Standardprüfungen entwickelt. Da für einen energetisch günstigen Betrieb eines Prüfstandes dieser möglichst in Resonanz betrieben werden soll, muss der Resonanzschwingkopf modular aufgebaut sein. So können in Abhängigkeit von Federrate, Schwungmasse und Antriebsdrehzahl die Resonanzbereiche eingestellt werden. Aufgrund dieser Aufgabenstellung wird eine 3D-Konstruktion des Resonanzschwingkopfes mit der CAD-Applikation „CATIA V5 R12“ erstellt. Eine daraus abgeleitete Herstellungsdokumentation, bestehend aus Zusammenstellungs- und Einzelteilzeichnungen sowie Stücklisten gewährleistet eine reibungslose Herstellung bzw. Fertigung des Schwingkopfes. Unter Zuhilfenahme der Mehrkörpersimulations-Applikation „ADAMS“ wird der Einsatz des Resonanzschwingkopfes im 4-Punkt-Axialbiegeversuch simuliert, und eine passende Versuchsanordnung konstruiert. In einem weiteren Schritt wird unter Verwendung von „ADAMS“ ein Torsionsprüfstandkonzept entwickelt. Die Topologie des Prüfstandrahmens der Torsionsprüfmaschine wird, bei vorgegebenem Bauraum, mit der Simulationssoftware „TOSCA“ optimiert. Die 3D-Konstruktion des Torsionsprüfstandes basiert auf den aus den Simulationen gewonnenen Ergebnissen.

2003

Dipl.-Ing. Dr.mont. Ataollah Javidi

Diplomarbeitsthema:"Low Cycle Fatigue and Thermo-Mechanical Fatigue of the Aluminum Wrought Alloy AlCuBiPb

Publikationsjahr: 2003

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Es wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik auf dem Gebiet der Werkstoffermüdung, speziell der Kurzzeitfestigkeit (Low Cycle Fatigue, LCF) und der Thermomechanischen Ermüdung (TMF) von Aluminiumlegierungen gegeben.
Dehnungskontrollierte LCF-Versuche für die Aluminiumknetlegierung AlCuBiPb bei Raumtemperatur wurden durchgeführt und das zyklische Verformungsverhalten sowie das Lebensdauerverhalten wurden untersucht. Ein weiteres Ziel der Untersuchungen ist der Einfluss einer innenliegenden Bohrung sowie der Vergleich von zwei unterschiedlichen Chargen. Out-of-phase (OP) TMF-Versuche wurden mit drei verschiedenen Haltezeiten bei Maximaltemperatur durchgeführt sowie dessen Einfluss auf das zyklische Verformungs- und das Lebensdauerverhalten der Aluminiumknetlegierung AlCuBiPb untersucht. Die Ergebnisse zeigen für diese Knetlegierung einen Einfluss der Innenbohrung (im Unterschied zu Gusslegierungen). Die Erklärung hierfür kann im Scherbruchverhalten der ungebohrten Probe gefunden werden, welches bei der gebohrten Probe behindert wird. Obwohl der Unterschied bei den statischen Werten für die beiden Chargen sehr groß ist, sind die zyklisch stabilisierten Parameter nahezu identisch. Die Untersuchung der Haltezeit bei TMF-Beanspruchung zeigt Unterschiede in der Lebensdauer in der Größenordnung um 1 (logarithmisch). Weiterführende Arbeiten sollen das zyklische Verformungs- sowie das Lebensdauerverhalten bei LCF-Beanspruchung bei konstanter erhöhter Temperatur (HTLCF) sowie bei TMF-Beanspruchung eingehender untersuchen, um Materialkennwerte und Modelle für Simulationswerkzeuge zu erhalten.

2002

Ass.Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Florian Grün

Diplomarbeitsthema:“Form- und Topologieoptimierung unter Berücksichtigung
der Betriebsfestigkeit

Publikationsjahr: 2002

Kurzfassung der Diplomarbeit:

Form- bzw. Topologieoptimierung ohne Berücksichtigung der Betriebsfestigkeit ist bereits Stand der Technik. In dieser Arbeit erfolgt ein Vergleich der Strukturoptimierung hinsichtlich der Optimierungskriterien Spannung bzw. Verzerrungsenergie und Lebensdauergrößen. Als Optimierungstool wird das Strukturoptimierungsprogramm TOSCA verwendet. Als Werkzeug zur Betriebsfestigkeitsrechnung dient FEMFAT. Anhand von vier Beispielen in der Formoptimierung und drei Beispielen in der Topologieoptimierung werden die Auswirkungen von verschiedenen Einflüssen auf das Optimierungsergebnis untersucht. Im Gegensatz zur ‚herkömmlichen‘ Optimierung werden statische und dynamische Beanspruchungen durch die Einbindung von FEMFAT in die Optimierungsschleife automatisch entsprechend bewertet. Zusätzlich ist eine explizite Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften (z.B. Mittelspannungsempfindlichkeit, Oberflächenbehandlungszustand) möglich. Der Mehraufwand für eine Form- oder Topologieoptimierung hinsichtlich Betriebsfestigkeit lohnt sich vor allem, wenn Materialeigenschaften in der Optimierung zu berücksichtigen sind, und für mehrachsig beanspruchte Strukturen, bei denen die Schädigungsverteilungen meist nicht bzw. nur mit hohem Aufwand auf einen spannungsbasierten Reglereingang reduziert werden können.