Dipl.-Ing. Tobias KOBLMILLER
Titel: AMB16-DA04 "Lebensdaueranalyse von Strukturbauteilen aus kurzkohlenstofffaserverstärktem Polyphthalamid im Motorraum "
Kurzfassung 12/2017:
Aufgrund des hohen wirtschaftlichen Einsparungspotentials durch den Einsatz von Polymeren-Strukturbauteilen, steigt die Substitutionsrate metallischer Komponenten stetig. Vor allem im Automobilbereich bringt der Einsatz von Kunststoffbauteilen enormes Einsparpotential im Hinblick auf Strukturleichtbau und als folge dessen eine Kraftstoffverbrauchsreduktion. Vor allem die Gruppe der kurzfaserverstärkten-teilkristallinen Thermoplaste wird für die Herstellung von Strukturelementen im KFZ-Motorraum als Ausgangsstoff herangezogen. In dieser Arbeit wird ein Kunststoffzahnrad aus PPA-CF30, im Bezug auf lebensdauerbeeinflussende Größen, wie z.B. Temperatur, Faserorientierung, Stützwirkung, etc., analysiert. Dafür wurden quasistatische und HCF-Versuche an Probenkörper, mit unterschiedlichen Geometrien und Bauteilversuche durchgeführt. Mithilfe einer numerischen Simulation der Prüfkörper, konnte in Verbindung mit den versuchstechnisch ermittelten Größen und den daraus abgeleiteten Modellen, die Lebensdauer bzw. die Bauteilschädigung am Zahnrad ermittelt werden. Abschließend wurden die Bauteilwöhlerlinien mit den numerischen Ergebnissen verglichen und diskutiert.
Dipl.-Ing. Markus TAUSCHER
Titel: AMB16-DA11 "Berücksichtigung herstellungsbedingter Oberflächenstrukturen auf die Schwingfestigkeit von Motorkomponenten in der virtuellen Bauteilauslegung"
Kurzfassung 11/2017:
Im Entwicklungsprozess spielt die virtuelle Bauteilauslegung heutzutage eine große Rolle und wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Für eine möglichst exakte Vorhersage der Betriebsfestigkeit von auszulegenden Komponenten, ist die Verbesserung von Modellen zur Beschreibung von fertigungstechnologischen Einflüssen auf die Lebensdauer unerlässlich. Einen wesentlichen Parameter stellt der Rauhigkeitseinfluss an technischen Oberflächen dar. Ziel dieser Arbeit war es eine methodische Vorgehensweise zu entwickeln, welche ausgehend von einer durch Messung bestimmten dreidimensionalen Oberflächentopologie den Rauhigkeitseinfluss mittels eines lokalen Konzepts beschreiben kann. Als Eingangsparameter sollten dabei nur bereits vorhandene, grundlegende Werkstoffparameter zur Beschreibung des Dauerfestigkeitseinflusses Verwendung finden. Im ersten Schritt wird ein effizientes Verfahren vorgestellt um aus dreidimensionalen Messpunkten eine triangulierte Oberfläche erzeugen zu können. Mittels Gaußfilter werden zunächst Frequenzbereiche eliminiert, welche auf die Lebensdauer keinen Einfluss mehr haben aber die weitere numerische Verarbeitung der Oberfläche stark erschweren würden. Anschließend wird noch die Formabweichung korrigiert um geometriebedingte Einflüsse ausschließen zu können. Danach werden mittels eines dreidimensionalen linear elastischen Finite Elemente Modells die auftretenden Spannungen bei Standardlastfällen (Zug 0°, Zug 90°, Schub) ermittelt. Die Netzgröße hat dabei einen hohen Einfluss auf die Ergebnisqualität und die Rechenzeit. Um diesen Zielkonflikt bestmöglich zu lösen ermöglicht ein benutzerdefiniertes Verfahren die Vorgabe der Netzfeinheit je nach Oberflächenkrümmung. Abschließend erfolgt zur Beschreibung der möglichen Vorzugsorientierung der Oberfläche und zur statistischen Bewertung der Mikrokerben eine lineare Spannungsüberlagerung der Standardlastfälle um die multiaxiale Beanspruchung der Oberfläche abzubilden. Diese umfangreiche, FE-basierte Methodik liefert eine Aussage über den zu erwartenden lokalen Abminderungsfaktor zur Dauerfestigkeit, welcher mithilfe eines Spannungsmittelungskonzeptes für jeden Oberflächenknoten berechnet wird. Die dazu erforderlichen Spannungsverläufe werden durch das Superconvergent-Patch-Recovery Verfahren bestimmt. Die Mittelungslänge ergibt sich dabei aus dem Langrissschwellwert und der Dauerfestigkeit des defektfreien Materials. Zur Bewertung der Kerbwirkung werden die lokale Minima der Abminderungsfaktoren über die gesamte, zu bewertende Oberfläche bestimmt. Jedes dieser lokalen Minima grenzt sich dabei durch einen definierten Schwellwert von anderen ab. Die relative Häufigkeit dieser Abminderungsfaktoren beschreibt den statistischen Lebensdauereinfluss der Oberflächenrauheit und stellt somit auch einen statistischen Größeneinfluss dar. Diese umfassende numerische Methodik ermöglicht eine neuartige Bewertung der Kerbwirkung von Oberflächentopographien, welche für eine gussraue Oberfläche experimentell validiert wurde.
Dipl.-Ing. Lukas LIEBFAHRT
Titel: AMB16-DA12 "Stabilität von Eigenspannungen kugelgestrahlter Pleuel unter zyklischer Beanspruchung"
Kurzfassung 12/2017:
Um den Klimawandel nicht weiter zu verschärfen, geben die Gesetzgeber Richtlinien vor, welche den Ausstoß von Schadstoffen sowie den Flottenverbrauch regulieren. Verantwortlich für die Umsetzung dieser Vorschriften sind die Hersteller von Kraftfahrzeugen, welche verschiedene Strategien anwenden um diese Vorgaben zu erreichen. Neben dem Einsatz von alternativen Antriebskonzepten ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts von entscheidender Bedeutung. Sicherheitsanforderungen sowie die Tendenz zu steigenden Leistungen im Automobilbau stellen hierbei jedoch einen Interessenskonflikt dar. Dies führt zu dem bereits seit Jahren anhaltenden Trend, vermehrt Leichtbautechniken im Fahrzeugbau einzusetzen, wobei ein häufig angewandter Ansatz der Werkstoffleichtbau darstellt. Eine vergleichsweise kostengünstige Methode zur Steigerung der Werkstofffestigkeit lässt sich durch den Kugelstrahlprozess erreichen. Bei dieser Oberflächennachbehandlungstechnologie wird das Bauteil mit Strahlmittelkörnern beschossen, wodurch aufgrund von plastischen Verformungen der Werkstoff verfestigt und Druckeigenspannungen eingebracht werden. Im Speziellen ausgeprägte Druckeigenspannungszustände im randschichtnahen Bereich bewirken hierbei eine Steigerung der lokalen Ermüdungsfestigkeit. Für die Bewertung von Leichtbauteilen hinsichtlich ihrer Lebensdauer ist daher die Stabilität des Eigenspannungszustands in der Randschicht von enormer Bedeutung. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit einer Simulationsmethodik, welche den Eigenspannungszustand aus dem Kugelstrahlprozess ermittelt und auf ein Bauteil, im konkreten Fall ein Pleuel einer Verbrennungskraftmaschine, überträgt. Zur Materialcharakterisierung wurden Zug-, Kurzzeitschwingfestigkeits- und Kriechversuche an direkt aus den Pleueln gefertigten Kleinproben durchgeführt, und darauf basierend Materialmodelle abgeleitet. Mit diesen Parametern wurde anschließend die Kugelstrahlsimulation durchgeführt und die Eigenspannungen und Verfestigungen auf das Pleuel übertragen. Um Aussagen über die Stabilität der Eigenspannungen treffen zu können, wurde eine zyklische Belastungssimulation des gesamten Bauteils durchgeführt, wobei die numerischen Ergebnisse einen signifikanten Abbau der Eigenspannungen innerhalb der ersten Zyklen zeigen. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wurden Versuche am kugelgestrahlten Pleuel mit identen Belastungsszenarien durchgeführt. Dabei wurden die Eigenspannungen bei unterschiedlicher Lastzyklenanzahl sowohl an der Oberfläche als auch in die Tiefe röntgenographisch gemessen. Die Messergebnisse vor der Belastung sowie jene nach einem Beanspruchungszyklus korrelieren dabei gut mit den Resultaten der Simulation mit einer durchschnittlichen Abweichung von rund 14 %. Die in der Arbeit aufgebaute Methodik ist daher geeignet, um die zyklische Stabilität der durch den Kugelstrahlprozess in die Randschicht eingebrachten Druckeigenspannungen abschätzen zu können.
Dipl.-Ing. Niklas LEITNER
Titel: AMB16-DA13 "Optimierter Auslegungsprozess von Drosselklappen für große Druckrohrleitungen durch parametrisierte Modellerstellung "
Kurzfassung 12/2017:
Diese Arbeit befasst sich mit der automatisierten Erstellung eines Konstruktionsmodelles für Drosselklappen. Dabei wurde die Methode der Parametrisierung gewählt. Das verwendete Konstruktionsprogramm kommuniziert mit einer zentralen Steuerdatei, in der die analytischen Formeln des Auslegungsprozesses hinterlegt sind. Im ersten Teil der Arbeit wird der Stand der Technik für die Auslegung von Drosselklappen dokumentiert. Es werden die baulichen Anforderungen an diese sicherheitskritischen Maschinenelemente erklärt und die gängigen Ausführungen diskutiert. Im zweiten Teil wird der Prozess der Parametrisierung erläutert und ihre internen und externen Schnittstellen der Datenverarbeitung definiert. Im dritten Teil wird anhand ausgewählter Baugruppen beschrieben auf welche maschinenbaulichen Auslegungen sich die Parametrisierung im Detail stützt. Im letzten Teil wird ein Vergleich der Ergebnisse der automatisierten Modellerstellung mit bereits ausgeführten Anlagen gezogen. Die Arbeit führte zu einer deutlich schnelleren Modellerstellung in der frühen Projektphase von Drosselklappen. Die automatisierte Auslegung kann somit ebenfalls die gesamte Vorauslegung unterstützen. Im exemplarischen Fall des Absperrklappendesigns werden 127 Bauteile, welche in elf Baugruppen gegliedert sind, von ca. 1500 geometrieerzeugenden Parametern über bis zu 300 unabhängige Eingabewerte gesteuert. Das entwickelte Konstruktionswerkzeug kann sechzehn verschiedene Hauptvarianten darstellen und deckt somit bereits jetzt einen Großteil der unterschiedlichen Kundenanforderungen ab. Durch die hohe Genauigkeit bei der Festlegung von Bauteilwandstärken wurden kostenrelevante Schleifen zwischen der Konstruktions- und Berechnungsabteilung im Auslegungsprozess minimiert. Der gesamte Konstruktionsprozess wird um 30 - 50% verkürzt und der allgemeinen Forderung nach konstruktiven Leichtbau durch hohe Auslastungsgrade entsprochen. Angebote für Neuanlagen können somit ebenfalls schnell, effizient und genau abgegeben werden. Das unternehmerische Risiko bei der Angebotserstellung kann durch dieses zuverlässige Vorauslegungstool entscheidend reduziert werden.
Dipl.-Ing. Sebastian POMBERGER
Titel: AMB17-MA01 "Randschichteffekte bei der Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Aluminiumgussbauteilen"
Kurzfassung 09/2017:
Aluminium als Werkstoff für Komponenten des Automobilsektors gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung, besonders durch moderne Gussverfahren lassen sich damit komplexe Bauteile wirtschaftlich realisieren. Die gussrauen Oberflächen können nicht in allen Fällen mechanisch nachbearbeitet werden, weshalb eine Beurteilung von Oberflächentopographien hinsichtlich des Einflusses auf die Langzeitfestigkeit technologisch relevant ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Untersuchung von Randschichteffekten und deren Auswirkung auf die Langzeitfestigkeit durchgeführt. Um die durch die Gussformen bestimmte Oberflächenstruktur untersuchen zu können, werden Flachproben mit gussrauen Oberflächen an charakteristischen Stellen aus zwei Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) Serien entnommen und zur schwingfesten Charakterisierung herangezogen. Zusätzlich werden Proben aus ZKG untersucht, welche durch Heiß-Isostatisches-Pressen (HIP) im Inneren porenfrei sind, wobei ein Versagen aufgrund von Volumsdefekten reduziert werden kann. Anschließende experimentelle Untersuchungen bezüglich der Oberflächentopographie sowie eine Analyse der Bruchflächen sollen eine eindeutigere Bewertung der Randschicht möglich machen. Zunächst wird die gussraue Oberfläche mit einem digitalen Lichtmikroskop eingescannt und Oberflächenkennwerte sowie andere topographische Merkmale ausgewertet. Schwingversuche werden unter schwellender Biegebeanspruchung durchgeführt, um die Rissinitiierung in der Randschicht der gussrauen Oberfläche herbeizuführen. Es zeigt sich, dass die vorhandene geometrische Kerbe, die durch eine Teilungsebene in der Gussform entstanden ist, einen deutlichen Einfluss auf die Langzeitfestigkeit hat. Der Einfluss der Oberflächenrauheit wird ebenfalls ganzheitlich untersucht, ist aber im Vergleich zu diesem Gusskerbeneinfluss weniger signifikant ausgeprägt. Durch eine numerische Kerbspannungsanalyse wird die Kerbformzahl ermittelt und die lokale Kerbspannung berechnet. Eine geHIPte und eine nicht geHIPte Charge werden dabei vergleichend ausgewertet. Es zeigt sich, dass durch eine HIP-Behandlung keine oberflächennahe festigkeitssteigernde Wirkung erzielt wird, da Poren in der Randschicht durch diese Nachbehandlung nicht geschlossen werden bzw. sogar die oberflächennahen Mikroporen zu einer Erhöhung der Kerbformzahl führen. Dies ist gegensätzlich zu publizierten Ergebnissen volumetrischer Untersuchungen ohne Randschicht, welche bei geHIPten Aluminiumgussproben eine deutliche Steigerung der Schwingfestigkeit aufweisen. Zusammengefasst ist zu betonen, dass der fertigungstechnologische Herstellungsprozess von Aluminiumgussbauteilen inklusive möglicher Fertigungsverfahren stets getrennt für Volumen und Randschicht zu betrachten ist.
Dipl.-Ing. Stefan PUßWALD
Titel: AMB17-MA02 "Ermüdungsfestigkeitsbewertung ultrahochfester Schweißverbindungen bei variabler Betriebsbeanspruchung"
Kurzfassung 12/2017:
Damit der laufenden Forderung nach einer Gewichtsreduktion und einem nachhaltigen Materialeinsatz nachgekommen werden kann, ist neben einer effizienten und betriebsfesten Bauteildimensionierung auch der Einsatz von modernen, höherfesten Werkstoffen erforderlich. Durch die Verwendung von ultrahochfesten Feinkornbaustählen und die Kenntnis auftretender Betriebslasten lassen sich beanspruchungsgerechte Leichtbaustrukturen auslegen. Mit Hilfe geeigneter Schweißverfahren können somit komplexe Strukturen erzeugt werden, welche im Kran- und Automobilbau Anwendung finden. In dieser Masterarbeit wird das Ermüdungsverhalten von ultrahochfesten Stumpfnahtverbindungen unter variablen, betriebsähnlichen Schwing-Beanspruchungen untersucht. Um die im Betrieb auftretenden Lasten möglichst realitätsnah abbilden zu können, werden zwei unterschiedliche Belastungskollektive definiert. Dabei handelt es sich auf der einen Seite um ein Geradlinienkollektiv, welches die Beanspruchungen aus Bodenunebenheiten und kleinen Vibrationen widerspiegelt. Das zweite Kollektiv entspricht dem Gaußkollektiv und repräsentiert die typischen Betriebsverhältnisse im Mobilkranbau. Die Schwingversuche werden bei schwellender und wechselnder Normalspannung an unbehandelten, geschweißten Stumpfnahtverbindungen durchgeführt, um neben dem Einfluss der unterschiedlichen Kollektivform auch den Effekt von fluktuierenden Mittelspannungen zu erfassen. Nach einer statistischen Auswertung der Versuchspunkte weisen die Ergebnisse unter variabler Amplitude sowohl im Kurzzeit- als auch im Langzeitfestigkeitsbereich einen deutlich höheren Ermüdungswiderstand als die der Wöhlerversuche auf. Die experimentellen Ergebnisse bei variabler Amplitude werden mit Hilfe einer linearen Schadensakkumulationsrechnung den Resultaten für konstante Beanspruchungsamplituden gegenübergestellt, woraus eine tatsächliche Schadenssumme ermittelt wird. Eine Gegenüberstellung dieser Werte mit den Ergebnissen aus den Versuchen zeigt, dass die tatsächlichen Schadenssummen in einem Bereich von 0.19 bis 2.21 liegen, welche den in der Literatur angegebenen Schadenssummen unter Berücksichtigung des Streubandes entsprechen. Des Weiteren wird eine Umrechnung der Versuchspunkte bei den variablen Beanspruchungen in eine schädigungsäquivalente Spannungsschwingbreite für konstante Belastung durchgeführt. Hierbei wird eine von der Kollektivform unabhängige Schadenssumme von D=0.5 evaluiert, welche den Werten gängiger Empfehlungen entspricht. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die evaluierten Schadenssummen den Werten aus Literatur und Richtlinien entsprechen und daher auch für eine Betriebsfestigkeitsbewertung ultrahochfester Schweißverbindungen anwendbar sind.
Dipl.-Ing. Christoph APFELKNAB
Titel: AMB16-DA06 "Methodenentwicklung zur Bewertung von großflächigen Aluminium-Stahl-Kontakten"
Kurzfassung 03/2017:
Fretting stellt im Allgemeinen einen Prozess dar, bei dem sich eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei unter einer hohen Flächenpressung in Kontakt stehenden Körpern in verschiedensten Schädigungsformen äußern kann. Durch das Auftreten dieses Verschleißphänomens kann die Lebensdauer von Bauteilen deutlich vermindert werden. Deshalb ist es von Bedeutung wissenschaftliche Untersuchungen vor allem in Richtung großflächiger Kontakte durchzuführen. Um Zeit- und Kostenaufwände zu reduzieren, bedarf es einer Prüfkette von der Bauteilprüfung bis hin zur Modellprüfung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Modellversuche an einfachen Probengeometrien mittels einer Linearprüfmaschine zur Bewertung großflächiger Kontakte durchgeführt. Dadurch konnte eine vorhandene Prüfkette zur Untersuchung dieser um eine Modellprüfung erweitert werden. Durch Vorversuche wurde ein grundlegendes Verständnis für die Prüfmaschine sowie eine geeignete Prüfmethodik aufgebaut und die auf die Vorversuche folgenden Hauptversuche zu variierenden Prüfparameter ermittelt. Im Rahmen der Hauptversuche wurde die Materialpaarung Aluminium-Sinterstahl unter den zuvor definierten Belastungsparametern geprüft und mit verschiedensten Auswertemethodiken ausgewertet. Neben der Betrachtung der während dem Versuch aufgezeichneten Messgrößen, wie Reibkraft und Prüfweg, wurden die entsprechenden Proben gravimetrisch und schadensanalytisch bezüglich Verschleiß analysiert und entsprechende Bewertungsgrößen daraus abgeleitet. Eine optimale Auswertung und Bewertung der durchgeführten Versuche gestaltete sich durch eine während der Versuche auftretende Veränderung der Steifigkeit des Linearprüfstandes als herausfordernd. Mit dem Aufstellen einer Running-Condition-Fretting-Map wurde die, für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche, geeignetste Bewertungsmethodik definiert. Dabei werden die beanspruchten Aluminiumoberflächen hinsichtlich der Bereiche mit auftretenden Haft- und Gleit-Zonen subjektiv optisch bewertet und die jeweiligen entsprechenden prozentuellen Anteile ermittelt. Die Anteile der Gleit-Zonen werden anschließend in der Running-Condition-Fretting-Map der jeweils aufgebrachten Flächenpressung und Schwingbreite zugeordnet. Das Ergebnis zeigt, dass mit steigender aufgebrachter Wegschwingbreite und mit geringeren vorliegenden Flächenpressungen ein größerer Anteil an Gleit-Zonen vorliegt und somit die Oberflächen dementsprechend stärkere Schädigungen aufweisen. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit durch eine schadensanalytische Betrachtung der geprüften Aluminiumproben eine Hypothese für den Schadensvorgang definiert werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass kein rein adhäsiver Verschleiß vorliegt, sondern dass vorwiegend ein komplexer Prozess mit elastisch-plastischen Umformungen und damit verbundenen ermüdungsbedingten Rissbildung und Risswachstum ausgehend von der Oberfläche in das Material sowie auch parallel zur Oberfläche im Material, in Kombination mit adhäsivem Verschleiß wirkt. Dieser Schädigungsmechanismus konnte durch Anfertigung von metallographischen Schliffen an ausgewählten geprüften Aluminiumproben aus der Modellprüfung bis hin zur Bauteilprüfung nachgewiesen werden.
Begleitend zur Versuchsdurchführung wurden numerische Simulationen, basierend auf der einfachen Kontaktgeometrie der Modellprüfung durchgeführt. Dabei wurden in erster Linie die lokalen Kontaktgrößen, wie Kontaktdruck und relativer Schlupf, näher betrachtet. Darauf aufbauend erfolgte die Umsetzung einer Methodik zur numerischen Abbildung des Verschleißes an den in Kontakt stehenden Oberflächen. In weiterer Folge wurden Verfahren angewandt, um die für Fretting typischen Haft- und Gleit-Zonen nachzubilden. Mit diesen Simulationen ist es jedoch nicht möglich, die in den experimentellen Versuchen auftretenden komplexen Schädigungsmechanismen nachzubilden.
Dipl.-Ing. Philipp WALUS
Titel: AMB17-MA03 "Effizienz- und Qualitätssteigerungspotentiale der End- und Funktionsprüfung am Beispiel des End-Checks einer Zerkleinerungsmaschine"
Kurzfassung 09/2017:
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der End- und Funktionskontrolle von Maschinen in der Klein- und Mittelserienfertigung. Der Kundenwunsch nach hoch individuellen Produkten und aktuelle Entwicklungen wie Automation und Digitalisierung stellen gerade klein- und mittelständische Unternehmen vor große Herausforderungen. Ziel ist es, am Beispiel einer Zerkleinerungsmaschine diese Herausforderungen aufzuzeigen und ein Konzept abzuleiten, das eine effiziente, sichere, schnelle, aber auch wirtschaftliche End- und Funktionskontrolle ermöglicht. Aufbauend auf der Analyse der bestehenden Umsetzung, in der die Maschinen nach Montageende anhand von Papier-Check-Listen händisch überprüft werden, wird zunächst das Potential durch Digitalisierung diskutiert. Darauf basierend liegt der Hauptfokus der Arbeit darin, Möglichkeiten zur Automatisierung der einzelnen Checkpunkte aufzuzeigen und schlussendlich ein Konzept vorzustellen, wie die End- und Funktionsprüfung in Zukunft aussehen könnte. Ergebnis ist ein Konstruktionsplan in drei Umsetzungsstufen, der es ermöglichen soll, im Rahmen der Endkontrolle automatische Prüfabschnitte abzuhalten. Dabei können Parameter und Zustände aus der zu prüfenden Maschine eingelesen werden, sowie Funktionsproben abgehalten werden, welche durch geeignete Sensorik automatisch überprüft werden. Wesentliche Anforderungen an den Konstruktionsplan waren ein unkompliziertes, einfaches Anbringen der Sensorik, Entlastung der Mitarbeiter, eine hohe Verlässlichkeit und Sicherheit der Sensorik, die Verwendung von hochwertigen Industrieprodukten und eine wirtschaftlich kostengünstige Umsetzungsmöglichkeit. Durch den vorgestellten Konstruktionsplan lassen sich schlussendlich nahezu die Hälfte der Abschnitte der End- und Funktionsprobe automatisch abhalten und einige weitere können durch menschliche Unterstützung automatisch erfasst werden.
Dipl.-Ing. Robert PÖLLINGER
Titel: AMB17-MA04 "Numerische Bewertung der Schwingfestigkeit geschraubter Blechbauteile "
Kurzfassung 12/2017:
Schraubverbindungen werden aufgrund ihrer leichten Montier- und Lösbarkeit häufig für die Verbindung von Anbauteilen wie Batterien, Behälter etc. im Automobilbau eingesetzt. Ein Versagen der Verbindung tritt dabei nicht immer in den Verbindungselementen ein. Besonders bei dünnen Blechen mit einer Dicke von t = 0,8 mm - 1,5 mm, welche häufig im Karosseriebau eingesetzt werden, stellt der Anriss an Randbereichen der Auflageflächen von Verschraubungen zu den Bauteilen ein häufiges Bauteilversagen dar. Für die numerische Simulation der Karosserie werden bestimmte Richtlinien benötigt, um eine Finite-Elemente-Modellierung schnell und idealerweise automatisiert durchzuführen. Dabei spielt die Vernetzung in und um Verschraubungsstellen eine wichtige Rolle. Für die Untersuchung wurden Schalenmodelle einfacher Scher- und Kopfzugmodelle nach Modellierungsvorgabe vorhandener Vernetzungsrichtlinien und 3D-Referenzmodelle mit sehr feiner Diskretisierung modelliert und berechnet. Die auftretenden Schädigungen, welche mit der Lebensdaueranalyse-Software FEMSITE auf Basis der Spannungen aus der FE-Berechnung dehnungsbasiert berechnet wurden, sind mit Versuchsergebnissen aus der Literatur sowie den Schädigungsergebnissen der fein vernetzten 3D-Referenzmodellen validiert worden. Durch den Vergleich der Richtlinien konnte eine Vernetzungsrichtlinie gefunden werden, die den geforderten Anforderungen bezüglich Genauigkeit der Abschätzung und Einfachheit der Umsetzung entspricht. Die Schädigungsergebnisse der entwickelten Richtlinie bei verschiedenen Blechdicken und Werkstoffen zeigten mit den Schalenmodellen der Kopf- und Scherzugproben eine sehr gute Übereinstimmung mit Schädigungsergebnissen der linear berechneten 3D-Referenzmodelle. Durch die numerische Untersuchung der Schraubenkopfgeometrie mithilfe des 3D-Referenzmodells konnte anhand der Scherzugversuche gezeigt werden, dass die Fertigungstoleranz des Schraubenkopfs einen deutlichen Einfluss auf den Ort der maximalen Schädigung hat. Weiters konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der Vorspannung, sofern der Reibschluss zwischen den Bauteilen aufrechterhalten wird, vernachlässigbar auf das Schädigungsergebnis ist. Der Einfluss des linearisierten Kontakts, bei dem benachbarte Elementknoten über die gesamte Berechnung geschlossen bleiben, beeinflusst das Schädigungsergebnis viel mehr. Der Einfluss der Reibkorrosion und der Wärmeeinfluss durch das Aufschweißen der Mutter konnte mittels der 3D-Referenzmodelle numerisch weder widerlegt noch bestätigt werden. Für die Klärung sind weitere Versuche an Bauteilen notwendig. Für die Überprüfung der entwickelten Vernetzungsrichtlinie an einem umfangreichen Modell der Praxis wurde ein Rahmen eines Energiespeichermoduls mit einer Blechdicke von t = 1,8 mm und dem Werkstoff DC04 ausgewählt, da dort ein Anriss nach 5,3 Stunden am Schwingtisch nach vorgegebenen Beschleunigungs-Zeit-Verlauf mit einer Gesamtlaufzeit von 120 Stunden entstand. Durch die seit längerer Zeit eingesetzte Standardvernetzung mit Abaqus S4R-Elementen bzw. S4-Elementen und einer nichtlinearen Berechnung konnte kein Versagen bzw. ein Versagen nur im späten Prüfungsverlauf vorausgesagt werden. Durch den Einsatz der entwickelten Richtlinie an diesem Rahmen konnte eine deutliche Verbesserung der Voraussage des Ortes und des Zeitpunktes des Bauteilversagens erzielt werden.
Dipl.-Ing. Martina STROHMAYER
Titel: AMB17-MA06 "Anwendung der numerischen Gusssimulation für Stahlgussbauteile"
Kurzfassung 12/2017:
In Stahlgussbauteilen können aufgrund der thermophysikalischen Eigenschaften der Werkstoffe Imperfektionen, wie beispielsweise Schwindungsporen und Lunker, auftreten. Diese Ungänzen können die lokale Ermüdungsfestigkeit wesentlich beeinflussen und müssen somit im Auslegungsprozess berücksichtigt werden. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Geometrie von Stahlgussproben hinsichtlich einer definierten Porosität numerisch zu optimieren. Aus diesen Gussteilen sollen in weiterer Folge Schwingversuchsproben entnommen werden, um den Einfluss von Poren auf die lokale Ermüdungsfestigkeit in Stahlgussbauteilen zu untersuchen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Bewertung von verschiedenen Simulationsprozessparametern auf die Ausbildung der allgemeinen Porositätsverteilung. Diese Vorstudien werden als Basis für die weiterführenden Untersuchungen verwendet. In der Hauptstudie wird anhand von Parametervariation festgestellt, welchen Effekt einzelne Geometrieparameter auf die Porosität ausüben. Darüber hinaus werden das Gusssystem sowie die Speiser evaluiert und den Anforderungen entsprechend modelliert. Die Geometrie wird so festgelegt, dass das Gusssystem und die globalen Abmessungen unverändert bleiben, wobei durch die Variation einzelner Parameter die Form und Größe der Inhomogenität beeinflusst wird. Aus der Hauptstudie resultieren vier Parametersätze, welche charakteristisch unterschiedliche Ausbildungsgrade der Porosität aufweisen. Des Weiteren wird eine Geometrie zur Untersuchung der gussrauen Oberfläche festgelegt, welche den prozesstechnischen Randbedingungen der zuvor entwickelten Volumensprobe entspricht, aber nur eine minimale Defektanzahl im Inneren aufweist. Abschließend wird ein Prüfkörper gießtechnisch simuliert, welcher aus einem makroskopisch porenfreien Gussstück und einem porenbehafteten Speiser besteht. Anhand dieser Probe wird ein Vergleich zwischen der numerischen Simulation und dem realen Gussteil ermöglicht. Die Gegenüberstellung des simulierten und realen Speisers zeigt, dass die Tendenz für die Bildung des Hohlraums gegeben ist und somit die in der Arbeit angewendete Simulationsmethodik zur Abschätzung der Porenverteilung geeignet ist. Demnach kann festgehalten werden, dass die Porosität des Gussteils in Abhängigkeit von der Geometrie durch die Gießprozess-Simulation im technischen Rahmen prognostiziert werden kann. Eine weitere Validierung der Simulation ist durch Röntgen, Computertomographie (CT) und visuelle Untersuchung der im Abguss befindlichen Proben als nächster Schritt der grundlagenorientierten Forschungsarbeit geplant.
Dipl.-Ing. Michael PUSTERHOFER
Titel: AMB16-DA05 "Bewertung des Einflusses von Wellen-Oberflächenstrukturen auf das tribologische Verhalten von Gleitlagern"
Kurzfassung 03/2017:
Die derzeitige Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen verfolgt die Reduktion von Treibstoffverbrauch und Schadstoffemissionen mit Ansätzen im Bereich des Leichtbaus und der Reibungsreduktion. Die Kurbelwelle als eine wichtige Motorkomponente ist dabei auch Gegenstand dieses Optimierungsprozesses. Beispielsweise bietet der Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen gewisse Gewichtsund Kostenvorteile. Aufgrund der Oberflächenstruktur solcher Kurbelwellen werden die gestellten Anforderungen an die Betriebsrobustheit der hydrodynamischen Gleitlagerungen, besonders bei höher belasteten Motoren, jedoch nur zum Teil erfüllt. Die Optimierung der gusseisernen Laufflächen durch verschiedene Oberflächen-Bearbeitungsprozesse würde daher den Einsatz von Kurbelwellen aus Gusseisen auch in höher belasteten Motoren ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit erfolgt ein Screening verschiedener Werkstoff- und Bearbeitungsvarianten von Kurbelwellen. Neben serienmäßig polierten Stahlkurbelwellen werden Gusskurbelwellen mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen, sowie eine geschliffene Stahlkurbelwelle untersucht. Die anwendungsnahe Prüfung in einem Rotationstribometer mit Gleitlager-Konfiguration zeichnet sich durch die Probenentnahme aus den fertig bearbeiteten Kurbelwellen, sowie die Verwendung der originalen Lager und Schmiermittel aus. Der Schwerpunkt der anschließenden Auswertung der durchgeführten Start-Stopp-Versuche liegt dabei auf Lagerschalen-Verschleiß und Reibenergie. Begleitend zu den Versuchen wird eine Simulation der hydrodynamischen Gleitlagerung im Prüfstand durchgeführt. Dabei erfolgt die Berücksichtigung der hydrodynamischen Effekte der verschiedenen Oberflächenstrukturen über die Einbindung von Flussfaktoren, welche direkt von der vermessenen Mikrotopographie abgeleitet werden. Mit der durchgeführten Methodik können die Verschleiß- und Reibungsunterschiede gut aufgelöst werden. Die serienmäßig polierte Stahlwelle zeigt im Ranking der untersuchten Wellenvarianten die geringsten Misch- und Flüssigkeitsreibungsverluste und produziert den geringsten Lagerverschleiß. Eine geschliffene Stahlwelle sowie die verschiedenen Gusskurbelwellen weisen ein schlechteres Reibungs- und Verschleißverhalten auf, wobei das Verhalten der Gusswellen durch gezielte Oberflächenbearbeitung beeinflusst werden kann. Der Abgleich der Versuchs- und der Simulationsergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung, und diente zum Überprüfen und Abgleichen der Simulationsmethodik, sowie zur Verifikation der Reibungsmessungen am Prüfstand. Weiters ist das Erlangen grundlegender Erkenntnisse über das Verhalten verschiedener Oberflächenstrukturen auf Durchfluss, Druckaufbau und Reibungsverluste möglich.
Dipl.-Ing. Patrick Hermann HÖFFERER
Titel: AMB16-DA08 "Umlaufbiege-Verhalten eines Maraging-Stahls"
Kurzfassung 06/2017:
Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines nichtrostenden martensitisch aushärtenden Cr-Ni-Cu-Stahls, X5CrNiCuNb16-4 (1.4542 nach ÖNORM EN 10088-3). Durch eine Wärmebehandlung, dem Auslagern, bilden sich im Werkstoff Ausscheidungen, die zu einer Festigkeits- und Härtesteigerung führen. Werkstoffe dieser Art werden für Bauteile in der Fahrzeug- und Flugzeugindustrie verwendet. Ziel war die Umlauf-Biegewechselfestigkeit des Werkstoffs im HCF Bereich zu analysieren. Es wurden Wöhlerversuche an gekerbten Proben mit zwei unterschiedlichen Durchmessern durchgeführt. Des weiteren wurde der Einfluss der Wärmebehandlung analysiert. Die Versuchsergebnisse von wärmebehandelten Proben wurden den Ergebnissen von Proben ohne Wärmebehandlung gegenübergestellt und diskutiert. Eine weitere Aufgabe war ein Simulationsmodell zu entwickeln, das die tatsächliche Beanspruchung einer Umlaufbiegeprobe simulationstechnisch darstellt. Es wurde darauf geachtet Probeneinspannung, Belastung und tatsächliche Abstände am Umlaufbiegeprüfstand zu berücksichtigen. Auf Basis dieses Simulationsmodells wurden Modellvereinfachungen und Änderungen in der Probengeometrie analysiert. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurden die Umlaufbiegeprüfmaschinen sicherheitstechnisch optimiert und kalibriert. Es wurden Umlaufbiegeversuche mit dem Grundmaterial und drei Wärmebehandlungen durchgeführt. Die effektiven Auslagerungszeiten lagen zwischen 1 und 10,5 Stunden. Die Versuchsergebnisse der Proben mit Nennquerschnittsdurchmesser d=4,00mm zeigen, dass im Vergleich zu den Versuchsergebnissen des Grundmaterials bei steigender Dauer der Wärmebehandlung die Steigung k der Zeitfestigkeitsgeraden steigt, so weisen die Ergebnisse der Proben mit einer Auslagerungszeit von 10,5 Stunden eine Steigung von k=12,06 auf. Bezüglich des Dauerfestigkeitsniveaus lassen sich folgende Aussagen treffen. Mit der Durchführung einer Wärmebehandlung wird kein höheres Dauerfestigkeitsniveau erreicht. Bis zu einer Auslagerungszeit von 1,5 Stunden sinkt die Dauerfestigkeit im Vergleich zum Grundmaterial um rund 14%. Bei einer längeren Behandlungsdauer wird eine um 3% geringere Dauerfestigkeit erreicht. Die Versuchsergebnisse der Proben mit Nennquerschnittsdurchmesser d=7,50mm zeigen die gleichen Auswirkungen einer Wärmebehandlung auf die Zeitfestigkeitsgerade und auf das Dauerfestigkeitsniveau. Das Dauerfestigkeitsniveau des wärmebehandelten Materials liegt im Vergleich zum Grundmaterial um 14% niedriger. Die Steigung der Zeitfestigkeitsgeraden beträgt k=11,53. Die Erkenntnis der Parameterstudie bezüglich der Modellvereinfachungen ist, dass sich das Gesamtmodell auf ein Simulationsmodell des Kerbbereichs reduzieren lässt. Bei der Optimierung der Prüfmaschinen wurde eine Abweichung um 2,85% zwischen tatsächlichen Probenspannung und berechneten Probennennspannung ermittelt und in einem neuen Excel-Berechnungsfile für die Versuchsspannung berücksichtigt.
Dipl.-Ing. Pia HOFMANN
Titel: AMB15-DA04 "Entstehungsmechanismen von Zinkspitzen beim Widerstandspunktschweißen an feuerverzinkten Stahlfeinblechen"
Kurzfassung 12/2016:
Widerstandspunktschweißen ist vor allem in der Automobilindustrie das vorrangig eingesetzte Fügeverfahren bei der Fertigung von Karosserien. Bis zu 5000 Schweißpunkte finden sich in einer einzigen Fahrzeugkarosse, weswegen Hersteller und Verarbeiter stets um die Optimierung der Prozessparameter und des Schweißergebnisses bemüht sind. Einige neuartige metallische Überzüge auf Blechen erschweren den Schweißprozess jedoch. Konkret treten beim Punktschweißen von Zink-Magnesium (ZM) beschichteten Stahlfeinblechen an der Schweißpunktoberfläche sogenannte Spitzen bzw. Grate auf, die zum einen den späteren Lackiervorgang beeinträchtigen können und zum anderen optisch störend sind, vor allem in für Kunden sichtbaren Bereichen wie beispielsweise dem Türrahmen von Fahrzeugen. Diese Spitzen stellen ein bisher unbekanntes Phänomen dar, welches bei vergleichbaren metallischen Überzügen nicht und auch bei ZM nur unter speziellen Bedingungen auftritt. Während die neuartige ZM-Überzug in vielen Gesichtspunkten, wie zum Beispiel der Presswerkzeugabnutzung beim Umformen und der Korrosionsbeständigkeit, große Vorteile mit sich bringt, ist die Verarbeitbarkeit aufgrund dieser Punktschweißproblematik dennoch eingeschränkt. Im Rahmen der Arbeit wurden daher mögliche Entstehungsmechanismen der Zinkspitzen evaluiert, wurden Schweißpunkte optisch bewertet und mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die Schweißparameter wurden vielfach variiert, um deren Einfluss auf die Oberflächenqualität zu beurteilen. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Elektrodengeometrie, der Schichtdicke, der Blechölung, sowie der Elektrodenabnutzung in eine umfangreiche Parameterstudie inkludiert. Als zielführend haben sich Untersuchungen mit Fokus auf die Temperaturentwicklung an der Schweißpunktoberfläche erwiesen, da die Zinkspitzen nur in einem bestimmten Temperaturbereich entstehen können. Dieser Bereich wurde experimentell bestimmt und entsprechende Schweißparameter gefunden, die zu optisch akzeptablen Schweißpunkten auf ZM-Blechen führen. Der Entstehungsmechanismus, beruhend auf Anlegierungen an rauen Elektrodenoberflächen, kombiniert mit schmelzflüssigem Schichtmaterial zum Zeitpunkt des Elektrodenabhubs, wurde detailliert untersucht. Abhilfemaßnahmen konnten aufgrund des Verständnisses der Zinkspitzenentstehung - unter Berücksichtigung der großtechnischen Umsetzbarkeit - formuliert werden. Diese reichen von der Optimierung der Schweißparameter, hinsichtlich Wärmeeinbringung und Elektrodenpolitur nach dem Fräsvorgang, bis hin zur Änderung der Schweißpunktabfolge zugunsten niedrigerer Gesamtblecherwärmung.
Dipl.-Ing. Gabriel STADLER
Titel: AMB16-DA02 "Numerische und versuchstechnische Bewertung von tribologischen Kontakten"
Kurzfassung 06/2016:
Bedingt durch steigende Umweltanforderungen werden Automobilhersteller zu einer effizienteren Umsetzung von fossilen Brennstoffen gedrängt. Um diese zu erfüllen, gewinnen Kraftstoff sparende Technologien wie beispielsweise Start-Stopp und Hybrid immer mehr an Bedeutung. Für Gleitlager im Verbrennungsmotor folgen daraus problematische Betriebsverhältnisse. Da der Mischreibungsbereich immer mehr durchfahren wird, erhöhen sich Reibung und Verschleiß. Um diesen Verlusten entgegen zu wirken, bedarf es weiteren Entwicklungen bei Mikrostrukturen der Oberfläche sowie den eingesetzten Werk- und Betriebsstoffen, unterstützt durch tribologische Simulationen. Bei diesen wird der Festkörperkontakt mittels Kontaktmodellen berücksichtigt. Im Zuge dieser Arbeit werden Kontakte mithilfe drei verschiedener Ansätze beschrieben. Diese beinhalten die Anwendung der häufig verwendeten statistischen Modelle sowie die Durchführung von Versuchen und numerischer Untersuchungen. Zweck der Betrachtung dieser Methoden ist die Abwägung des jeweils nötigen Aufwandes zu den erzielten Resultaten und einem Vergleich untereinander. Darüber hinaus liegt ein Augenmerk auch auf einer Beurteilung der Aussagekraft dieser Methoden. Der erste Zugang ist die Auswertung von fünf statistischen Modellen nach Greenwood-Williamson (GW), Chang-Etsion-Bogy (CEB), Zhao-Maietta-Chang (ZMC), Kogut-Etsion (KE) und Jackson-Green (JG). Für die Evaluierung der einzelnen Modelle werden Lagerschalen mit unterschiedlichen Werkstoffen und Oberflächen eingesetzt. Um die erforderlichen Parameter zu erhalten, müssen Oberflächenvermessungen und Indentierungen durchgeführt werden. Die Auswertung erfolgt mittels einer selbstentwickelten Matlab R?-Routine. Eine weitere Aufgabe ist es eine neue Versuchsanordnung für vorhandene Probengeometrien aufzubauen. Für die Durchführung dieser Prüfung wird die Härteprüfmaschine ZHU 2,5 von Zwick-Roell verwendet. Der Versuch dient dazu, das Verhalten bei Festkörperkontakt von konventionellen Welle-Gleitlagerpaarungen zu zeigen. Zusätzlich werden anhand von ABAQUSR?- Simulationen die vorliegenden Kontaktverhältnisse ermittelt. Dabei wird anhand der Oberflächenvermessungsdaten in Hypermesh R? ein Netz erstellt und in die FEM-Software implementiert. Um den Rechenaufwand gering zu halten, erfolgt eine Dimensionsreduzierung von einem 3D- zu einem 2D-Modell. Ziel dieser Methoden ist das Verhalten des Kontaktdruckes über die Verformung der Oberflächen zu untersuchen. Es zeigt sich, dass bei der Verwendung der Modelle die Kontaktdrücke der einzelnen Werkstoffe größere Unterschiede untereinander aufweisen als die Zunahmen der Kontaktflächen. Auch die Ergebnisse der einzelnen Kontaktmodelle weichen bei denselben Geometrien aufgrund der unterschiedlichen Gewichtung von Parametern deutlich voneinander ab. So steigt der Kontaktdruck des GW-Modells aufgrund der rein elastischen Betrachtung gegenüber den anderen Modellen auf einen bis zu 50 Prozent höheren Wert an. Auch die Fläche nimmt mit dem GW-Modell bei gleichem Druckanstieg weniger stark zu. Wie aus den Ergebnissen der Kontaktmodelle und den Simulationsresultaten hervorgeht, ist bei größeren Verformungen ein Einfluss der unterschiedlichen Werkstoffe vorrangig gegenüber den Oberflächenrauheiten. Die Versuchsergebnisse zeigen Unterschiede in den Steifigkeiten bei verschieden Lagerschalentypen. Diese können bedingt durch systematische Fehlerquellen (z.B. Maschinensteifigkeit) allerdings nicht absolut angesehen werden. Das Resultat sind aus dem neuen Versuchsaufbau gewonnene Kontaktdaten und die daraus resultierende Erkenntnis für Notwendigkeit einer Weiterentwicklung der Versuchsmethodik. Ein Vergleich der Methoden verdeutlicht einerseits die starke Abweichung der Versuchsdaten zu den Simulations- und Kontaktmodelldaten, zeigt aber andererseits, dass die Simulation und Kontaktmodelle abhängig von Parametern vergleichbare Resultate liefern.
Dipl.-Ing. Florian STEINWENDER
Titel: AMB16-DA01 "Einfluss von verschleißreduzierenden Hartschichten auf das Schwingfestigkeitsverhalten"
Kurzfassung 06/2016:
Zur Aufbereitung von Müll, Holz und Grünschnitt werden stationäre und mobile Zerkleinerungsmaschinen eingesetzt, wobei die integrierten maschinenbaulichen Komponenten hohen lokalen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Neben einer komplexen Strukturbeanspruchung unterliegen im Speziellen die Schneidwerkzeuge einem erhöhten Verschleiß, weshalb diese an der Oberfläche mit einer aufgeschweißten Hartschicht verstärkt werden. Dieser komplexer Fertigungsschritt wirkt sich einerseits positiv auf den Verschleißwiderstand aus, wodurch die Standzeit und in weiterer Folge die Wartungszeiten und Kosten reduziert werden und ein effizienter Betrieb dieser Maschinen ermöglicht wird. Andererseits ergibt sich durch die vergleichsweise spröde Hartschicht und dem thermo-mechanischen Auftragsschweißprozess eine Beeinflussung der lokalen Materialeigenschaften im hochbeanspruchten Bereich, woraus eine Reduktion der Ermüdungsfestigkeit resultieren kann.
Ziel der Arbeit ist es, den Effekt aufgeschweißter Hartschichten auf die lokale Lebensdauer unter typischen im Betrieb herrschenden Strukturbeanspruchungen zu ermitteln. Für die geforderte Schwingfestigkeitsuntersuchung wurde zunächst eine geeignete Prüfkörpergeometrie und Prüfmethodik erarbeitet, welche die realen Betriebsbedingungen im Versuch abbilden kann. Basierend auf einer umfangreichen experimentellen Studie wurde eine Vielzahl an Schweißproben, mit unterschiedlichen Zusatzwerkstoffen und Schweißprozessparametern gefertigt. Bei den Probenserien wurden zudem auch die Schweißnahtorientierung und der Einfluss des Nahtendes auf die Lebensdauer untersucht.
Die Ergebnisse der Versuche zeigen einen signifikanten Einfluss der Hartschicht auf das Ermüdungsverhalten mit einer Reduktion der Langzeitfestigkeit von rund dreißig Prozent gegenüber dem verwendeten Grundmaterial aus Baustahl. Metallographische Untersuchungen und Bruchflächenanalysen, sowie flächige Oberflächenhärtemessungen stellen zusätzlich eine Grundlage für die Charakterisierung lokaler Eigenschaften und deren Auswirkung auf die Lebensdauer dar.
Basierend auf den einzelnen Resultaten kann je nach struktureller Ermüdungsbeanspruchung eine spezifische Auswahl der Hartschicht erfolgen, wodurch eine beanspruchungsgerechte Fertigung der Werkzeuge ermöglicht wird.
Dipl.-Ing. Philipp PAUER
Titel: AMB15-DA08 "Abschätzung der Schwingfestigkeit bei geringen Ausfallwahrscheinlichkeiten auf Basis des statistischen Größeneffektes"
Kurfassung 06/2016:
Im Zuge des fortschreitenden Leichtbaugedankens in der Automobilindustrie steigt die Nachfrage nach statistisch abgesicherten Materialkennwerten zur Auslegung und Dimensionierung hochbeanspruchter Fahrzeugkomponenten. Dabei ist insbesondere in der Serien- und Massenfertigung eine Gewährleistung geringer Ausfallwahrscheinlichkeiten von großer Relevanz, wobei eine genaue Kenntnis der Schwingfestigkeit und der zugrundeliegenden Streuung Voraussetzung ist. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Abschätzung der Schwingfestigkeit auf Basis des statistischen Größeneffekts präsentiert und anhand experimenteller Schwingfestigkeitsuntersuchungen validiert. Für die statistische Absicherung der nachfolgenden Versuche wurden im ersten Teil gängigeWöhlerlinien-Auswerteverfahren mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen auf ihre Treffsicherheit und Schätzgüte untersucht. Aus den Ergebnissen wurden sowohl Empfehlungen für die Anwendung der Verfahren, als auch statistisch begründete Streuspannen abgeleitet. Demnach ist für die Auswertung des Zeitfestigkeitsbereiches das Perlenschnurverfahren als vorrangige Methodik anzuwenden. Steht zur Bestimmung der Langzeitfestigkeit nur eine geringe Anzahl an Proben zur Verfügung und ist lediglich der Mittelwert von Interesse, so zeigt das Arcsin? P-Verfahren eine gute Anwendbarkeit. Soll neben dem Mittelwert auch die Streuung der Langzeitfestigkeit ausgewertet werden so ist das Treppenstufenverfahren mit einer Auswertung nach der IABG-Methode, zu bevorzugen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden anhand von zwei unterschiedlich langen Rundproben, bestehend aus einer gegossenen AlSi8Cu3-Legierung, Wöhlerversuche durchgeführt und die Ergebnisse im Hinblick auf den statistischen Größeneffekt bewertet. Die dazu notwendigen höchstbeanspruchten Volumina der beiden Probengeometrien wurden mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen evaluiert, wobei sich ein Größenverhältnis von etwa eins zu zehn ergab. Die statistische Auswertung der Versuchsergebnisse zeigt dabei einen signifikanten Einfluss der Größe des hochbeanspruchten Volumens auf die sich ergebende Schwingfestigkeit. Eine abschließende Berücksichtigung der Extremwertverteilung von den im gegossenen Grundmaterial auftretenden Poren bildet die Grundlage zur Ableitung zyklischer Materialkennwerte für geringe Ausfallwahrscheinlichkeiten im ppm-Bereich und dient als Basis zur sicheren und wirtschaftlichen Auslegung von Gußbauteilen im Automobilbau.
Dipl.-Ing. Uwe GSCHLIESSER
Titel: AMB15-DA07 "Neuentwicklung einer optimierten Hacktrommel von schnelllaufenden Holzzerkleinerern"
Kurfassung 06/2016:
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konzeptionierung, Entwicklung, technischen Umsetzung und Betriebsfestigkeitsbewertung einer Hacktrommel eines schnelllaufenden, mobilen Holzzerkleinerers. Die Hacktrommel stellt ein dynamisch hochbelastetes, sicherheitskritisches Bauteil dar, welches hinsichtlich strukturellen Leichtbaus bereits im Designstadium zu bewerten ist. Die mit Werkzeugen bestückten Trommeln unterliegen hierbei unterschiedlichen, komplexen tribo-mechanischen Anforderungen. Ziel der Tätigkeiten ist die Entwicklung einer universell einsetzbaren Konstruktion unter Berücksichtigung der vorgegebenen, betriebsbedingten Rahmenbedingungen, welche den vergleichsweise rauen Umgebungsbedingungen und hohen lokalen Strukturbeanspruchungen im Betrieb für eine definierte Einsatzdauer standhält. Die Arbeit umfasst einen Überblick über die Methoden der Holzaufbereitung und den Einsatz von Holz als Brennstoff sowie den Bereich der Holzzerkleinerung mit den damit verbundenen Schnittkräften und Einflussfaktoren. Des Weiteren wird die Betriebsfestigkeitsbewertung von Schweißkonstruktionen anhand Strukturspannungen mittels numerischer Methoden skizziert. In einem iterativen Prozess werden Gestaltungskonzepte für die Hacktrommel erarbeitet und hinsichtlich eines möglichen Einsatzes im realen Betrieb bewertet. Die Konstruktionsvarianten der einzelnen Konzepte wurden mittels einer numerischen Strukturspannungsanalyse überprüft und bezüglich der auftretenden lokalen Spannungszustände konstruktiv optimiert. Nach einer technisch-wirtschaftlichen Bewertung, wurde das optimale Konzept konstruktiv umgesetzt und an die betrieblichen Ansprüche hinsichtlich Montage und Wartung angepasst. Als Resultat liegt eine mittels numerischer Spannungsanalyse konstruktiv optimierte Variante einer schnelllaufenden Hacktrommel als Designkonzept vor, welche die hohen Ansprüche im rauen Betrieb bestmöglich erfüllt
Dipl.-Ing. Florian OBERHOFER
Titel: AMB15-DA03 "Entwicklung einer Programmierung zur Durchführung von statischen und dynamischen Torsionsprüfungen"
Kurfassung 06/2016:
Um zukünftig einen Prüfstand für reine Torsionsversuche zur Verfügung zu haben, wurde eine Programmierung für einen konstruktiv bestehenden Torsionsprüfstand entwickelt. Durch die Programmierung wird eine automatisierte Prüfung für statische und dynamische Versuche ermöglicht. Die Versuchsergebnisse sind für die Betriebsfestigkeit von großer Bedeutung, da bei Simulationen und Bauteilberechnungen auf diese zurückgegriffen werden. Bei dynamischen Versuchen kann bei beliebigem Spannungsverhältnis geprüft werden, wobei das maximale Drehmoment 34Nm nicht überschreiten soll. Statische Versuche können bis 34Nm ohne Getriebe durchgeführt werden. Um statische Versuche auch bei Belastungen bis 1kNm durchführen zu können, besteht die Möglichkeit des Einsatzes eines Getriebemoduls. Sowohl für statische als auch für dynamische Versuche wurde eine Datenaufzeichnung implementiert. Die Eingaben und Bedienung der Versuche erfolgt in einer eigens für den Torsionsprüfstand programmierten Visualisierung. Zu Beginn wird ein Überblick über die wichtigsten Zusammenhänge und Formeln für Torsionsversuche gegeben, welche später zum Durchführen von Prüfungen und deren Auswertung notwendig sind. Danach wird der Aufbau des Torsionsprüfstandes betrachtet und dessen Komponenten erklärt. Im Anschluss wird die Programmierung anhand der Struktur und der Reihenfolge der Programmabschnitte aufgearbeitet und die wichtigsten Funktionen erläutert. Dabei wird auch auf die eigens erstellte Datenaufzeichnung eingegangen. Die Zusammenhänge zwischen Visualisierung und Programm stellen den Abschluss der Programmcodebeschreibung dar. Um die Programmierung zu testen, wurden dynamische und statische Validierungsversuche durchgeführt. Die Versuchsergebnisse der dynamischen Versuche wurden ausgewertet, in eine Torsionswöhlerlinie eingetragen sowie Anrisse und Bruchflächen analysiert. Es kamen sowohl gekerbte als auch ungekerbte Proben verschiedener Stähle sowie ein Kunststoffwerkstoff zum Einsatz. Die statischen Validierungsversuche werden in einem Torsionsmoment-Verdrehwinkel-Diagramm dargestellt und diskutiert. Abschließend werden diverse Möglichkeiten zur Erweiterung, resultierend aus den gemachten Erfahrungen, beschrieben.
Dipl.-Ing. Michael KOCH
Titel: AMB15-DA06 "Einfluss der Vorverfestigung auf statisches und zyklisches Kriechverhalten von Ti-6Al-4V"
Kurfassung 10/2016:
Das Kriechverhalten von Ti-6Al-4V ist ein wichtiger Faktor bei der Auslegung von sicherheitsrelevanten Bauteilen unter thermomechanischer Belastung. Durch Verfestigungen wird das Verformungsverhalten des Werkstoffs stark beeinflusst. Jedoch ist über den Einfluss der Verfestigung des Werkstoffs auf das Kriechverhalten noch nicht ausreichend Kenntnis vorhanden. Insbesondere der Beginn des Kriechens, die Existenz des primären Kriechens, sowie dessen Übergang in die stabile Kriechphase sind von Interesse. Die Durchführung von Kriechversuchen, mit durch Reckung vorverfestigten Proben, soll nähere Informationen und Verständnis über das Verhalten des Werkstoffs bei statischer Langzeitbelastung bringen. Die meisten publizierten Untersuchungen im Bereich des Kriechens liegen bei Temperaturen ab 0,4Ts (Schmelztemperatur) und höher. Jedoch tritt bei Ti-6Al-4V Kriechen auch bei niedrigeren Temperaturen auf. Selbst bei Raumtemperatur ist noch signifikantes Kriechen vorhanden, was nur bei wenigen Materialien der Fall ist.
In dieser Arbeit wurden statische Kriechversuche bei Temperaturen von 20°C bis 370°C, konstanter Gewichtsbelastung von 500MPa bis 800MPa und bei Vorreckungen von 0% bis 5% Gesamtdehnung durchgeführt. Es wurden dreiundzwanzig statische Kriechversuche mit einem Zeitlimit von etwa einhundert Stunden pro Versuch getätigt um den Einfluss der Vorverfestigung zu erfassen. Außerdem wurden vierzehn zyklische Blockversuche ohne Vorreckung, mit einer Periodendauer von zwanzig Minuten, durchgeführt. Diese Versuche wurden bei ähnlichen thermischen sowie mechanischen Belastungshöhen ausgeführt. Durch die zyklische Belastung mit Haltezeit bei maximaler Spannung und minimaler Spannung wird in jedem Zyklus primäres sowie sekundäres Kriechen erreicht. Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden als Dehnungs-Zeitverläufe (Kriechkurven) ausgewertet. Basierend auf diesen zeitabhängigen Verläufen, wurden die Phasen des Kriechprozesses hinsichtlich der Umsetzbarkeit in einer numerischen Simulation bewertet. Es wurde zunächst eine Sensitivitätsstudie betreffend die Kriechparameter der Simulation vorgenommen und die Simulation den Kriechkurven der Versuche angepasst. Die Simulation dient dem Abschätzen vom Verhalten von vorgereckten Bauteilen unter thermomechanischer, statischer als auch zyklischer Langzeitbelastung. Hierfür wurden im FE-Programm Abaqus bereits implementierte Kriechmodelle nach Norton und Bailey bzw. Kichenin herangezogen. Es stellte sich heraus, dass diese Modelle unzureichend in der Abbildung der zyklischen Versuche sind und somit konnte kein ganzheitlich zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden. Um ein solches zu erreichen müsste eine benutzerdefinierte Routine zur zyklenabhängigen Bestimmung der Kriechparameter erstellt werden.
Dipl.-Ing. Matthias AIGNER
Titel: AMB16-DA03 "Die Auswirkung von gussrauen Oberflächen auf die Schwingfestigkeit von gegossenem Aluminium im Automobilbau"
Kurfassung 10/2016:
Eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Antriebskomponenten aus gegossenem Aluminium findet in der heutigen Zeit speziell im Automobilbereich eine immer breitere Anwendung. Hierbei werden Formgussbauteile aus Aluminiumlegierungen aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials mit dem Zweck eingesetzt, das Gewicht zu reduzieren und somit die Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren zu verringern. Diese geometrisch komplexen Komponenten können durch modernste Sandgussverfahren, wie beispielsweise dem Kernpaketverfahren (CPS), endformnah hergestellt werden. Die sich dabei ergebenden Oberflächen weisen eine Topographie und Rauheit auf, welche durch die verwendete Gussform sowie die Gusstechnologie maßgebend beeinflusst werden und in der Praxis sowohl maschinell nachbearbeitet als auch gussrau Verwendung finden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Effekt der unbearbeiteten Gussoberfläche auf die Schwingfestigkeit des Werkstoffes untersucht um Serienbauteile technisch und wirtschaftlich zu bewerten. Um eine anwendungsbezogene Versuchsdurchführung zu gewährleisten, werden Flachproben direkt von Zylinderkurbelgehäusen der Serienproduktion entnommen, wodurch am Prüfquerschnitt eine raue und unbehandelte Gussoberfläche entsprechend dem industriellen Fertigungsprozess vorhanden ist. An diesen Prüfkörpern werden Konstantschwingversuche für wechselnde und schwellende Zug/Druck- und Biegebeanspruchung durchgeführt. Zur lokalen Bewertung des Einflusses der Oberflächentopographie auf die Ermüdungsfestigkeit werden zusätzlich numerische Analysen auf Basis von Kerbspannungen durchgeführt. Dazu wird mit einem Konfokalmikroskop die Rautiefe und Oberflächenbeschaffenheit der Gussoberfläche optisch vermessen. Die auf diese Weise produzierten Datensätze ermöglichen die rstellung eines Finite-Elementen Modells der Oberfläche. Das abgebildete Referenzvolumen wird in der Simulation sowohl auf Zug als auch auf Schub belastet. Die dadurch erzielten multiaxialen Spannungsverteilungen zeigen lokale Spannungsüberhöhungen in den Rauheitstälern der Oberfläche, wobei sich, unter Zuhilfenahme des bruchmechanischen Langrissschwellwertes vom defektfreien Material, über das Konzept des kritischen Abstands, schwingfeste Einflussfaktoren bestimmen lassen. Dies ermöglicht die schwingfeste Bewertung von derartigen Oberflächentopographien unter zyklischer Beanspruchung. Die experimentellen Ergebnisse aus den Wöhlerversuchen werden in weiterer Folge diesen numerisch evaluierten Einflussfaktoren gegenübergestellt, wodurch eine vergleichende Ermüdungsfestigkeitsbewertung technisch unterschiedlich rauer Gussoberflächen ermöglicht wird. Die in dieser Arbeit aufgebaute Methodik ermöglicht einen neuartigen Einblick in die Auswirkungen der Oberflächentopographie auf die Lebensdauer gegossener Aluminiumbauteile sowie deren Interaktion mit möglichen Defekten in der Randschicht. Des Weiteren können fertigungsprozessbedingte Streueffekte von rauen Gussoberflächen bereits früh im Auslegungs- und Dimensionierungsprozess berücksichtigt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass bereits in der Konzeptionsphase der Fokus auf eine betriebsfeste Optimierung der Bauteile gelegt wird, wodurch sowohl Kosten in der Erprobung eingespart sowie die Entwicklungs- und Konstruktionsprozesse verkürzt werden.
Dipl.-Ing. Benjamin SEISENBACHER
Titel: AMB16-DA07 "Einflüsse auf die Schwingfestigkeit eines hochfesten Stahls bei Schwingspielzahlen größer 1E7"
Kurfassung 10/2016:
Um den ökologischen und wirtschaftlichen Anforderungen in einem globalisierten Umfeld gerecht zu werden, ist es unumgänglich die Effizienz der Anlagen und Maschinen weiter zu verbessern. Aus dieser Notwendigkeit heraus, ist es notwendig die Lebensdauer von zyklisch hoch belasteten Bauteilen weiter voranzutreiben. Um dies realisieren zu können, ist es unabkömmlich Kenntnis, über das Lebensdauerverhalten von Werkstoffen bei hohen zyklischen Belastungen zu erlangen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Werkstoffverhalten von einem hochfesten martensitisch aushärtbarem Stahl bei Schwingspielzahlen über 107 Zyklen. Zur Charakterisierung der Zeit- und Dauerfestigkeit sowie zur Bestimmung des Mittelspannungseinflusses und des Größeneinflusses wurden dynamische Versuche mit Prüfdurchmessern von D4 = 4mm und D7,5 = 7, 5mm sowie bei Spannungsverhältnissen von R = ?1 und R = 0 durchgeführt. Die statistische Auswertung der Versuchsdaten erfolgt anhand eines programmierten Auswertetools. Bei der Auswertung im Zeitfestigkeitsbereich steht sowohl eine Normal- wie auch eine Weibullverteilung zur Auswahl. Die Auswertung im Dauerfestigkeitsbereich erfolgt mittels einer arcsinp P Transformation. Die Auswertungen bei einem Prüfdurchmesser D4 zeigen, dass es bei einem Spannungsverhältnis von R = 0 zu einer Reduktion der Ermüdungsfestigkeit um 18% gegenüber der Ermüdungsfestigkeit bei einem Spannungsverhältnis von R = ?1 kommt. Die Ermüdungsfestigkeit weist bei einem Spannungsverhältnis von R = ?1 und einem Prüfdurchmesser von D7,5 einen um 4% geringeren Wert auf als bei einem Prüfdurchmesser von D4. Wie die Prüfergebnisse zeigen, kommt es zu Brüchen bei einer Beanspruchung a D und Zyklenzahlen N > 107. Durch eine umfangreiche Bruchflächenanalyse konnte ein Wechsel des Bruchmechanismus bei hohen Zyklenzahlen festgestellt werden. Dabei verlagert sich der Anriss von der Oberfläche ins Innere der Probe. Um die in Versuchen ermittelten Daten in kommerziellen Lebensdauer-Analysesoftwares integrieren zu können, ist es notwendig zu wissen, wie diese von den Simulationsprogrammen verarbeitet werden. Daher wurden die Simulationsprogramme FEMFAT® und fe-safe®, hinsichtlich der Berücksichtigung diverser Einflussfaktoren miteinander verglichen. Im Zuge dieser Arbeit wurde der Einfluss der Mittelspannung und der Einfluss der Größe der Probe auf das Dauerfestigkeitsverhalten von einem martensitischen aushärtbarem Stahl untersucht sowie deren Anwendbarkeit in kommerziellen Lebensdauerberechnungsprogrammen dargestellt.
Dipl.-Ing. Roman Alois AIGNER
Titel: AMB16-DA09 "Aufbau einer numerischen Simulationskette für induktionsgehärtete Randschichten"
Kurfassung 12/2016:
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau einer Simulationskette zur umerischen Abbildung des Induktionshärteprozesses. Anhand des Modells werden umfassende Parameterstudien hinsichtlich der Induktorgeometrie, der erforderlichen Frequenzen und Induktorströme sowie der Materialeigenschaften des Werkstücks durchgeführt. Mithilfe dieser Analysen können erste Aussagen sowohl über die entstehenden metallurgischen Eigenschaften, als auch über den Eigenspannungs-und Härtezustand in der Randschicht des Werkstücks getroffen werden. Dies reduziert somit den Prüfaufwand zur Bestimmung der Induktorgeometrie und ermöglicht die Abschätzung thermo-metallurgischer Prozessparameter. Die induktive elektromagnetischthermische Erwärmung wird mittels des Softwarepaketes COMSOL Multiphysics ® realisiert. Der nachfolgende thermo-mechanisch-metallurgische Abkühlvorgang inklusive Phasenumwandlung, Verzug, Härte- und Eigenspannungsverteilung wird anhand des Programmes Sysworld® durchgeführt. Bedingt durch die in der Arbeit untersuchte komplexe Bauteilform ist es notwendig, eine sogenannte SDF (Simultaneous Dual Frequency)-Technik in der elektro-magnetisch-thermischen numerischen Simulation abzubilden, bei der das Werkstück simultan mit einem hochsowie einem mittelfrequenten Induktorstrom angeregt wird. Die darauffolgende numerische Simulation der thermo-mechanisch-metallurgischen Abkühlung wird dahingehend optimiert, dass durch ein benutzerdefiniertes Skript eine Parameterstudie der Abkühlparameter durchgeführt werden kann. Für den Datentransfer zwischen den beiden Programmen werden Skripten erstellt, welche sowohl eine Auswertung der Temperaturverteilung, als auch die daraus resultierenden Anpassungen der Simulationsparameter automatisiert. Abschließend werden die numerisch ermittelten, lokalen Eigenschaften mit bereits vorhandenen Messdaten abgeglichen und somit die Simulationskette experimentell validiert. Die ermittelten Randschichteigenschaften können in weiterer Folge als Datenbasis für Betriebsfestigkeitsbewertungen induktiv gehärteter Bauteile dienen und stellen dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Effizienzsteigerung des Auslegungsprozesses dar.
Dipl.-Ing. Philipp RENHART
Titel: AMB16-DA10 "Numerische Simulation induktiver Bauteilerwärmung komplexer Geometrien"
Kurfassung 10/2016:
DieWerkstoffcharakterisierung von thermomechanisch (thermomechanical-fatigue, TMF) hochbelasteten Motorkomponenten (z.B. Zylinderkopf) erfolgt meist über Ermüdungsversuche von uniaxialen Rundproben. Mit dieser Prüfmethodlik werden real auftretende räumliche Temperaturgradienten nicht erfasst. Daraus resultiert ein multiaxialer Spannungszustand, der durch die komplexe Bauteilgeometrie noch verstärkt wird. Eine somit notwendige multiaxiale Werkstoffprüfung für den Zylinderkopf erfolgt meist erst im Baugruppenversuch der gesamten Verbrennungskraftmaschine. Um Werkstoffe, in Zukunft abseits der ressourcenintensiven Bauteilprüfung, kosten- und zeiteffizienter optimieren zu können, ist es sinnvoll die Lücke zwischen einachsiger TMF- Prüfung und dem Bauteilversuch mittels TMF Prüfungen von einzelnen Bauteilen oder Bauteilkomponenten schließen. Im herkömmlichen TMF-Versuch werden zylindrische Proben erfolgreich induktiv erwärmt. Der Vorteil dieser Methode liegt in der berührungslosen und regelbaren Wärmeeinbringung. Diese Vorteile motivieren auch im weiteren die Erwärmung von komplexen Bauteilen mit Induktionsspulen. Um die Geometrie von Induktionsspulen (und damit die Temperaturverteilung) für Bauteilversuche zukünftig virtuell optimieren zu können, wird in dieser Arbeit eine Simulationskette entwickelt. Ziel ist eine realitätsgetreue räumliche und zeitliche Temperaturverteilung in das Bauteil einzubringen. Zu diesem Zweck wird die Erwärmung uniaxialer TMF- Proben, unter Verwendung der Finiten-Elemente-Methode (FEM) modelliert und an Temperaturmessungen kalibriert. Dieses Simulationsmodell wurde im nächsten Schritt auf eine komplexere Ersatzgeometrie (Platte mit zwei Bohrungen) übertragen und verifiziert. Die Übereinstimmung zwischen Simulation und Versuch konnte in beiden Fällen bestätigt werden. Im letzten Schritt wurde die Temperaturverteilung eines realen Zylinderkopfes numerisch berechnet. Dieses Temperaturfeld wurde- für eine abschließende mechanische Simulation, in ein weiteres Softwarepaket übertragen. Damit wird der Grundstein für die Entwicklung einer zukunftsweisenden Prüfmethodik gelegt.
Dipl.-Ing. Marcel MESSNER
Titel: AMB15-DA02 "Simulation des Kugelstrahlens zur prozessbasierten Bauteilauslegung"
Kurfassung 06/2016:
Die Lebensdauer von zyklisch belasteten Bauteilen wird wesentlich von Eigenspannungen in der Randschicht beeinflusst. Dieser Eigenspannungszustand wird durch Oberflächenbehandlungen, wie zum Beispiel Kugelstrahlen, eingestellt. Um die beim Kugelstrahlprozess entstehenden Effekte zu berechnen ist es notwendig eine computerunterstützte Kugelstrahlsimulation durchzuführen. Da aus wirtschaftlichen und technischen Gründen die virtuelle, flächendeckende Bestrahlung von komplexen Bauteilen nicht zielführend ist, wird in dieser Arbeit ein alternativer Lösungsweg vorgestellt. Dabei wird die Kugelstrahlsimulation an einer einfachen Geometrie durchgeführt und die resultierenden Ergebnisse auf ein komplexes Bauteil übertragen.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Simulation des Kugelstahlprozesses aufzubauen und die entstehenden Eigenspannungen, Verfestigungen und plastischen Dehnungen in Bezug auf die Eindringtiefe zu ermitteln. Dazu wird eine einfache Probengeometrie modelliert und unter Variation der Strahlparameter, sowie unter Berücksichtigung der Überdeckung gestrahlt. Die Simulationsergebnisse in Form von Spannungen, Verfestigungen und plastischen Dehnungen, sowie die Verformungen auf der Oberfläche (Rauheit) werden evaluiert und erkennbare Trends aufgezeigt. Bei den Parameterstudien werden die Größe und Geschwindigkeit der Kugeln sowie der Reibwert zwischen Kugel und Probe variiert. Mit Zunahme der beiden erstgenannten Einflussfaktoren nehmen die Absolutwerte der Eigenspannung und Verfestigung zu und verschieben sich in Richtung höherer Eindringtiefe. Analog dazu verschiebt sich auch der Übergang von Druck- zu Zugspannungen. Zusätzlich wird eine automatisierte Routine entwickelt, welche die aus der Kugelstrahlsimulation ermittelten Eigenspannungen und Verfestigungen auf beliebige Bauteile überträgt. Außerdem können bestimmte Bereiche im FE-Modell definiert werden, die mit alternativen Eigenspannungs- und Verfestigungsverläufen beaufschlagt werden. Die entwickelten Tools ermöglichen eine automatisierte Erstellung und Auswertung der Kugelstrahlsimulation sowie eine Übertragung der Simulationsergebnisse auf beliebige Bauteile. Dadurch wird eine Berücksichtigung des Randschichtzustandes bei der Auslegung von Bauteilen in der Praxis wirtschaftlich ermöglicht.
Dipl.-Ing. Manuel SCHUSCHA
Titel: AMB15-DA05 "Entwicklung eines Prüfstandes zur Charakterisierung der Betriebsfestigkeit unter multiaxialer Beanspruchung"
Kurfassung 06/2016:
Aufgrund der vielfältigen Belastung unterliegen Bauteile im Betrieb relativ selten einer rein einachsigen lokalen Beanspruchung. Zumeist weisen diese komplexe Spannungszustände auf, die durch eine Überlagerung mehrerer Beanspruchungsarten oder bedingt durch die Bauteilgeometrie, wie beispielsweise geometrische Kerben, auftreten können. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau des multiaxialen Spannungszustandes, sowie mit der Kategorisierung bei überlagerten Belastungen hinsichtlich Periodizität, Proportionalität und Synchronizität. Desweiteren wird eine Übersicht gängiger Methoden zur Festigkeitsbestimmung unter einem mehrachsigen Spannungszustand präsentiert. Der zweite Teil behandelt die Entwicklung eines Prüfstandes zur Charakterisierung der Ermüdungseigenschaften an aus Großkurbelwellen entnommenen Rundproben unter den für das Bauteil typischen Belastungsarten Biegung, Torsion und kombinierter Biegetorsion. Eine wesentliche Anforderung an den Prüfstand ist eine Versuchsführung unter realitätsnahen Verhältnissen, damit die dabei experimentell ermittelten Probenergebnisse auf den realen Betriebsfall übertragbar sind. Unter der Anwendung von Finite-Elemente-Simulationen und darauf basierenden lokalen Festigkeitsbewertungen wurde der Prüfstand dimensioniert und betriebsfest ausgelegt. Im abschließenden Teil wurden Versuche an repräsentativen gekerbten Rundproben aus 50MnCr4 durchgeführt. Die statistisch ausgewerteten, lokalen Schwingfestigkeiten unter Berücksichtigung der Stützwirkung und des hochbeanspruchten Volumens zeigen eine gute Übereinstimmung mit bereits vorhandenen Resultaten an Kleinproben aus dem gleichen Grundmaterial. Es wurde somit anhand dieser Validierung gezeigt, dass der entwickelte Prüfstand zur experimentellen Charakterisierung der multiaxialen Ermüdung von Rundproben geeignet ist und als Basis für weiterführende Untersuchungen herangezogen werden kann.
Dipl.-Ing. Alexander Lembeck
Titel: "Analysemodell zur Bewertung von Potenzial und effektiver Nutzung von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit"
Kurfassung:
Energieeffizienz spielt in der Automobilindustrie eine immer größer werdende Rolle. Leichtbaustrategien zielen unter anderem durch Gewichtsreduktion auf eine Effizienzsteigerung ab. Der Einsatz von Langfaserverbundmaterialien ist ein häufig verwendeter Ansatz zur Massenreduktion, wenngleich dadurch Material-, Fertigungs- sowie Entwicklungskosten steigen. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Strategie in Form eines Softwaremoduls entwickelt um Langfaserverbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer Eignung als Werkstoff in Strukturbauteilen zu bewerten. Diese Bewertung ist bei Schalenelementen für einen Lastfall und für mehrere wirkende Lastfälle möglich. Als für Faserverbund bestens geeignet angesehen werden Areale mit einachsiger Beanspruchung sowie mit einer sich nicht ändernden Beanspruchungsrichtung. Die vorliegende Bewertung basiert auf den Hauptnormalspannungen, dem Mehrachsigkeitsgrad nach Kuhn und der Gestaltänderungsenergiehypothese. Zur Reduktion der Rechenzeit wurde ein Filter auf Basis der von-Mises Spannung implementiert. Als Eingangsdaten benötigt werden ein vernetztes Modell sowie alle Spannungsdaten. Ausgegeben wird das Ergebnis im Patran Format zur Visualisierung im Programm Animator Viewer 4. Die Strategie ist als Programmmodul in Fotran entwickelt und Teil der Software FEMSITE© von Magna Steyr Engineering. Zur Erprobung der Methode wurde eine Hutprobe aufgrund ihrer bauteilähnlichen Form herangezogen. Die entwickelte Strategie wurde auf ein Rohkarosseriemodell angewandt und bezüglich ihren Stärken und Schwächen beurteilt. Der Vorteil der Strategie zeigt sich in einer raschen sowie deutlichen Identifizierung aller einachsig beanspruchten Areale der Karosserie. Dabei ändert sich die Beanspruchungsrichtung und -art zeitlich nur in geringem Maß. Nicht optimal bewertet werden Bleche, die aufgrund gezielt eingebrachter Versteifungen mehrachsige Beanspruchungen aufweisen.
Dipl.-Ing. Johannes REISENBERG
Titel: "Entwicklung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung der Haftfestigkeit im Gusszustand gießtechnisch hergestellter Aluminium-Verbundwerkstoffe"
Kurfassung:
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden verschieden Prüfverfahren untersucht, mit deren Hilfe ein verbundgegossener Werkstoff hinsichtlich seiner Haftfestigkeit klassifiziert werden kann. Hauptziel war es ein Prüfverfahren zu finden, mit dessen Hilfe ein qualitativer Haftfestigkeitswert angegeben werden kann. Bei der Literaturrecherche wurden unterschiedliche Verfahren verglichen und hinsichtlich ihrer Eignung überprüft. Aus diesen Prüfverfahren wurden fünf Prüfverfahren für Versuche mit verbundgegossenen Materialien ausgewählt. Die verschiedenen Tests brachten das Ergebnis, dass die Haftfestigkeit mit allen ausgewählten Verfahren qualitativ analysiert werden kann. Hinsichtlich der quantitativen Haftfestigkeitsanalyse lieferten nur der Zugversuch sowie der Zentrifugentest ein, den Anforderungen, entsprechendes Ergebnis. Beim Vergleich der Ergebnisse der Prüfverfahren konnte festgestellt werden, dass die Haftfestigkeitsresultate der unterschiedlichen Verfahren korrelieren wenn gleich die Prüfungen unterschiedliche Messwerte ergaben. Ein Vergleich der Verfahren ist aus diesem Grund nur begrenzt möglich. Für die Materialprüfung der Verbunde sind auf Grund der quantitativen Aussagekraft der Zugversuch sowie der Zentrifugentest zu empfehlen. Sollte die Schichtdicke der Materialien im weiteren Entwicklungsprozess reduziert werden, so ist eine Materialprüfung mittels Zugversuch nicht mehr möglich. Im Gegenzug dazu können beim Zentrifugentest auch Proben mit einer dünnen Aufgussschicht geprüft werden.
Dipl.-Ing. Christian BÄRNTHALER
Titel: "Entwicklung eines Ermüdungsprüfstandes für CFK unter kombinierter zyklischer und stoßender Belastung"
Kurfassung:
Die Produktionsgeschwindigkeit von Stanzpressen oder ähnlichen Maschinen soll aus wirtschaftlichen Gründen erhöht werden. Eine Möglichkeit ist daher die bewegten Massen der Maschine zu verkleinern. Kohlefaser verstärkte Kunststoffe sind aufgrund ihrer hohen Steifigkeit, Festigkeit und geringer Dichte bestens geeignet für diese Aufgabe. Die Komponenten haben bei einer Lebensdauer von 20 000 Arbeitsstunden ca. 1.5e9 Lastwechsel zu überstehen. Um die Dauerfestigkeit des Materials für den speziellen Lastfall und solch hohe Zyklen zu überprüfen, gilt es eine Prüfeinrichtung zu entwickeln. Verschiedenste Probleme, wie Wärmeentwicklung im Prüfling, hohe Prüffrequenzen und ein exaktes Messsystem müssen beachtet werden. Schlussendlich wurde ein Hochfrequenzprüfstand für den Very High Cycle Fatigue Bereich entwickelt und seine Funktionalität getestet.
Dipl.-Ing. Markus DOPPLER
Titel: "Entwicklung einer Umlaufbiegeprüfmaschine zur Bewertung des Größeneffekts zyklisch beanspruchter Komponenten"
Kurfassung:
Infolge steigender Anforderungen an maschinenbauliche Komponenten nach einer Erhöhung der Lebensdauer und Reduzierung des Gewichts, wird eine Dimensionierung nach wirtschaftlichen und betriebsfesten Gesichtspunkten immer wesentlicher. Bei Bauteilen größerer Dimension, wie beispielsweise Eisenbahnfahrwerke, kommt ein zusätzlicher Einfluss auf die Betriebsfestigkeit zum Tragen, der Größeneffekt. Im Rahmen der Masterarbeit wird eine Umlaufbiegemaschine für Großproben bis zu einem Prüfdurchmesser von 60 mm entwickelt und aufgebaut. Die maschinenspezifischen Tätigkeiten beinhalteten die Entwicklung, Endabnahme beim Hersteller, Endmontage im Prüflabor, sowie Installation der Messtechnik und Sensorik. Im Zuge der Inbetriebnahme wird die Messtechnik kalibriert, durch Vorversuche validiert und entsprechend angepasst. Des Weiteren wird eine bestehende Steuerung auf die Anforderungen der Prüfmaschine adaptiert. Die experimentellen Untersuchungen umfassen Schwingversuche zur Evaluierung des Größeneffekts an ungekerbten und gekerbten Rundproben aus austenitischen Stahl. Den Ergebnissen der Großproben mit einem Prüfdurchmesser von 30 mm werden vorhandene Resultate von Kleinproben mit einem Prüfdurchmesser von 6 mm gegenübergestellt, wobei ein Abfall der Langzeitfestigkeit von rund 10% festgestellt wurde. Basierend auf in der Literatur vorhandenen Konzepten werden die Ergebnisse unter Berücksichtigung des spannungsmechanischen und statistischen Größeneffekts bewertet. Als Basis dienen hierfür umfassende numerische Analysen der verwendeten Klein- und Großprobengeometrie, um die für die Bewertung wesentlichen Parameter, den Spannungsgradienten und das höchstbeanspruchte Volumen, zu ermitteln. Die durchgeführten Versuchsreihen und begleitenden Auswertungen zeigen, dass eine Anwendbarkeit des volumenkorrigierten Spannungsgradientenmodells, für den verwendeten austenitischen Stahl im Langzeitfestigkeitsbereich, gegeben ist. Zukünftig sind Grundlagenuntersuchungen hinsichtlich des Größeneffekts rissbehafteter Großproben geplant, welche mit Hilfe der entwickelten Umlaufbiegemaschine und der erarbeiteten Prüfmethodik möglich sind.
Dipl.-Ing. Faheem Shah
Titel: "Rissfortschrittsanalyse geschweißter Verbindungen anhand numerischer und experimenteller Untersuchungen"
Kurfassung:
Das Ermüdungrisswachstum ist wesentlich zur Bewertung und Beurteilung der Bauteilfestigkeit und Lebensdauer maschinenbaulicher Komponenten. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist eine numerische, analytische und experimentelle Analyse des Rissfortschritts bei geschweißten Verbindungen. Eine vergleichende Studie unter Anwendung der SoftwarePakete Franc2D und nCode erfolgt für unterschiedliche strukturelle Details. Besonderer Fokus liegt dabei auf einem Kantenriss in einer Platte und Schweißverbindungen mit nicht-tragenden und last-tragenden Quersteifen. Dies ermöglicht einen Vergleich zu kürzlich veröffentlichten IIW-Ergebnissen. Die Bewertung mit Franc2D führt dabei aufgrund benutzerabhängiger Integrationseinstellungen zu etwas konservativeren Werten. Im Fall von nCode ist eine genaue analytische Berechnung des Spannungintensitätsfaktors (SIF) Voraussetzung, wobei auch hier die Resultate eine gute Übereinstimmung zeigen. Die experimentelle Arbeit konzentriert sich auf die Durchführung und mikroskopische Analyse von Ermüdungsversuchen bei variablen Blocklasten, mit und ohne Überlast. Die untersuchten T-Stoß Proben weisen dabei eine Grundmaterialfestigkeit von niederfestem Baustahl S355 bis zu höherfestem Feinkornstahl S690 auf. Einzelne Überlasten führen zu makroskopische Rastlinien, welche im Lichtmikroskop gut zu erkennen sind. Um die Schwingstreifen innerhalb der polykristallinen Mikrostruktur zu detektieren, wurde Rasterelektronmikroskopie eingesetzt. Die charakteristischen Rastlinien und Schwingstreifen sind gut erkennbar und entsprechen den Ergebnissen der numerisch ermittelten Rissfortschrittsanalyse. Abschließend erfolgt eine umfangreiche Parameterstudie von numerischen Franc2D Berechnungen unter Berücksichtigung zahlreicher verschiedener Materialparameter aus Richtlinien und der Literatur. Es zeigt sich, dass die Anfangsrisslänge der wesentliche Faktor für den weiteren Rissfortschritt und die Lebensdauer ist. Eine detaillierte Studie über die Anfangsrisslänge zeigt, dass ein Wert von 0,01mm für die Ermüdungsversuche der hochfesten Stahlverbindung gut anwendbar ist. Ein Vergleich zwischen den Simulationen und experimentellen Ergebnissen beweist, dass alle Rissfortschrittsparameter zu einer sicheren Auslegung führen, wenn die Anfangsrisslänge nicht kleiner als dieser Wert gewählt wird. Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass die ausgewerteten Materialparameter eine Lebensdauer aufweisen, welche innerhalb des empfohlenen Streubereichs für geschweißte Verbindungen ist.
Dipl.-Ing. Thomas Jakob
Titel: "Korrosionsuntersuchungen von verschraubten Mg-Komponenten"
Kurfassung:
Gewindefurchende Aluminiumschrauben bieten bei der Magnesiumdirektverschraubung ein großes Potenzial zur Kosten- und Gewichtsreduzierung. Für einen prozesssicheren Gewindefurchprozess in Magnesium ist der Einsatz von EN AW 7xxx-Furchschrauben notwendig. In der Literatur wird aber auf ein negatives Korrosionsverhalten der EN AW 7xxx-Legierungen hingewiesen. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Erstellung einer Auslegungsrichtlinie für hochfeste gewinde-furchende Al-Schrauben für einen Serieneinsatz bei Mg-Antriebsstrangkomponenten. Zu diesem Zweck wurde ein Prüfkonzept zur Bewertung des Kontaktkorrosionsverhaltens verschraubter Mg-Komponenten unter praxisnahen Einsatzbedingungen entwickelt. Entsprechend der hohen Korrosionsschutzanforderungen von 720 h im Salzsprühnebeltest nach DIN 50021 zeigte sich, dass Schrauben aus der Legierung EN AW 7075 mit einem geeigneten Top Coat eine geringere korrosive Abtragsrate der verschraubten Mg-Teile generierten als Schrauben aus der Legierung EN AW 6056, welche bereits in der Automobilindustrie etabliert sind. Neben den Aluminiumschrauben wurden auch Stahlschrauben mit verschiedenen Schutzsystemen untersucht. Ferner wurde eine Testmethodik für den Nachweis von Spannungsrisskorrosion (SpRK) entwickelt. Überelastisch montierte EN AW 7075 (T6, T7x)-Schrauben in Prüfkörpern aus Al, Mg und Edelstahl (A2) bei Auslagerung im Wechselklimatest VDA 621 - 415 sowie im Salzsprühnebeltest DIN 50021 zeigten, dass SpRK der EN AW 7075-Schrauben über-wiegend bei verspannten Edelstahlrahmen auftrat. Dies ist ein Indikator dafür, dass die SpRK primär durch eine anodische Auflösung in den korngrenzennahen Bereichen ausgelöst wird. Bei den verspannten Magnesiumrahmen traten keine Brüche der EN AW 7075 T6-Schrauben auf, weil die Schrauben durch das unedlere Mg kathodisch geschützt werden. Daher erscheint das Risiko der SpRK bei der Verschraubung von Mg-Komponenten als gering. Die Untersuchung zeigte, dass druckinduzierte Eigenspannungen durch plastische Verformung beim Gewindewalzen nach der Wärmebehandlung einen signifikanten Einfluss auf die SpRK-Empfindlichkeit haben. Gewindefurchschrauben EN AW 7075 T7x im schlussgerollten Zustand mit angepasstem Top Coat haben aufgrund der geringen Kontaktkorrosion sowie eines deutlich reduzierten Risikos für die SpRK das größte Potenzial für die Verwendung für prozesssicheres Gewindefurchen in Mg-Legierungen. Eine finale Verifizierung dieses Zustandes mit Hilfe von angepassten SpRK-Tests ist zu empfehlen.
Dipl.-Ing. Jakob Moder
Titel: "Bewertung von Mischreibungsvorgängen in kontraformen Kontakten"
Kurfassung:
Eine der größten Herausforderungen unserer Zeit ist wohl der schonende Umgang mit den uns zur Verfügung stehenden Ressourcen, sowie die Reduzierung von Treibhausgasen und Schadstoffen. Neben der Nutzung von erneuerbaren Energien wie z.B. Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft, oder Geothermie, bietet die Optimierung von bereits etablierten Systemen ein enormes Potential. So beträgt in Verbrennungskraftmaschinen der Anteil an Reibungsverlusten etwa 30% der aktuell abgegebenen Motorleistung. Aufgrund dieser Thematik und Vorgaben von Gesetzgeber und Unternehmen, ist eine detaillierte Analyse und Optimierung von geschmierten kontraformen Kontakten, die beispielsweise in Nockenwellen oder Zahnrädern vorkommen, notwendig um den immer höher werdenden Anforderungen gerecht zu werden. Im Rahmen der Arbeit werden durch die Oberflächenmodifikationsprozesse Kugelstrahlen, Gleitschleifen und Schleifen die Oberflächenstrukturen von Bauteilen gezielt geändert, und die Auswirkungen auf das tribologische System detailliert analysiert. Die Analysemethodik gliedert sich dabei in drei Teilbereiche. So werden mit einem Zweischeibenprüfstand Versuche durchgeführt, wobei die Steuergrößen Temperatur, Geschwindigkeit, Pressung und Schlupf vorgegeben und die Größen Reibwert, Temperatur und Kontaktpotential gemessen werden. Begleitend werden optische Analysen durch ein Laserkonfokalmikroskop durchgeführt, die dadurch generierten Daten werden in einer eigens entwickelten MATLAB Software ausgewertet. Die Software ermöglicht eine 3D Visualisierung der Oberfläche, sowie eine Ermittlung von 3D Oberflächenkennwerten. Abschließend werden die durchgeführten Versuche in einem eigens entwickelten Mischreibungsmodell, welches auf vorhergehenden Arbeiten basiert, in der Software COMSOL Multiphysics simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verfahrenskombination von Kugelstrahlen und Gleitschleifen (KSGS) die Reibungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Schleifen drastisch reduzieren kann. Für bestimmte Situationen ergibt sich eine Reduzierung des Reibungskoeffizienten um den Faktor zwei. Bei der KSGS Verfahrenskombination bildet sich eine extrem glatte Oberfläche, die aber trotzdem noch Schmiertaschen enthält, wodurch sich auch noch bei niedrigen Geschwindigkeiten ein sehr günstiger Reibwert ergibt. Die detaillierten optischen Analysen zeigen, dass diese Art von Oberflächen keinen Einlaufbedarf aufweist. Oberflächen, die nur gleitgeschliffen (GS) werden, können nicht die Eigenschaften von KSGS Oberflächen erreichen. Kugelgestrahlte (KS) Oberflächen zeigen aufgrund der hohen Rauhigkeit das schlechteste Reibverhalten. Allerdings stellt sich heraus, dass sich diese Oberflächen im Betrieb sehr gut aneinander anpassen können. Eingelaufene KS Oberflächen weisen weiters einen um etwa 10% geringeren Reibwert im Vergleich zu nicht eingelaufenen Proben auf. Der Vergleich der Oberflächenparameter der verschieden bearbeiteten Oberflächen ergibt, dass der statistische Kennwert Schiefe ein sehr gutes Maß für das tribologische Verhalten von Oberflächen ist, wobei grundsätzlich eine möglichst kleine Schiefe anzustreben ist. Durch die abschließend durchgeführten numerischen Berechnungen kann das Verhalten der verschiedenen Modifikationsverfahren noch detaillierter untersucht werden. Es kann gezeigt werden, dass das Reibungsverhalten bei niedrigen Drehzahlen durch das Losreißen der Oberflächen dominiert wird. Bei höheren Drehzahlen überwiegt die Fluidreibung und die Berücksichtigung von nicht Newton’schen Fluidverhalten ist maßgebend. Durch die im Rahmen der Arbeit erzielten Ergebnisse aus Versuchen, optischer Analyse und numerischer Simulation, können konkrete Empfehlungen für eine gezielte Optimierung der Oberflächenstruktur von verschiedenen kontraformen Kontakten abgegeben werden.
Dipl.-Ing. Tim Haslinger
Titel: "Charakterisierung von Quellung und Medieneinfluss zur Lebensdauerbewertung von kurzglasfaserverstärkten Polyamiden"
Kurfassung:
Durch die ständig wachsenden Forderungen nach Leichtbau und Kostensenkung, kommen im Bereich des Motorraums von Kraftfahrzeugen zunehmend Komponenten aus kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz. Im Betrieb werden diese Bauteile häufig zyklischen Belastungen in Kombination mit Alterung durch aggressive Medien, wie z.B. Kühlflüssigkeit, ausgesetzt. Durch den Kontakt mit diesen Medien kommt es zudem bei hygroskopischen Kunststoffen zu Feuchtigkeitsaufnahme und einer daraus resultierenden Volumenvergößerung, welche als Quellung bezeichnet wird. Sowohl Alterungsprozesse, wie z.B. eine Verringerung der Faser-Matrix-Haftung, als auch Quellung führen im Allgemeinen zur Änderung der anisotropen Eigenschaften des Werkstoffs, was für die Bauteilauslegung zusätzlich berücksichtigt werden muss. Im Zuge dieser Arbeit wird ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid mit 50 Gew. % Faseranteil hinsichtlich Feuchtigkeitsaufnahme, anisotroper Quellung, Alterung und daraus resultierender Festigkeitsreduktion charakterisiert. Der Medieneinfluss auf die Festigkeit kann dabei durch quasistatische Zugversuche und einstufige Wöhlerversuche in Abhängigkeit der Faserorientierung dargestellt werden. Hierzu werden Zugprüfkörper aus einer spritzgegossenen Platte gefräst und bei 80 °C und 120 °C in reinem Wasser und Kühlflüssigkeit, einem 1:1-Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser, bis zu 1500 Stunden ausgelagert. Parallel zum experimentellen Teil der Arbeit wird zur Abschätzung der durch die Feuchtigkeitsaufnahme entstehenden Quellspannungen im Bauteil sowie des entstehenden Verzugs eine Simulationskette aufgebaut. Mit dieser kann, ausgehend von der Spritzgusssimulation hin zur anisotropen FE-Strukturanalyse, der Diffusionsprozess der Feuchtigkeit und die daraus resultierende Spannungsverteilung in Anlehnung an eine thermische FE-Rechnung simuliert werden. Diese Daten können anschließend zur Analyse des Quellverzuges von komplexen Bauteilen herangezogen werden. Die Versuche zeigten, dass eine Wasseraufnahme von bis zu 4,1 % zu einer Abnahme der statischen Festigkeitswerte von bis zu 55 % führt. An den in Kühlflüssigkeit bei erhöhten Temperaturen ausgelagerten Proben konnte eine weitaus drastischere Reduktion der Festigkeit um bis zu 85 % dokumentiert werden. Die zyklischen Versuche zeigten eine medienunabhängige, deutliche Abnahme der Schwingfestigkeit um bis zu 82 % sowohl bei Auslagerung in Wasser als auch im Glykol-Wasser-Gemisch.
Dipl.-Ing. Christian Garb
Titel: "Auswirkungen verschiedener Lastinteraktionen auf das Lebensdauerverhalten eines Vergütungsstahls"
Kurfassung:
Komplexe Last-Zeit-Verläufe und im Betrieb auftretende Überlasten sind ein zunehmend bedeutend werdender Faktor in der Betriebsfestigkeit. Diese in der Lebensdauerberechnung zu berücksichtigen ist aus heutiger Sicht nur teilweise möglich. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand eines Vergütungsstahls Methodiken zu erarbeiten und nötige Messgrößen zu isolieren, welche die versuchsbasierende Berücksichtigung komplexer Lastinteraktionen ermöglichen. Zunächst wird das quasistatische Verformungsverhalten des betrachteten Werkstoffes unter Zug- und Druckbelastung charakterisiert. Der Verlauf der quasistatischen Verformungseigenschaften wird mittels Näherungsfunktionen mathematisch formuliert. Es wird der Einfluss einer zyklischen Belastung mit hoher Mittelspannung und vergleichsweise kleiner Amplitudenspannung untersucht. Die Auswirkungen der Variation an Vorlast-Zyklen auf die Lebensdauer bei zyklischer Belastung unter wechselnder Last werden betrachtet. Ein Einfluss auf die Lebensdauer unter wechselnder zyklischer Belastung zeigt sich nur minimal durch die ersten Vorlast-Zyklen, danach ist innerhalb eines Streubandes keine Veränderung der Lebensdauer ersichtlich. Der Einfluss einer quasistatischen Vordehnung auf die Lebensdauer des Werkstoffes bei einer darauffolgenden zyklischen Belastung wird untersucht. Dabei wird einerseits das Niveau der quasistatischen Vordehnung, andererseits das darauffolgende Spannungsamplitudenniveau variiert. Die Ergebnisse werden zunächst in Anlehnung an die ASTM E 739, einer Empfehlung zur statistischen Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen, je Spannungsamplitudenniveau ausgewertet, wobei ein deutlicher Einfluss der Vordehnung auf die Lebensdauer festgestellt werden kann. Mit steigender Vordehnung sinkt die zyklische Lebensdauer des hier betrachteten Werkstoffes. Bei einer Vordehnung von 1 % wird die Lebensdauer bei der höchsten betrachteten Spannungsamplitude um bis zu 66 % abgemindert. Es wird ein dreiparametriger Näherungsansatz verfolgt um alle Versuchspunkte beschreiben zu können. Der entwickelte Näherungsansatz bildet das Lebensdauerverhalten, bezogen auf die jeweils betrachteten Spannungsamplitudenniveaus, verglichen mit den ASTM-Auswertungen unter Berücksichtigung einer gewisser Streuung, ausreichend ab. Es wird auch ein vereinfachter Näherungsansatz basierend auf Standardmaterialkennwerten entwickelt. Abschließend wird der Einfluss der zeitlichen Lage und der Anzahl einer quasistatisch eingebrachten Überlast während einer zyklischen Belastung untersucht. Je früher eine Überlast während einer zyklischen Belastung eingebracht wird, desto geringer fällt die Lebensdauer des Werkstoffes aus. Die Anzahl direkt aufeinanderfolgender Überlasten hat einen eher geringen Einfluss auf die Abnahme der Lebensdauer des untersuchten Werkstoffes. Die Erhöhung der Anzahl an periodisch eingestreuten Überlasten während einer zyklischen Belastung hat sehr wohl einen abmindernden Effekt auf die Lebensdauer des Werkstoffes.
Dipl.-Ing. Abdelfattah Lamik
Titel: "Ausgewählte Einflüsse auf das Rissfortschrittsverhalten am Beispiel zweier AlSi-Gusslegierungen"
Kurfassung:
Aluminium-Gussbauteile finden im Kraftfahrzeugbau in Motorkomponenten wie Zylinderkopf bzw. Getriebegehäuse vielfältige Anwendung. Durch steigende Anforderungen im Leichtbau verringert sich das Bauteilgewicht bzw. steigt die örtliche Beanspruchung. Dies führt zu technischer Rissinitierung bzw. nachfolgendem Bauteilversagen durch zyklisches Risswachstum. Bei den betrachteten Aluminium-Gussbauteillen treten Materialinhomogenitäten bzw. Defekte auf, welche risswachstumsfördernd wirken. Grund für den technischen Rissausgang sind lokale Spannungskonzentrationen an Fehlstellen, Poren oder Rissen. Die Mikrostruktur der Gusslegierung hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit aber auch hinsichtlich der Rissinitierung bzw. des Risswiderstandes. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei AlSi-Legierungen, AlSi7Mg und AlSi10Mg, untersucht und folgende Einflussgrößen charakterisiert: 1) Einfluss der Prüfmethodik: Hierbei wurde der Unterschied zwischen steigendem und fallendem Spannungsintensitätsfaktor mit fortschreitender Risslänge an geschliffenen, polierten und mit Initialrissen versehen Proben untersucht. Das Anschwingen erfolgte unter Druck, um eine möglichst geringe plastische Zone an der Rissspitze zu erreichen. Es zeigte sich, dass der Schwellwert bei der Methode mit fallendem Spannungsintensitätsfaktor auftgrund von Rissschließeffekten wesentlich höher ist. Für diese duktilen Werkstoffe ist ausschließlich eine Prüfung mit zunehmendem Spannungsintensitätsfaktor zum Erreichen reproduzierbarer Kennwerte zu empfehlen. 2) Einfluss der Korngröße: Die Untersuchung der mittleren Korngröße bei der Gusslegierung AlSi7Mg zeigt, dass mit zunehmender Korngröße der Schwellwert des Spannungsintensitätsfaktors zunimmt. Grund ist erhöhtes Rissschließen bei zunehmender Oberflächenrauheit der Rissflanken infolge großer Korngröße. 3) Einfluss des Spannungsverhältnisses: Bei Versuchen an der Gusslegierung AlSi10Mg zeigt sich eine Verschiebung des Spannungsintensitätsschwellwerts zu größeren Werten bei abnehmendem Spannungsverhältnis. Als Grund ist eine Reduzierung der effektiven Spannungsintensität bzw. Rissschließeffekte zu nennen. 4) Einfluss des Dendritenarmabstandes DAS bzw. der chemischen Komposition: Untersuchungen an der Gusslegierung AlSi7Mg zeigen, dass der DAS sich nur geringfügig ändert. Tendenziell wird mit höherem DAS der Schwellwert des Spannungsintensitätsfaktors ebenfalls höher. Die chemische Komposition zeigte bei den beiden Legierungen AlSi7Mg und AlSi10Mg einen eutektischen Anteil von 50 % bis 85 %. Es zeigt sich, dass die Korngröße der dominante Faktor für den Schwellwert ist. Lokale Unterschiede im Eutektikum führten bei den beiden betrachteten Legierungen zu keiner nennenswerten Schwellwertänderung. Abschließend erfolgte eine analytische Auswertung der gemessenen Kurven unter Anwendung verschiedener ein- und mehrparameteriger Ansätze im Schwellwertbereich und im Bereich des stabilen Risswachstums. Modelle zur Korrelation des Schwellwertes mit den wesentlichen Parametern Korngröße und Spannungsverhältnis wurden angegeben.
Dipl.-Ing. Alexander Müther
Titel: "Entwicklung einer Auslegungs- und Optimierungsmethode für Hochdruckbauteile"
Kurfassung:
In hochbelasteten Bauteilen können durch unterschiedliche Fertigungsverfahren Eigenspannungen hervorgerufen werden, die die Gesamtspannung im Betrieb verringern. Um den Auslegungs? und Optimierungsprozess zu beschleunigen, stellen automatisierte Berechnungsabläufe dabei eine wertvolle Unterstützung dar. Diese Arbeit beinhaltet den Aufbau und die Anwendung eines analytischen Berechnungswerkzeuges mit MS EXCEL für die Bestimmung der Spannungszustände in hoch belasteten Bauteilen. Dabei werden die Berechnungen der Eigen-spannungs? und Betriebsspannungszustände von unterschiedlichen Herstellungsarten der Bauteile in das Auslegungswerkzeug implementiert. Die Berechnungen basieren auf Berechnungsvorschriften aus der Fachliteratur und dem ASME Code, der zusätzlich bestimmte werkstoffliche Effekte berücksichtigt. Zudem ermöglicht das Berechnungswerkzeug eine überschlagsmäßige Lebensdauerabschätzung auf Basis der linearen Schadensakkumulation nach Miner. Durch die Kopplung der erstellten Berechnungsblätter mit der frei verfügbaren Software DAKOTA ist die Optimierung von Spannungszuständen unter Berücksichtigung geometrischer und prozessspezifischer Eingangsgrößen möglich. Weiterhin erfolgt zur Validierung des entwickelten Werkzeuges und der implementierten Optimierungsstrategie eine Anwendung des MS EXCEL Tools auf ausgewählte hochbelastete Bauteile. Die Durchführung umfangreicher Optimierungsversuche ermöglichte die Identifizierung verschiedener Optima. Die Spannungen konnten hierbei bis zu 44 % reduziert werden und Belastbarkeiten bis zu 30 % bei gleichbleibender Schädigung erhöht werden.
Dipl.-Ing. David Simunek
Titel: "Aufbau einer numerischen Simulationskette zur betriebsfesten Bewertung hochfrequent gehämmerter Schweißverbindungen"
Kurzfassung:
Die Anwendung höherfrequenter Hämmerverfahren (HFH) zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen gewinnt in der Praxis zunehmend an Bedeutung und wird bereits verbreitet eingesetzt. Dabei wird mit Hilfe eines gehärteten Stahlbolzens der Schweißnahtübergang plastisch verformt, wodurch Druckeigenspannungen erzeugt, die Kerbwirkung reduziert, oberflächennahe Fehler entfernt und das Material lokal verfestigt wird. Die lebensdauersteigernde Wirkung der HFH-Verfahren wird derzeit in Regelwerken nur in Form globaler Konzepte berücksichtigt, wobei eine Auslegung komplexer Strukturen auf Basis lokaler Auslegungsmethoden nicht implementiert ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst experimentelle Untersuchungen anhand eines ausgewählten Hämmerverfahrens durchgeführt, um Informationen über die dynamisch wirkenden Kräfte und Eindrucktiefen beim Prozess zu erhalten. Diese Daten dienen als Eingangsparameter für den Aufbau einer Simulationskette, bestehend aus einer Schweißstruktursimulation, einer numerischen Analyse des Hämmerprozesses und einer lokalen Schädigungsberechnung. Durch den Einsatz der Schweißstruktursimulation werden der Eigenspannungszustand und die heterogene Gefügestruktur nach dem Fügeprozess bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen wird in weiterer Folge der HFH-Prozess numerisch abgebildet. Eine Studie der wesentlichen Prozessparameter zeigt den Einfluss der Nachbehandlung auf die lokale Nahtübergangstopographie und den sich bildenden Eigenspannungszustand. Durch Eigenspannungsmessungen mittels Röntgendiffraktometrie an der realen Probe lassen sich die numerisch ermittelten Ergebnisse verifizieren, wobei eine gute Übereinstimmung erzielt wurde. Abschließend werden mit Hilfe einer numerischen Lebensdauerabschätzung die versagenskritischen Bereiche der unbehandelten und HFH-bearbeiteten Verbindung gegenübergestellt und der Einfluss der geometrischen Kerbe, sowie der Eigenspannungen auf die lokale Schädigung analysiert.
Dipl.-Ing. Benjamin LEITNER
Titel: “Erweiterung des FKM-konformen Ermüdungsfestigkeitsnachweises für nichtproportionale Beanspruchungen”
Kurzfassung:
Für den rechnerischen Nachweis der Ermüdungsfestigkeit nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile sind nach der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ die Amplituden der Hauptnormalspannungen zu bestimmen, wobei dies im Fall nichtproportionaler Beanspruchungen aufgrund zeitlich veränderlicher Hauptspannungsrichtungen nicht unmittelbar möglich ist. Aus diesem Grund schlägt die FKM-Richtlinie eine Näherungslösung vor, die jedoch im Allgemeinen zu deutlich konservativen Ergebnissen führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Amplituden der Hauptnormalspannungen bei zeitlich veränderlichen Hauptspannungsrichtungen ermittelt werden können. Zu diesem Zweck wurde ein Tensortransformationsverfahren entwickelt und in ein bestehendes Softwarepaket implementiert. Darin werden die mithilfe einer Finite-Elemente-Berechnung linear-elastisch berechneten Spannungstensoren schrittweise in gedrehte Koordinatensysteme transformiert. In jedem dieser Rotationszustände wird ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach der FKM-Richtlinie geführt. Der Vergleichsauslastungsgrad wird dabei anhand der Interaktionsgleichung für proportionale bzw. synchrone Beanspruchungen mit Normalspannungsamplituden gebildet. Das Maximum der Vergleichsauslastungsgrade aller Rotationszustände kennzeichnet das ungünstigste Zusammenwirken der Normalspannungsamplituden und daher wird der Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Hauptnormalspannungsamplituden geführt. Zur Validierung des entwickelten Berechnungskonzeptes werden Ergebnisse von Betriebsfestigkeitsversuchen mit proportionalen und nichtproportionalen Beanspruchungen an Rundproben aus der Literatur den entsprechenden Berechnungsergebnissen gegenübergestellt. Dabei wird gezeigt, dass die Berechnungsergebnisse des FKM-konformen Tensortransformationsverfahrens bei nichtproportionalen Beanspruchungen im Vergleich mit Versuchsergebnissen auf der sicheren Seite liegen, jedoch gegenüber der FKM-Näherungslösung die Abweichung um rund 40% verringert werden kann. Das Verfahren bringt somit einen wesentlichen Vorteil bei der leichtbauoptimierten Auslegung nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile nach der FKM-Richtlinie.
Dipl.-Ing. Michael Auer
Titel: "Entwicklung eines Referenzbauteils zur Prüfung von dickwandigen Großgussbauteilen!
Kurzfassung:
Um eine gezielte Aussage über die Eigenschaften von Großgussteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit zu erhalten, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Referenzbauteil mit den charakteristischen Wandstärken und Eigenschaften einer Nabe einer Windkraftanlage entwickelt. Mithilfe einer neu zu konstruierenden Spannvorrichtung und der am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau vorhandenen Ausrüstung soll dieses Bauteil in vertretbarem Aufwand geprüft werden können. Durch gezielte konstruktive und gießtechnische Maßnahmen soll es möglich sein, die Qualität des Bauteils zu beeinflussen. Um Vergleichswerte für die Entwicklung dieses Referenzbauteils zu erhalten, wurde die Nabe mittels dem Finite-Elemente-Paket Abaqus strukturmechanisch simuliert und ausgewertet. Dabei sind Parameter wie das höchstbelastete Volumen und der Verlauf des Spannungsgradienten herangezogen worden. Durch unterschiedliche Beanspruchungssituationen konnten als Ergebnisse für das höchstbelasteste Volumen Werte im Bereich von 1200–1800 mm^3 und für den relativen Spannungsgradienten von 0,08–0,1 mm^(?1) als Parameter definiert und mit den Simulationsergebnissen des Referenzbauteils verglichen werden. Iterativ wurde so die Geometrie des Referenzbauteils an obige Werte angepasst und verbessert. Mithilfe einer Gusssimulation wurde mittels Mikromodellierung das Gefüge abgeschätzt. Bei Gusseisen mit Kugelgraphit kann so unter anderem die Anzahl der Graphitkugeln pro mm^2 numerisch ermittelt werden. Für einen Vergleich der Simulation mit dem Gefüge der Nabe wurden Schliffbilder und metallographische Analysen angefertigt und validiert. In den höchstbelasteten Bereichen wurde eine Graphitkugelanzahl von 40–70 Kugeln pro mm2 festgestellt. Basierend auf den Ergebnissen der Gusssimulationen wurde die Geometrie des Referenzbauteils weiter angepasst. Weiters wurde zur Prüfung dieses Referenzbauteils eine Spannvorrichtung konstruiert. Diese ermöglicht eine 4-Punkt Biegeprüfung mit sowohl schwellender als auch wechselnder Beanspruchung. Im Zuge der Konstruktion dieser Spannvorrichtung, wurden Berechnungen für die Spannkräfte sowie der Durchbiegung des Bauteils durchgeführt.
Dipl.-Ing. Philipp Bergmann
Titel: “Bauteilnahe Testmethodik für Grenzreibungszustände von Gleitlagerungen”
Kurzfassung:
Der Markt, die Umweltsituation sowie Gesetzgeber fordern eine stetige Reduktion der Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren. Um diesem Wunsch zu entsprechen, wird versucht mit Downsizing- und Leichtbaumaßnahmen die spezifische Leistung zu erhöhen sowie mit der Verwendung von niedrigviskosen Schmiermittel Reibungsverluste zu reduzieren um somit den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Die steigende Hybridisierung von Fahrzeugen ist eine weitere Maßnahme, die es ermöglicht die hochgesteckten Ziele zu erreichen. Im Zuge dessen erfährt die Start/Stopp-Technologie als Grundbaustein jeder Hybridklasse einen enormen Aufschwung. Für Gleitlagerungen bringen die gesetzten Maßnahmen erschwerte Betriebsbedingungen mit sich und erweitern die Bereiche der Grenz- und Mischreibung, in denen Gleitlager eine unzureichende Tragfähigkeit aufweisen, über einen größeren Drehzahlbereich. Zusätzlich verschärft wird diese Situation durch die Start/Stopp-Technologie, die für ein Gleitlagersystem ein häufiges Durchfahren der vergrößerten Bereiche der Grenz- und Mischreibung bedeutet. Herkömmliche Gleitlager sind dafür nicht ausgelegt, weswegen es notwendig ist, die Entwicklung voranzutreiben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aufbauend auf vorangegangenen Arbeiten eine Methodik mit Hilfe eines Gleitlageradapters, aufgebaut auf dem Rotationstribometer TE92HS, entwickelt, um bauteilnahe kostengünstige Untersuchungen an einem Gleitlagerersatzsystem durchführen zu können. Untersucht wurden unterschiedliche Werkstoffkombinationen, wobei als Zwischenmedium FVA-Öle verwendet wurden. Die daraus resultierenden Schlüsse sollen der zukünftigen Verbesserung des Tribosystems selbst und Tribokomponenten dienen. Im Zuge der einführenden Literaturrecherche wurde der Stand der Technik in den Bereichen Tribologie, Gleitlagertechnik, Start/Stopp-Technologie sowie aktuelle Prüfmethodik erfasst. Um tribologische Untersuchungen des Verhaltens von Gleitlagersystemen im Genz- und Mischreibungsbereich durchführen zu können, wurden zu Beginn Arbeiten am mechanischen Aufbau durchgeführt. Dadurch konnte neben den technischen Voraussetzungen auch eine erhöhte Messgenauigkeit hergestellt werden. Zu den bestehenden Messgrößen wurden zwei neue Messinstrumente hinzugefügt. Zum einen ist dies die Messung der akustischen Emissionen und zum anderen die High Speed Daten Aufzeichnung der Messgrößen Reibwert, Kontaktpotential und Drehzahl, die eine Erfassung mit hohen Frequenzen ermöglicht. Die in vorangegangenen Arbeiten installierte Messung des hydrodynamischen Schmierfilmdrucks erbrachte in Folge der durchgeführten Änderungen erstmals zuverlässige Ergebnisse. Das Gerüst aus den bestehenden Messgrößen Reibwert, Kontaktpotential und Temperatur wurde somit um diese Komponenten erweitert um vertiefende Aussagen über das Verhalten des Gleitlagerersatzsystems treffen zu können. Es stellte sich heraus, dass die Aufzeichnung der High Speed Daten Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten des mechanischen Aufbaus zulassen. Die Auswertung dieser Daten schafft neben detaillierten Einblicken in das Verhalten der Messgrößen auch eine Basis zur Evaluierung von zukünftigen Verbesserungen des mechanischen Aufbaus. Zusätzlich unterstützt wird die Methodik durch eine hydrodynamische Schmierfilmsimulation mittels COMSOL, welche einerseits der Validierung der durchgeführten Adaptierung diente und zusammen mit den aus Versuchen ermittelten Größen eine umfassende Basis bildet, tribologische Systeme zu beschreiben. Die Versuche zeigten, dass die Prüfmethodik detaillierte Aussagen über das Verhalten von unterschiedlichen Tribosystemen liefert. Einflüsse von Temperatur, Belastung, Oberflächenzustand und unterschiedlicher Werkstoffpaarung konnten charakterisiert und deren Einfluss auf Grenz-, Misch- und Flüssigkeitsreibung dargestellt werden. Abschließend wurden Empfehlungen ausgesprochen und zukünftige Schritte in Aussicht gestellt.
Dipl.-Ing. Philip Pichler
Titel: “Anwendung des lokalen Spannungskonzeptes zur Lebensdauerberechnung von kurzglasfaserverstärkten Spritzgusskomponenten”
Kurzfassung:
Kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe finden heutzutage ein breites Anwendungsgebiet. Vor allem als Metallersatz von Strukturbauteilen bieten sie aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit Vorteile in Bezug auf Leichtbau gegenüber druckgegossenen Metallkomponenten. Die Verarbeitung durch Spritzgießen bietet zudem die Möglichkeit Komponenten in Großserien sehr kosteneffizient zu produzieren. Aufgrund der Strömungsverhältnisse während des Verarbeitungsprozesses kommt es zu unterschiedlichen Orientierungen der Fasern, was dazu führt, dass die Eigenschaften richtungsabhängig sind. Ziel dieser Arbeit ist es eine Lebensdauerberechnung an einem realen Validierungsbauteil durchzuführen und dem Versuch gegenüberzustellen. Die dazu benötigten Werkstoffdaten, welche zum Teil in einem Werkstoffdatensatz in der Betriebsfestigkeitsoftware FEMFAT Verwendung finden, werden mit quasistatischen und zyklischen Versuchen ermittelt. Als Werkstoff dient ein thermoplastisches Polyetherimid mit einer Verstärkung von 30 Gew.-% an gemahlenen Glasfasern. Anhand von Norm- und aus Platten geschnittenen Kurzprüfkörper wurden Einflüsse wie Bindenaht, Faserorientierung und erhöhte Temperatur auf die Festigkeitswerte untersucht. Die Bindenaht reduziert die Schwingfestigkeit um ca. 48 %. Quer zur Spritzrichtung entnommene Kurzprüfkörper weisen im Vergleich zum längs Ausgeschnittenen eine um ca. 20 % geringere Schwingfestigkeit auf. Zusätzlich reduziert das Einwirken erhöhter Temperatur (T = 120 °C) die dynamische Festigkeit, abhängig vom der Hauptfaserorientierung, um bis zu 37 %. Schadensanalytische Methoden zeigen, dass die Fasern von der Matrix ausgezogen werden, was auf eine geringe Faser/Matrixhaftung schließen lässt. Zusätzlich wurde die Aufnahme von Feuchtigkeit untersucht. Die Lagerung von Normprüfkörpern in Raumklima und Wasser bei 50 °C zeigt eine Wasseraufnahme von bis zu 0,7%. Zur Prüfung der Komponente, bei welcher es sich um einen Linsenhalter eines Automobilscheinwerfers handelt, wurde eine Prüfvorrichtung konstruiert und gefertigt. Die an einer servohydraulischen Prüfmaschine ermittelten Lastzyklen bei schwellenden Lastfällen (Zug und Druck) dienen zur Validierung der Lebensdauerrechnung mittels FEMFAT. Die Kalkulation wurde mit zwei unterschiedlichen Werkstoffdatensätzen durchgeführt (isotrop und anisotrop unter Berücksichtigung der lokalen Faserorientierung). Die Gegenüberstellung von Simulation und Versuch zeigt, dass die Berechnung gute jedoch stets konservative Ergebnisse liefert. Je nach verwendeten Materialdatensatz und Lastfall ergeben sich, bezogen auf die Spannung, Sicherheiten von 1,2 bis 2. Dies bedeutet, dass der reale Bauteil unter zyklischer Belastung eine höhere Lebensdauer aufweist als in der Simulation berechnet. Die Kalkulation mit dem anisotrop ausgewerteten Materialdatensatz zeigt die geringsten Abweichungen zum Validierungsversuch.
Dipl.-Ing. Markus Otto
Titel: “ Schweißnahtbewertung auf Basis von Volumsmodellen”
Kurzfassung:
Zur Unterstützung des Auslegungsprozesses komplexer Bauteilstrukturen sind numerische Hilfsmittel Stand der Technik. Um den Leichtbaugedanken erfolgreich umsetzen zu können, werden diese stetig weiter entwickelt und verbessert. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist eine verbesserte Methode zur numerischen Lebensdauerbewertung von linienförmig geschweißten Stahlverbindungen zu erarbeiten, welche in einen Postprozessor zur Betriebsfestigkeitsanalyse implementierbar ist. Im Rahmen einer umfangreichen Studie ausgewählter Hypothesen zur Lebensdaueranalyse von geschweißten Strukturen werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden aufgezeigt. Dabei wird auf eine mögliche Umsetzung in den Betriebsfestigkeits-Postprozessor FEMFAT WELD geachtet. Die Untersuchungen beziehen sich auf Stahlwerkstoffe und berücksichtigen den Einfluss der Blechdicke, von Schweißnahtanfängen, sowie mehrachsiger Beanspruchung. Bei der vorgeschlagenen Bewertungsmethode, welche auf der Methode des kritischen Spannungsabstandes basiert, werden die mittels Finite-Elemente-Methode berechneten Strukturspannungen von grob vernetzten Volumsmodellen anhand von Kerbwirkungszahlen zu den schädigungsrelevanten Effektivspannungen umgerechnet. Für die Ermittlung der Strukturspannungen werden unterschiedliche Möglichkeiten aufgezeigt, wobei die Untersuchungen zeigen, dass die lineare Spannungsextrapolation mit zwei Stützstellen zu bevorzugen ist. Zur Ermittlung der Schädigungssumme wird eine Masterwöhlerlinie angegeben und die lineare Schadensakkumulation angewendet. Die Kerbwirkungszahlen werden für unterschiedliche Schweißnahttypen und Beanspruchungsarten an ebenen Modellen mit einem Kerbradius von r = 0,05 mm an der Schweißnahtwurzel und dem Übergang ausgewertet und in einer Datenbank gespeichert. Hinsichtlich der Modellierung von Schweißverbindungen im Preprozessor werden mehrere Varianten diskutiert und eine Empfehlung zur Erzielung der besten Genauigkeit ausgesprochen. Um eine experimentelle Verifikation der numerisch bestimmten Lebensdauer zu ermöglichen, wurden verschiedene Schwingversuche aus der Literatur nachgerechnet. Diese Berechnungen wurden auch mit FEMFAT WELD und Methoden, basierend auf fein vernetzten FE-Modellen, durchgeführt. Somit ist ein direkter Vergleich der ermittelten Lebensdauern bei verschiedenen Konzepten möglich, wodurch die Berechnungsgenauigkeit, besonders bei komplexen Bauteilen und Beanspruchungen, durch die vorgestellte spannungsabstandsbasierte Bewertungsmethode optimiert werden kann.
Dipl.-Ing. Andreas Primetzhofer
Titel: “Gewichtsoptimierung und betriebsfeste Bewertung einer Seilkranlaufkatze”
Kurzfassung:
In den letzten Jahren haben die Ansätze des Leichtbaus, neben den traditionellen Sektoren der Automobil- und Flugzeugindustrie, in vielen weiteren Bereichen des Maschinenbaus immer mehr an Bedeutung gewonnen. Vor allem im mobilen Einsatz von Arbeitsmaschinen in der Forsttechnik spielt das Eigengewicht der eingesetzten Geräte aus ökologischer und ökonomischer Sicht eine wesentliche Rolle. Im Zuge dieser Diplomarbeit ist eine Seilkranlaufkatze hinsichtlich ihres Gewichtes optimiert worden. Da vor allem die Belastungen im Arbeitseinsatz nur wenig bekannt und in der vorhandenen Literatur nur allgemeine Lastfälle und -annahmen angeführt sind, werden diese in einer experimentellen Analyse ermittelt. Basierend auf diesen Lastfällen und numerischen Simulationsmodellen wurde eine Optimierung der Struktur vorgenommen. Ziel der Optimierung ist es das Gewicht der gesamten Struktur, bei gleicher Funktionalität, weitestgehend zu senken. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung im Holzabbau und damit zu gesteigerten Erträgen und einer geringeren Schädigung des Waldbodens. Durch die Topologieoptimierung konnte das Gewicht der optimierten Teile um rund 25% (ausgehend von deren ursprünglichen Gewicht) gesenkt werden. Die durch den numerischen Optimierungsprozess entstehenden, oftmals technisch nur bedingt herzustellenden Formen, wurden in weiterer Folge in eine fertigungsgerechte Konstruktion überführt. Weiters wurde in Zuge der Arbeit ein neues Gesamtkonzept erarbeitet, in welchem neben der Formoptimierung auch ein Materialwechsel, sowie der Einsatz neuer Technologien untersucht wurde. Unter Ausnutzung aller möglichen Einsparungspotentiale konnte das Gesamtgewicht um 20% gesenkt werden.
Dipl.-Ing. Christopher Ludwig
Titel: “Planung, Erfassung und Auswertung von Betriebsfestigkeitsversuchen unter Berücksichtigung statistischer Methoden”
Kurzfassung:
Der erste Teil der vorliegenden Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Auswahl und Entwicklung einer geeigneten Datenbank zur Speicherung von Versuchsergebnissen (Bereich low and high cycle fatigue). Dabei wurde besonderer Wert auf die Anforderungen des Lehrstuhls für Allgemeinen Maschinenbau gelegt. Dies ist wichtig, da jedes Jahr hunderte von Werkstoff- und Bauteilversuchen durchgeführt werden und die dabei entstehenden Daten für eine spätere Verwendung intelligent gesichert werden müssen. Die Literaturstudie zeigt, dass eine relationale Datenbank mit drei schichtigem Aufbau (Projekte, Versuchsreihen, Proben) die beste Lösung für den Lehrstuhl darstellt. Es wurde ein Prototyp der gewünschten Datenbank erstellt und zur weiteren Entwicklung an einen externen Spezialisten weitergegeben. Im zweiten Teil der Arbeit wurden mehrere Methoden zur näherungsweisen Bestimmung der Schwingfestigkeit für die spätere Versuchsplanung entwickelt und getestet. Diese Aufgabe bedarf großer Aufmerksamkeit, da sie als Grundlage für die Einteilung der zu prüfenden Lastniveaus dient. Alle Methoden wurden an acht verschiedenen Werkstoffen angewendet. Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass die Wahl eines Verfahrens einerseits von der Werkstoffgruppe der vorliegenden Probe und andererseits vom Endergebnis (Dauerfestigkeit oder Dauer- und Zeitfestigkeit) abhängt. Allgemein kann jedoch eine Empfehlung für die FKM und Hück Werkstoffgleichungen, das Locati Verfahren und die Rückrechnungsmethoden aus dem Zeitfestigkeitsbereich mit Ecklastspielzahl nach Radaj gegeben werden. Ein angehängter Leitfaden zur Planung von Wöhlerversuchen, aufbauend auf die beschriebenen Abschätzungsmethoden, soll den Mitarbeitern des Lehrstuhls in Zukunft eine Hilfestellung bei der Versuchsplanung bieten. Der dritte Teil der Diplomarbeit beinhaltet Verbesserungsvorschläge für die derzeit am Lehrstuhl verwendeten Auswertemethoden zur Lokalisierung der Wöhlerlinie. Dabei handelt es sich um die log10 Normalverteilung bzw. graphische Auswertung für den Zeitfestigkeitsbereich und das Arcsin?P bzw. Probit Verfahren für den Dauerfestigkeitsbereich. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Schätzgleichungen für die Bruchwahrscheinlichkeit und die Standardabweichung ungenaue Ergebnisse liefern. Um dieses Problem zu lösen wurden neu publizierte Formeln präsentiert und diskutiert.
Dipl.-Ing. Michael Spary
Titel: “Thermomechanische Ermüdung von bauteilnahen zylindrischen Hohlkörpern”
Kurzfassung:
Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel das Prüfungsgebiet für thermomechanische Ermüdung (thermo-mechanical-fatigue, TMF) zu erweitern. Die TMF-Prüfmethode zeigt gegenüber isothermen Versuchen bereits eine bessere Nachbildung der tatsächlichen Beanspruchung. Um diese Übereinstimmung weiter zu steigern werden TMF-Versuche an bauteilnahen Geometrien angestrebt. Einflussfaktoren welche beispielsweise geometriebedingter Natur sind, werden mit der Modellprobe (zylindrischer Vollkörper mit polierter Oberfläche), hier Standardprobe genannt nicht berücksichtigt. Bauteilversuche hingegen sind mit einem sehr großen Aufwand verbunden, daher werden in dieser Arbeit bauteilnahe Versuche an Rohren durchgeführt. Der TMF-Prüfstand wurde für die Anforderungen, welche der Hohlkörper in der Form eines zylindrischen Rohres mit einem Außendurchmesser von 23 mm und einer Wandstärke von 1 mm stellt, angepasst. Das Spannsystem, die Induktionsspule und die Art der Temperaturmessung wurden als Hauptkomponenten des TMF-Prüfstandes für den Einsatz von Rohren adaptiert. TMF-Versuche mit gleichen Prüfparametern für die Standardprobe und der Rohrprobe wurden durchgeführt. Die Phasenlage der thermischen zur mechanischen Dehnung erfolgte bei der ersten Versuchsreihe in gleicher Phasenlage (Inphase, IP) und in der zweiten Versuchsreihe um 180° Phasenversetz (Out of Phase, OoP). Einflüsse aus der Variation der Maximaltemperatur sowie aus den unterschiedlichen Dehnungsbehinderungen wurden in den beiden Versuchsmoden IP und OoP durchgeführt. Die entstandenen zeitlichen Verläufe von Spannung und Dehnung werden untersucht und miteinander verglichen. Die Spannungsverläufe im OoP-Versuch zeigen bei beiden Probenformen gleiche Verfestigungsmechanismen, bei IP-Versuchen sind die Spannungsverläufe von Rohrprobe und Standardprobe konträr. Der Vergleich der entstandenen Spannungs-Dehnungs Hysteresen zeigt eine gleiche Entwicklung bei beiden Probenformen im Laufe des Versuchs. Der Vergleich der Lebensdauer zwischen den beiden Probekörpern zeigt eine 3-fach höhere ertragbare Zyklenzahl der Standradprobe gegenüber der Rohrprobe. Die relative Änderung der Lebensdauer lässt erkennen, dass geänderte Prüfparameter auf jede Probenform die gleiche Auswirkung haben. Die abschließende Analyse der Bruchflächen von beiden Prüfkörpern zeigt ein ähnliches Schema im Schadensbild und im Risswachstum.
Dipl.-Ing. Markus Ottersböck
Titel: “Bewertung der Betriebsfestigkeit von Unterpulverschweißnähten basierend auf einer Schweißstruktursimulation”
Kurzfassung:
Durch den stetig vorangetriebenen Leichtbaugedanken ist eine möglichst genaue Abschätzung der Betriebsfestigkeit geschweißter Verbindungen unerlässlich. Die lokale Nahtübergangstopographie, Eigenspannungen und unterschiedliche Gefügezonen, welche durch den Schweißprozess ausgebildet werden, beeinflussen hierbei die Lebensdauer maßgeblich. Aufgrund der limitierten Anwendung von analytischen Methoden bei komplexen Strukturen werden zunehmend lokale Konzepte eingesetzt, welche auf numerisch ermittelten Beanspruchungen basieren. Bisher noch nicht durchgehend eingesetzt wird dabei die transiente Schweißstruktursimulation zur numerischen Berücksichtigung der Schweißung auf die Struktur. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, die anhand einer Schweißstruktursimulation ermittelten Schweißeigenspannungen in die numerische Betriebsfestigkeitsbewertung zu implementieren. Zusätzlich werden die unterschiedlichen lokalen Eigenschaften von charakteristischen, durch den Schweißprozess entstandenen, Gefügezonen im Hinblick auf die Lebensdauer berücksichtigt. Die gesamte Simulationskette wird in Anlehnung an eine zweilagige Unterpulverschweißnaht aufgebaut. Im Zuge der Arbeit werden auch die maßgeblichen technologischen Herstellungsprozesse, wie die mechanische Bearbeitung des geschweißten Bleches zur finalen Probengeometrie und dem Recken zur Eigenspannungshomogenisierung, abgebildet. Für die thermisch-mechanisch gekoppelte Schweißstruktursimulation wird das Finite-Elemente-Softwarepaket Sysweld verwendet. Es werden dabei die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften der einzelnen Gefügezonen eines Stahls sowie deren Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten berücksichtigt. Die numerisch ermittelten Schweißeigenspannungen werden durch röntgenographische Messungen an der betrachteten Unterpulverschweißnaht validiert. Die numerische Abschätzung der Lebensdauer der eigenspannungsbehafteten Schweißproben erfolgt mit der Software Femfat. Die dabei benötigten lokalen Schwingfestigkeitsdaten liefern experimentelle Ermüdungsversuche, welche sowohl am Grundmaterial als auch an einzelnen charakteristischen Gefügezonen durchgeführt werden. Eine abschließende Gegenüberstellung der Lebensdauer basierend auf Simulation und Versuch zeigt die wesentlichen Vorteile und auch Anwendungsgrenzen der vorgestellten Methodik auf.
Dipl.-Ing. Anton Lettner
Titel: “Simulation der Schlagverfestigung von gekerbten Rundproben mittels Nadelhammer”
Kurzfassung:
Für den Motorenbau übliche Kurbelwellen werden je nach Anforderungsprofil entweder als gegossene Kurbelwellen oder als geschmiedete Stahlkurbelwellen eingesetzt. Durch den konstruktionsbedingten Übergang zwischen Kurbelwellenwange und Lagerzapfen liegen scharfe Kerben vor. Dies bedeutet ein höheres Versagensrisiko durch die auftretende komplexe, schwingende Beanspruchung. Eine dauerfeste Auslegung ist daher für Kurbelwellen nur durch zusätzliche festigkeitssteigernde Maßnahmen in Form von Randschichtverfestigungsverfahren möglich. Im Rahmen der Diplomarbeit werden systematische Untersuchungen hinsichtlich der Eigenspannungseinbringung durch das Oberflächenverfestigungsverfahren Hämmern durchgeführt. Dabei wird der Mechanismus der Schlagverfestigung in einem Finite-Elemente Modell abgebildet. Schwerpunkt liegt dabei auf einer möglichst genauen Abbildung des Werkstoffverhaltens sowie einer realitätsnahen Nachbildung des Vorganges selbst. Darauf aufbauend werden Variantenstudien hinsichtlich unterschiedlicher Verfestigungsparameter (Überdeckung, Schlagkraft) miteinander verglichen. Anschließend werden Eigenspannungsmessungen an verfestigten Rundproben durchgeführt, die wiederum jenen der Simulation gegenübergestellt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass durch das Schlagverfestigen mittels Nadelhammer Druckeigenspannungen in einem Maß eingebracht werden, welches zu einer Steigerung der Schwingfestigkeit führt. Darüberhinaus wird das in der Simulation angewandte Werkstoffmodell durch Vergleich von Eigenspannungsmessungen am Probenkörper und den Ergebnissen der Simulation verifiziert.
Dipl.-Ing. Fleury Douto Nana
Titel: “ Lebensdauerbewertung von Platten aus gegossenem Aluminiumknetwerkstoff AlMg4,5Mn0,7”
Kurzfassung:
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Schwingfestigkeits- und Lebensdauerverhalten von Platten aus einer gegossenen Aluminiumknetlegierung AlMg4,5Mn0,7, die mit dem Horizontal-Stranggussverfahren hergestellt wurden. Die Schwingfestigkeitsuntersuchungen wurden mit Charpy-V-Proben durchgeführt wobei das Werkstoffverhalten richtungsabhängig untersucht wurde. Für die Übertragbarkeit der Probenergebnisse auf Platten wurde ein rechteckiges Plattenmodell basierend auf der Kirchhoff-Theorie erstellt, wofür zwei Lösungsmethoden abgeleitet wurden. Einerseits wurde eine analytische Lösung und anderseits eine numerische Lösung erstellt, wobei die Ergebnisse gegenübergestellt wurden. Eine Finite-Elemente Simulationen mit ABAQUS basierend auf linear elastischen Materialdaten wurde für die Platte aufgebaut, womit für unterschiedliche Einspannbedingungen Berechnungen durchgeführt wurden. Für die Lebensdauerbewertung wurde eine Platte mit einer Kreis- bzw. Ellipsenbohrung versehen, und basierend auf den Berechnungen und Werkstoffuntersuchungen eine Lebensdauerberechnung mit der Betriebs-festigkeitssoftware FEMFAT durchgeführt. Zur Evaluierung der Lebensdauerberechnung wurde ein Prüfkonzept konstruiert. Die gesamten Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen zeigen nahezu identische richtungsunabhängige Schwingfestigkeitswerte in der Größenordnung von 27 N/mm2, damit zeigt sich isotropes Verhalten und eine Homogenität des Gussblocks. Die vergleichenden Ergebnisse der numerischen und analytischen Berechnungen an der Kragplatte (Fall 1) zeigen eine Näherung der analytischen Lösung bei dem 2D-Modell und einen erheblichen Unterschied mit der Lösung des 3D-Modelles. Im Gegensatz dazu gibt es bei beidseitiger Einspannung der Platte (Fall 2) eine Annäherung der analytischen Lösung mit dem 3D-Modell und einen Unterschied mit der Lösung des 2D-Modelles. Bei Einspannung benachbarter Seiten (Fall 3) ist die analytische Lösung mit den Lösungen des 2D- und 3D-Modelles nahezu ident. Hinsichtlich dreiseitiger Einspannung (Fall 4) hat das 3D-Modell die höchste Spannung gefolgt von der Spannung des 2D-Modelles und der analytischen Lösung. Eine umgekehrte Reihenfolge der Ergebnisse ergibt sich bei vollständiger Ein-spannung (Fall 5). Die Lebensdauerberechnung der Platten mit dem Kreis- und Ellipsenbohrungsmodell zeigt, dass die Ellipsenbohrung keinen Einfluss auf die Randbedingungen hat und daher zur Lebensdauerbewertung das örtliche Spannungskonzept auf Gradientenbasis für Platten mit unterschiedlichen Bohrungen vorgeschlagen werden kann.
Dipl.-Ing. Claudia Wagner
Diplomarbeitsthema:“Untersuchung der Entstehung und Umlagerung von mechanisch und thermisch induzierten Eigenspannungen für die Nickelbasis-Legierung Inconel® 718“
Publikationsjahr: 2013
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Eigenspannungen sind ein komplexes Thema. Während des Betriebs können sie positiven sowie negativen Einfluss auf die Festigkeit von Bauteilen haben. Um sie positiv zu nutzen, muss jedoch genug Erfahrung und Know-How über die Entstehung der Eigenspannungen vorhanden sein. Um dieses Verständnis zu erweitern, werden in dieser Arbeit Simulations-Modelle aufgebaut, die Eigenspannungen an der Nickelbasis-Legierung Inconel® 718, einem Hochtemperatur-Werkstoff aus der Luft- und Raumfahrt, untersuchen. Versuche untermauern die Ergebnisse der Simulation. Der erste Teil beschäftigt sich mit mechanisch induzierten Eigenspannungen, eingebracht durch Recken einer gekerbten Probe, bei denen es durch anschließenden Materialabtrag an der Oberfläche zur Umlagerung der Spannungen kommt. Schwerpunkt bilden jedoch thermisch induzierte Eigenspannungen, die beim Abkühlen von hohen Temperaturen entstehen. Werden Bauteile nach dem Schmieden wärmebehandelt kommt es zur Relaxation und Neubildung dieser Eigenspannungen. Nach Ausarbeiten eines geeigneten Versuchsaufbaus werden Inconel® 718-Proben von 1.000 °C bzw. 950 °C in Wasser abgeschreckt, während ihr Temperaturverlauf mit gemessen wird. Das Simulations-Modell basiert auf einem thermisch-mechanisch entkoppelten Verfahren. Die Genauigkeit der Eigenspannungs-Berechnung ist entscheidend davon abhängig, wie gut der örtliche Temperaturverlauf beim Abkühlen eines Bauteils berechnet werden kann. Dies hängt wiederum davon ab, wie realitätsnah die verwendeten orts- und temperaturabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten sind. Mithilfe eines in dieser Arbeit entwickelten Optimierungs-Tools können die Wärmeübergangskoeffizienten an die Realität angepasst werden. Die wichtigsten Ergebnisse bilden also die Simulation der Spannungsumlagerung nach dem Materialabtrag, die Entwicklung eines Versuchsaufbaus zum Einbringen von thermisch induzierten Eigenspannungen und die Ermittlung der Wärmeübergangskoeffizienten.
Dipl.-Ing. Thomas Bumberger
Diplomarbeitsthema:“Bearbeitungs- und Instrumentierungsvorschläge zur Echtzeiterfassung der Einwirkungen an Abbauwerkzeugen von Tunnelbohrmaschinen“
Publikationsjahr: 2012
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Die vorliegende Arbeit dient als Grundlage zur in situ Erfassung der Einwirkungen auf Abbauwerkzeuge (Disken) von Tunnelbohrmaschinen (TBM). Am Beginn stehen die Beschreibung des Systems TBM und deren Einsatzgebiet. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Disken beziehungsweise den unterschiedlichen Möglichkeiten zur Fixierung der Disken im Bohrkopf der TBM. Nach einer ergänzenden Literaturübersicht zu Dehnungsmessstreifen (DMS) und zur Finiten Elemente Methode (FEM) mit Abaqus/CAE folgt die Modellierung zweier ausgewählter Spannsysteme inklusive der Disken. Das Modell des sogenannten Wedge Lock Spannsystems wird zunächst im Originalzustand simuliert. Aus den Ergebnissen dieser Simulation werden geeignete Positionen identifiziert, welche sich für Modifizierungen eignen. Diese Veränderungen sind nötig, um Platz für die Applizierung von Messmitteln am betreffenden Bauteil zu ermöglichen. Abschließend erfolgt eine neuerliche Simulation des modifizierten Wedge Lock Systems und eine Diskussion der Ergebnisse. Das Steckachsensystem unterscheidet sich grundsätzlich in der Art und Weise, wie die Diske im Bohrkopf beziehungsweise in der Aufnahme fixiert wird. Aus diesem Grund ergeben sich Differenzen sowohl im Aufbau des Modells als auch in den Möglichkeiten zur Erfassung der Einwirkungen auf die Diske. Die Vorgehensweise bei der Modellierung des Steckachsensystems ist ähnlich jener des Wedge Lock Systems. Für das Steckachsensystem werden ebenso wie für das Wedge Lock System Vorschläge zur messtechnischen Instrumentierung und der dafür nötigen Veränderungen erarbeitet. Für Laborversuche mit einem Nachbau des Steckachsensystems und einer eigens dafür angefertigten Diske ist die Konstruktion einer Prüfvorrichtung notwendig. Diese soll die Aufspannung der Diske in eine vorhandene hydraulische Prüfpresse des Lehrstuhles für Subsurface Engineering ermöglichen. Die Konstruktion besteht aus einer Aufspannvorrichtung sowie einer geeigneten Lasteinleitung, welche die Abbildung unterschiedlicher Lastfälle erlauben.
Dipl.-Ing. Christoph Hofbauer
Diplomarbeitsthema:“Prinzipielle Anwendung des Eurocodes auf Komponenten einer ESU-Anlage“
Publikationsjahr: 2012
Kurzfassung der Diplomarbeit:
In der vorliegenden Arbeit wird anhand der Drehsäule des Ofenkopfes einer ESU-Anlage die Anwendung des Eurocode 3 aufgezeigt. Die grundlegenden Anforderungen des Eurocode 3 bauen auf den Eurocode 0 bzw. den Eurocode 1 auf, weshalb im Speziellen folgende Normenwerke für die Bemessung herangezogen wurden: DIN EN 1990 – Grundlagen der Tragwerksplanung, DIN EN 1991-1-1 – Einwirkungen auf Tragwerke – Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke – Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau, DIN EN 1991-3 – Einwirkungen auf Tragwerke – Einwirkungen infolge von Kranen, DIN EN 1993-1-1 – Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Allgemeine Bemessungsregeln für den Hochbau, DIN EN 1993-1-5 – Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Plattenförmige Bauteile sowie die DIN EN 1993-1-9 – Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Ermüdung. Die höchstbelastete Stelle wurde mittels Methode der finiten Elemente lokalisiert. Dieser Bereich wurde einem umfassenden analytischen Nachweis gemäß Eurocode unterzogen. Es wurden die Nachweisführungen mittels Grenzzuständen der Tragfähigkeit (Lagesicherheit, Beanspruchbarkeit von Querschnitten, Stabilitätsnachweis), Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit (Verschiebungen) sowie der Ermüdungsnachweis erbracht. Wobei die Beanspruchbarkeit von Querschnitten unter Berücksichtigung der Methode der reduzierten Spannungen erfolgt ist.
Dipl.-Ing. Michael Magritzer
Diplomarbeitsthema:“Charakterisierung von wälzbeanspruchten Maschinenelementen durch tribologische Versuchstechnik“
Publikationsjahr: 2012
Kurzfassung der Diplomarbeit:
An viele in der Technik häufig verwendete Maschinenelemente werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Tragfähigkeit bei Überrollbeanspruchung gestellt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema Rollkontaktermüdung. Einerseits mit der Charakterisierung von verschiedenen Werkstoffpaarungen am Zweischeibenprüfstand (Plint TE74) und andererseits mit der Entwicklung eines Prüfstandes für die betriebsnahe Prüfung der Baugruppe des Systems Nocke/Rollenstößel eines Großgasmotors. Im ersten Teil wurden die Werkstoffe Austempered Ductile Iron, Einsatzstahl und ein Schienenwerkstoff unter verschiedenen Kontaktpaarungen am Zweischeibenprüfstand untersucht. Im Zuge dessen, wurden die Auswirkungen auf das Verschleiß- und Schädigungsverhalten dieser Werkstoffe bei unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und Beanspruchungen mit und ohne Schlupf untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Verschleiß und Schädigung vor allem von Härte, Mikrostruktur und Beanspruchung abhängen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Konzeptierung, Entwicklung und Konstruktion einer Prüfanlage für die betriebsnahe Bauteilprüfung des Nocken/Rollenstößelkontaktes eines Großgasmotors, um die Tragfähigkeit von ausgewählten Ventiltriebselemeten und die Schmierfilmbildung zwischen Stößel und Stößelrolle in einem breiten Bereich untersuchen und optimieren zu können.
Dipl-Ing. Fritz Oppliger
Diplomarbeitsthema:“Auslegung und Konstruktion eines Harvesterkopfs in Leichtbauweise“
Publikationsjahr: 2012
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Die Anforderungen der Forstindustrie für anwendungsorientierten Leichtbau zur Gewichtseinsparung können durch den Einsatz hochfester Materialen, speziell angepasster Fertigungstechnologien und einer spannungsoptimierten Gestaltung der Bauteile erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Betriebsbedingungen des Harvesterkopfs Woody 60 mit Hilfe experimenteller Lastanalysen und Beschleunigungsmessungen als Basis für die begleitende numerische Berechnung bestimmt. Ausgewählte Komponenten mit hohem Leichtbaupotential werden hinsichtlich ihrer Gestalt, des Materials und des Fertigungsprozesses optimiert. Die im Betrieb auftretenden lokalen Strukturbelastungen werden mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) via Funkübertragung an signifikanten Stellen gemessen und als Lastkollektiv ausgewertet. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und zur entsprechenden Definition der numerischen Randbedingungen wurde eine begleitende numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation durchgeführt. Ergebnis dieser Betriebslasterfassung und der numerischen Auswertung der Grundlastfälle stellt die Kenntnis der höchstbeanspruchten bzw. hinsichtlich Leichtbaupotential ausnutzbaren Komponenten des Harversterkopfs dar. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Ausnutzung des Optimierungspotentials der Forstgreifer, der Antriebswalzeneinheit und der Rahmenkonstruktion. Unter der Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie den herstellungs- und montagebedingten Randbedingungen konnte für den Forstgreifer eine Stahlgusskonstruktion entwickelt und umgesetzt werden. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus wird der iterative Topologieoptimierungsprozess zur Reduktion des Gewichtes gegenüber der Ausgangsgeometrie unter Berücksichtigung einer maximalen Steifigkeit als Zielfunktion angewandt. Das Resultat der durchgeführten Topologieoptimierung am Walzenarm und der Vorschubwalze wurde als Designvorschlag unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Gesichtspunkte umgesetzt. Der Rahmen wurde mit Unterstützung einer numerischen Spannungsanalyse konstruiert. Das Zusammenspiel aus konstruktiven Leichtbau-Erfahrungswerten und die iterative Topologieoptimierung an ausgewählten Komponenten führte zu einer rund 12 %igen Gewichtsreduktion des neudesignten Harvesterkopfs gegenüber der Ausgangsvariante.
Dipl.-Ing. Lukas Rinnergschwentner
Diplomarbeitsthema:“Schwingfestigkeitsuntersuchung sowie Form- und Topologieoptimierung an einem Aluminiumdruckgussgehäuse“
Publikationsjahr: 2012
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Im Fahrzeugbau kommen Aluminiumdruckgussteile aufgrund mehrerer Faktoren verstärkt zum Einsatz. Zum einen können bei geringer Taktzeit pro Stück endkonturnahe Bauteile mit komplexer Geometrie gefertigt werden und zum anderen leisten Al-Bauteile, durch ihre hohe spezifische Festigkeit, einen wesentlichen Beitrag zum Leichtbau im Gesamtfahrzeug. Für eine Realisierung von tragenden Strukturkomponenten aus Al-Druckgusslegierungen ist die Kenntnis des Materialverhaltens unter zyklischer Belastung essentiell und wird hauptsächlich von herstellungsbedingten Gefügeeinflüssen bzw. -inhomogenitäten bestimmt. Die Ausbildung dieser wird wesentlich von den Prozessparametern sowie der Bauteilgestaltung beeinflusst. Um die Betriebsfestigkeit eines Gehäuses aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 zu untersuchen, werden Proben direkt aus dem Bauteil entnommen und damit einstufige Wöhlerversuche durchgeführt. Der Fokus der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Schwingfestigkeitsuntersuchungen liegt auf dem Studium der Einflüsse von Porosität und Gusshaut. Basierend auf Voruntersuchungen werden zu diesem Zweck Proben aus Bauteilbereichen, die unterschiedliche Porengröße und -häufigkeit aufweisen, entnommen und charakterisiert. Die generierten Ergebnisse zeigen einerseits eine wesentliche Reduktion der Schwingfestigkeit bei erhöhter Porosität, aber andererseits keine Beeinflussung zufolge der Gusshaut. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Erhebung des Optimierungspotentials der vorliegenden Gehäusestruktur. Dazu wird im ersten Schritt die Schädigungsverteilung unter realen Betriebsbedingungen berechnet und an kritischen Stellen eine Formoptimierung durchgeführt. In einer zweiten Optimierungsschleife wird eine Topologieoptimierung unter Berücksichtigung des maximal zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie herstellungs- und montagebedingter Randbedingungen realisiert. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus sowie der mittragenden Funktion des Gehäuses im Gesamtfahrwerk, wird als Zielfunktion die Maximierung der Steifigkeit bei Restriktion des Gewichts gegenüber der Ausgangsgeometrie definiert. Das Resultat der durchgeführten Topologieoptimierung kann als Designvorschlag für neue Gehäusegeometrien gesehen werden.
Dipl.-Ing. Aleksandar Stanojevic
Diplomarbeitsthema:“Automatische Parameterermittlung von thermo-mechanisch beanspruchten Proben“
Publikationsjahr: 2012
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Im Zuge dieser Arbeit wurden zyklisch beanspruchte Werkstoffproben untersucht, wobei sich aufgrund zyklischen Ermüdungsverhaltens zwangsläufig Risse an der Oberfläche der Probe ausbilden. Um besseres Verständnis über das Verhalten von Rissen zu erhalten, wurde eine neue Methode entwickelt, die mittels digitaler Bildverarbeitung, automatisch Risse erkennt und daraus Rissparameter, wie z.B. Risslänge, Rissbreite, Rissabstand und Öffnungswinkel, berechnet. Zusammenhänge zwischen diesen Rissparametern und der Bruchschwingspielzahl konnten hergestellt werden. Außerdem wurde ein Programm erstellt, das Parameter für ein Materialmodell, welches in FE-Simulationsprogrammen zur Nachbildung des plastischen Verhaltens von Werkstoffen verwendet wird, ermittelt. Die vorgestellten Methoden wurden unter Verwendung von MATLAB erstellt und sollen die behandelnden Thematiken weitestgehend automatisiert behandeln, um personenbezogene Einflüsse zu minimieren und somit eine objektive Betrachtungsweise zu gewährleisten. Die Ermittlung der realen Bruchschwingspielzahl, welche eine deutlich höhere Bruchspannung erträgt, soll die versuchstechnisch bedingte Unzulänglichkeit, den Versuch erst bei Bruch oder dem Erreichen einer besonders niedrigen Spannung abzuschließen, kompensieren. Damit entspricht die Angabe des ermittelten Spannungs-Lebensdauer-Wertepaares realistischen Werten. Werden anhand gebrochener TMF-Proben („thermo-mechanical fatigue“ - Thermo-mechanische Ermüdung) Schliffe angefertigt und anschließend mikroskopiert, können an der Oberfläche der Probe Risse beobachtet werden. Wird nun ein Bild dieses mikroskopischen Bereiches aufgenommen, können Risse durch das Anwenden von bildverarbeitenden Methoden und eingeführten Algorithmen eindeutig erkannt und Rissparameter berechnet werden. Diese können den zuvor ermittelten realen Bruchschwingspielzahlen gegenübergestellt werden, womit sich Zusammenhänge von Rissparametern mit steigender Lebensdauer ableiten lassen. Ein weiterer Bereich dieser Arbeit befasst sich mit der automatischen Ermittlung von Materialparametern auf Basis des stabilisierten Zyklus bei halber Bruchschwingspielzahl, die das Nachbilden einer Spannungs-Dehnungs-Hysterese ermöglichen. Der temperaturabhängige Parametersatz, lässt sich durch Annäherung an den plastischen Bereich der gemessenen Hysterese ermitteln. Die Methoden wurden an zwei Versuchsserien mit unterschiedlichem Werkstoff angewandt. Anhand den gebrochenen Proben und den aufgenommenen Versuchsdaten, konnten sowohl die Ermittlung der realen Lebensdauer und der Materialparameter für das verwendete Materialmodell, als auch die automatische Risserkennung und Rissparameterberechnung, evaluiert werden. Die zufriedenstellenden Ergebnisse ermöglichen die Einbindung der vorgestellten Methoden im Auswerteprozess.
Dipl.-Ing. Ivan Zivkovic
Diplomarbeitsthema:“Einfluss multiaxialer Beanspruchung auf das Ermüdungsverhalten von Austempered Ductile Iron und Maraging Stahl“
Publikationsjahr: 2012
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Im Betriebszustand unterliegt ein Bauteil im Allgemeinen einem zeitlich veränderlichen, multiaxialen Spannungszustand. Ursachen dafür sind kombinierte Beanspruchungen und komplexe Bauteilformen. Diese vielfältigen Einflüsse auf die Lebensdauer von Bauteilen und auf das Ermüdungsverhalten des jeweiligen Werkstoffes sind Gegenstand aktueller Forschungsvorhaben. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der systematischen Einteilung multiaxialer Beanspruchungskombinationen und der Definition einiger Haupteinflüsse auf das Ermüdungsverhalten. Bei den Einflüssen handelt es sich um die Beanspruchungsart, die Phasenverschiebung, das Frequenzverhältnis, den Mittelspannungseinfluss und die Probengeometrie. Daraus wird ein Prüfprogramm zur Bestimmung multiaxialer Werkstoffkennwerte von zwei ausgewählten Konstruktionswerkstoffen abgeleitet. Bei den Werkstoffen handelt es sich einerseits um ein hochfestes Gusseisen mit Kugelgraphit, Austempered Ductile Iron (ADI) genannt, und andererseits um einen hochlegierten, martensitaushärtenden Stahl, dem Maraging Stahl. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen teilweise große Auswirkungen auf das Ermüdungsverhalten. Lebensdauerverkürzenden Einfluss hat ein zunehmendes Frequenzverhältnis zwischen zwei Beanspruchungs-Zeitverläufen, wobei es zu einer Lebensdauerverlängerung bei einer Phasenverschiebung kommt. Festgestellt wird, dass Mittelspannungen und Probengeometrie bei kombinierter Beanspruchung einen vergleichbaren Einfluss wie bei uniaxialer Zug/Druck- Beanspruchung haben. Der Einfluss der Beanspruchungsart lässt sich bei kombinierter Beanspruchung zufriedenstellend durch das elliptische Bruchgesetz nach Gough/Pollard beschreiben. Auf Basis der Versuchsergebnisse wird eine Gegenüberstellung der mechanischen Eigenschaften von ADI und Maraging Stahls vorgenommen, wobei statische und dynamische Festigkeitswerte verglichen werden. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Festigkeitshypothesen und ihrer Eignung, das Ermüdungsverhalten der Werkstoffe abzubilden. Mit Hilfe eines, vom Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau entwickelten, Programmes werden die Festigkeitshypothesen getestet und die Ergebnisse mit den experimentell ermittelten Schwingfestigkeiten verglichen. Die besten Resultate für beide Werkstoffe zeigen die Festigkeitshypothesen nach Spagnoli, Liu/Zenner und Fröschl.
Dipl.-Ing. Stefan Barwart
Diplomarbeitsthema:“Entwicklung eines technologischen Verfahrens zur Herstellung von Panzerschichten mit Hartstoffpartikeln“
Publikationsjahr: 2011
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Schneidezähne in Zerkleinerungseinheiten für die Wiederverwertung anfallender Rohstoffe müssen enorm hohe mechanische und abrasive Belastungen ertragen. Um möglichst lange Standzeiten bei geringem Verschleiß zu gewährleisten, werden solche Werkzeuge an der Eingriffsoberfläche gepanzert. Die in Vorversuchen getesteten Panzerungen bestehen aus einer eisenbasierenden Schweißnaht und eingestreuten Hartstoffpartikeln. Dieser Materialverbund in Form einer harten verschleißfesten Auftragschweißung an der Zahnspitze des zähen Schneidezahns kommt den gestellten Anforderungen an Verschleiß und mechanischer Belastung nahe. Mit dem „Einstreuselverfahren“ lassen sich hochabrasionsbeständige Panzerungen verwirklichen, welche den schlagenden Beanspruchungen von Schneidwerkzeugen in der Holz- und Müllaufbereitungsbranche bestmöglich standhalten. Charakterisierend für dieses Schweißverfahren ist die Einbringung von pulver- bis kornförmigen Hartstoffen in das noch flüssige Schweißbad. Für die in dieser Arbeit geforderten Schweißuntersuchungen wurde daher zunächst ein Versuchsaufbau zur Einbringung von Hartstoffen realisiert. Die Probeschweißungen zeigen, dass die Art des verwendeten Zusatzwerkstoffes und die eingestreute Hartstoffmenge einen starken Einfluss auf den Schweißprozess ausüben. Durch eine umfangreiche Parameterstudie an ebenen Probeplatten sind prozesssichere Schweißparameter für multiple Kombinationen von Zusatzwerkstoff und Hartstoff ausgearbeitet worden. Begleitende Gefügeanalysen und Härtemessungen bilden die Grundlage für eine Charakterisierung der lokalen Eigenschaften in der Schweißnaht. Weiterführende Vergleiche der heterogenen Schweißzusätze, eine Bewertung der Makrorisse und der Verteilung der eingebrachten, partikelförmigen Hartphasenanteile in der geschweißten Verbindung stellen einen wesentlichen Beitrag für die Auswahl der Panzerung dar. Eine nachfolgende methodische Auswertung liefert den tendenziellen Zusammenhang zwischen den einstellbaren Schweißparametern und dem daraus resultierenden Schweißergebnis. Eine Übertragung der an den Probeplatten gefundenen Schweißparametersätze ist auf den Schneidezahn als Grundlage für die experimentellen Untersuchungen von Verschleiß und Schwingfestigkeitsverhalten durchgeführt worden.
Dipl.-Ing. Stefan Friedl
Diplomarbeitsthema:“Simulation eines Festwalzprozesses unter Einbeziehung von Werkstoffmodellen“
Publikationsjahr: 2011
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erstellung eines Simulationsmodells für den Festwalzprozess anhand gekerbter Proben und der damit verbundenen Induzierung von Druckeigenspannungen, welche eine deutliche Erhöhung der Schwingfestigkeit mit sich ziehen. Sämtliche Simulationen werden mit dem Finite-Elemente-Programm, Abaqus, durchgeführt. Für ein geeignetes Modell werden verschiedene Herangehensweisen an das Materialmodell, wie etwa die Betrachtung der duktilen Schädigung oder die Implementierung eines zyklischen Werkstoffmodells in die Simulation für den Festwalzprozess, gegenübergestellt und analysiert. Es wird die inkrementelle Schädigung dD als Funktion des Vergleichsdehnungsinkrements und der (über die Vergleichsspannung normierten) hydrostatischen Spannung dargestellt. Für das Combined Hardening Modell, durch welches ein zyklisches Werkstoffverhalten widergespiegelt werden kann, werden LCF-Versuche (Low Cycle Fatigue-Versuche) durchgeführt. Die experimentell ermittelten Materialdaten bzw. Hysteresen werden über das Combined Hardening Modell angenähert um so Werkstoffparameter für die Festwalzsimulation zu generieren. Weiters werden röntgenographische Eigenspannungsmessungen bei festgewalzten Proben durchgeführt. Um die Vorgänge bei der Eigenspannungsmessung näher zu betrachten, wird in dieser Arbeit der Materialabtrag und die damit verbundenen Spannungsumlagerungen simuliert. Auf Basis dieser Simulationsergebenisse wird auch die Theorie nach Moore and Evans behandelt. In Moore and Evans werden einfache Näherungen entwickelt, um aus dem gemessenen Eigenspannungsverlauf auf den ursprünglichen Verlauf zurück zurechnen. Durch die bessere Abbildung des Werkstoffverhaltens kann eine Optimierung bei der Simulation der durch den Festwalzprozess eingebrachten Eigenspannungen bewirkt werden, was eine Aufwertung des Simulationsmodells mit sich zieht.
Dipl.-Ing. Patrik Huter
Diplomarbeitsthema:“Entwicklung einer Umlaufbiege-Prüfmaschine für die In-situ Untersuchung der Rissinitiierung und des mikrostrukturellen Rissfortschritts“
Publikationsjahr: 2011
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Realisierung einer Umlaufbiege-Prüfmaschine, die es ermöglicht, in Verbindung eines konfokalen Laser-Au?ichtmikroskops, in-situ Rissinitierung und mikrostrukturellen Risswachstum zu untersuchen. Dazu wird eine Schwingprobe mit einem Prüfdurchmesser von 4 mm verwendet. Mit dieser Prüfmaschine kann das Verhalten des Kurzrisswachstums verschiedener Werkstoffe, wie Stahl, Gusseisen und Titan untersucht werden, unter Berücksichtigung der Gefügestruktur. Zudem kann die Prüfmaschine in eine Halterung umgebaut werden, die es ermöglicht, geöffnete Risse an der Schwingprobe in einem Rasterelektronenmikroskop zu untersuchen. Zunächst wurden verschiedenste Konstruktionsvarianten miteinander verglichen und die Geeigneteste ausgewählt. Über die Rahmenbedingungen von Festigkeitsberechnungen und Sicherheitsbestimmungen sind elektrische und mechanische Ausführungspläne erstellt worden, nach denen die Prüfmaschine gefertigt und montiert wurde. Die Steuerung erfolgt mit einer eigenen nach Bedienungsfreundlichkeit optimierten Anwendungssoftware. Erste Erfahrungen während der Inbetriebnahme konnten an Versuchen mit hochfesten Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) gesammelt werden. Die Testversuche verliefen besonders zufriedenstellend in bezug auf Genauigkeit, Einfachheit und Schnelligkeit. Zudem wurden die mit ADI gewonnenen Ergebnisse bruchmechanisch bewertet und diskutiert. Die Beobachtungen zeigten, dass mikrostrukturelle Risse innerhalb der ersten 10% der Bruchlastschwingspiele an den sichtbaren Graphitkugeln initiiert werden. Im fortschreitenden Ermüdungsvorgang brachen auch Risse durch, die knapp unterhalb der Ober?äche an Graphitkugeln initiiert wurden.
Dipl.-Ing. Wolfgang Richter
Diplomarbeitsthema:“Betriebslastmessung und Strukturoptimierung eines stationären Metallrecyclingsystems“
Publikationsjahr: 2011
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Eine beanspruchungs- und funktionsgerechte Konstruktion großer Strukturen stellt durch die oft unzureichend verfügbaren Informationen über die genauen Belastungen eine große Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird anhand eines stationären Metallrecyclingsystems eine Methodik dargestellt, durch welche Bauteile und Anlagen des Schwermaschinenbaus mit Hilfe von experimentellen Lastanalysen und begleitenden numerischen Berechnungen hinsichtlich Gestalt und Eigengewicht optimiert werden können. Dadurch ist auch eine Abschätzung der Betriebslebensdauer möglich. Dabei wurden die im Betrieb auftretenden Strukturbelastungen mittels Dehnmessstreifen (DMS) an signifikanten Stellen gemessen. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und als Eingang für die numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation wurden zusätzlich die wirkenden Betriebsdrücke in den Zylindern aufgezeichnet. Die Auswertung der Lastfälle ergibt einerseits die realen Belastungen der Anlage durch die Arbeitszylinder und die somit ins System eingebrachten Kräfte, als auch das für eine Betriebsfestigkeitsanalyse benötigte Lastkollektiv. Anhand dieser Datensätze wurden die lokalen Beanspruchungen im gesamten Modell, als auch in charakteristischen Baugruppen, mittels der FE-Software ABAQUS© ermittelt. Ein Abgleich der numerisch ermittelten mit den gemessenen Strukturspannungen lieferte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. In weiterer Folge wurde eine Lebensdauerbeurteilung unter Zuhilfenahme der Software FEMFAT© durchgeführt. Die iterative Strukturoptimierung der Rahmenkonstruktion erfolgte durch gesteuertes Deaktivieren von Elementen (Soft Kill Option-Methode) mittels der Software TOSCA©. Der vorgegebene Optimierungsraum wird beispielhaft an einer ausgewählten Strukturkomponente auf minimales Gewicht bei maximaler Steifigkeit berechnet. Bei gleicher numerisch ermittelter Lebensdauer wurde somit durch die in dieser Arbeit vorgestellte Optimierungsmethodik eine Gewichtsreduktion der optimierten Konstruktionsvariante von bis zu 40% gegenüber der Ausgangsversion erzielt.
Dipl.-Ing. Bernd Strohhäussl
Diplomarbeitsthema:“Entwicklung einer Versuchsmethodik zur Untersuchung von Frettingbeanspruchung“
Publikationsjahr: 2011
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Der Begriff „Fretting“ beschreibt einen komplexen Prozess, der durch eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei kontaktierenden Körpern hervorgerufen wird und sich in verschiedenen Schädigungsformen äußern kann. Die Lebensdauer von Bauteilen und Komponenten kann durch dieses Verhalten stark vermindert werden, wodurch dieser Vorgang zu einem ernstzunehmenden Problem unserer Zeit geworden ist. In der Fachliteratur werden überwiegend Hertz’sche Kontakte untersucht, da die Kontaktmechanik dieser Systeme bereits sehr intensiv erforscht und diesbezüglich auch sehr exakt beschrieben ist. Viel komplexer stellen sich in diesem Zusammenhang großflächige Kontakte dar, die zufolge ihrer Natur versuchstechnisch schwerer zu beherrschen und zu interpretieren sind. In maschinenbaulichen Anwendungen sind allerdings vorwiegend großflächige Kontakte von dieser Schädigung betroffen, wodurch der Bedarf einer geeigneten Versuchsmethodik für diese Systeme bereits seit langem vorhanden ist. In dieser Arbeit wurde diesbezüglich eine elektromotorisch direktangetriebene Prüfvorrichtung mit spezieller Belastungseinheit entworfen, die die Untersuchung von Frettingprozessen an großflächigen Kontakten ermöglicht. Die dafür aufwendige Regelung des Antriebs wurde speziell für Frettinguntersuchungen durch die Modifikation des PI-Reglers und der Einführung eines versuchstechnisch ermittelten Vorsteuerfaktors adaptiert. In einer ersten Versuchsserie, anhand des Systems Stahl/Stahl, wurde die Der Begriff „Fretting“ beschreibt einen komplexen Prozess, der durch eine geringe oszillierende Relativbewegung zwischen zwei kontaktierenden Körpern hervorgerufen wird und sich in verschiedenen Schädigungsformen äußern kann. Die Lebensdauer von Bauteilen und Komponenten kann durch dieses Verhalten stark vermindert werden, wodurch dieser Vorgang zu einem ernstzunehmenden Problem unserer Zeit geworden ist. In der Fachliteratur werden überwiegend Hertz’sche Kontakte untersucht, da die Kontaktmechanik dieser Systeme bereits sehr intensiv erforscht und diesbezüglich auch sehr exakt beschrieben ist. Viel komplexer stellen sich in diesem Zusammenhang großflächige Kontakte dar, die zufolge ihrer Natur versuchstechnisch schwerer zu beherrschen und zu interpretieren sind. In maschinenbaulichen Anwendungen sind allerdings vorwiegend großflächige Kontakte von dieser Schädigung betroffen, wodurch der Bedarf einer geeigneten Versuchsmethodik für diese Systeme bereits seit langem vorhanden ist. In dieser Arbeit wurde diesbezüglich eine elektromotorisch direktangetriebene Prüfvorrichtung mit spezieller Belastungseinheit entworfen, die die Untersuchung von Frettingprozessen an großflächigen Kontakten ermöglicht. Die dafür aufwendige Regelung des Antriebs wurde speziell für Frettinguntersuchungen durch die Modifikation des PI-Reglers und der Einführung eines versuchstechnisch ermittelten Vorsteuerfaktors adaptiert. In einer ersten Versuchsserie wurde anhand des Systems Stahl/Stahl die Funktionsweise dieser Prüfmethodik ermittelt und mit Referenzuntersuchung durch eine etablierte Hydropuls-Versuchsmethodik validiert. Durch eine anschließende schadensanalytische Betrachtung wurden die auf den beiden Prüfvorrichtungen entstandenen Schadensbilder miteinander verglichen. Bei gleicher Parametrierung und Versuchsdauer weisen die Probenkörper der Hydropuls-Versuchsmethodik bedingt durch die Unterschiede in der Steifigkeit der Probeneinspannung und der unterschiedlichen Krafteinleitung eine weitaus stärkere Schädigung als die der elektromotorischen Variante auf, die sich eher bauteilnahe orientiert. Das großflächige Tragbild und dessen Reproduzierbarkeit bilden somit die Grundlage für eine detaillierte Visualisierung der Funktionsweise von Materialien, Beschichtungen und anderen Oberflächenmodifikationen, wodurch die entworfene elektromotorische-Versuchsmethodik eine entscheidende Erweiterung der Fretting-Untersuchungsmöglichkeiten am Lehrstuhl darstellt.
Dipl.-Ing. Florian Summer
Diplomarbeitsthema:“Tribometrisches Verhalten von geschmierten aluminiumbasierten Gleitsystemen“
Publikationsjahr: 2011
Kurzfassung der Diplomarbeit:
Durch steigende Anforderungen an die Funktionstüchtigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit tribologischer Systeme erreichen tribologische Gleitwerkstoffe zunehmend ihre Leistungsgrenzen. Rein empirische Verbesserungen können diese wachsenden Ansprüche nicht mehr erfüllen. Um diesen Erwartungen gerecht zu werden, muss das tribologische Gesamtsystem hinsichtlich Werkstoffkombinationen sowie Schmierstoffreaktionen gezielt untersucht und optimiert werden. In der Praxis erfolgt diese Charakterisierung hauptsächlich durch tribometrische Versuche. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden aluminiumbasierte tribologische Systeme durch tribometrische Untersuchungen auf ihre Leistungsfähigkeit und Funktionalität untersucht, wobei primär zwei Ziele verfolgt wurden. Einerseits stand die Wirkungsweise separater Gefügephasen auf das tribologische Verhalten eines Aluminiumbasismaterials im Vordergrund. Andererseits wurde die Anwendbarkeit alternativer Gegenkörpermaterialien zu Stahl für tribologische Prozesse untersucht. Das tribologische Ersatzmodell war ring on disc. Die experimentellen Untersuchungen wurden hinsichtlich charakteristischer Betriebsverhältnisse tribologischer Systeme untersucht. Zentrale Punkte waren dabei das Einlaufverhalten, der stabile Betrieb und die Belastungsgrenzen. Um die Vorgänge innerhalb des Reibkontaktes umfassend darzustellen, wurde im Anschluss an die tribometrischen Untersuchungen eine Schadensanalyse durchgeführt. Basierend auf den tribometrischen Ergebnissen und den Erkenntnissen der Schadensanalyse konnten umfassende Funktionsmodelle getesteter ausgewählter Materialien entwickelt werden. Diese Modelle liefern wertvolle Informationen hinsichtlich der Optimierung dieser Werkstoffe für tribologische Beanspruchungen. Es wurden signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen tribologischen Systemen festgestellt, sowie die Wirkungsweisen einzelner Parameter auf die verschiedenen Systeme dargestellt. Die angewandte Prüf- und Analysemethodik zeigte sich als geeignet für diese Art von tribologischer Charakterisierung.