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.

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. 

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.  

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.  

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 .

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.

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.   

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.

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.  

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.

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.

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.

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.  

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.