Simulationsmethodiken zur Beschreibung des Rissverhaltens an Abgasbauteilen unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung

Abstract

In der Verbrennungsmotorentwicklung macht das sogenannte Downsizing eine betriebsfeste Auslegung von Abgaskomponenten zunehmend schwieriger. Hier machen steigende thermomechanische Belastungen die Entstehung von Rissen an bestimmten, kritischen Stellen unvermeidbar. In der Regel beeinträchtigen jedoch nur Durchrisse die Funktion von Abgasbauteilen. Zu einer zuverlässigen Bauteilbewertung gehört daher die Beurteilung von Anrissen bezüglich des Ausbreitungspfads und der Wachstumsgeschwindigkeit. Da experimentelle Untersuchungen - gerade im Falle verschiedener Werkstoffund Geometriekandidaten - sehr kostspielig sind, sollen in dieser Arbeit Methoden zur rechnerischen Beschreibung von Rissen mittels FEM entwickelt werden. Im Rahmen der schriftlichen Ausarbeitung wird dies anhand des Werkstoffs D-5S und zweier Methoden von verschiedenartigem Ansatz dargestellt. Zunächst finden Versuche an einem Prüfstand für Prinzipproben, den sogenannten Zungenproben, statt. Dies umfasst auch metallographische Untersuchungen der Prozesszone und des Risspfads, um Aufschluss über die Eignung potentieller Berechnungsmethoden zu geben. Im Anschluss erfolgt auf dieser Basis die Entwicklung der verschiedenen Methoden. Das beinhaltet beispielsweise geeignete Rissfortschrittskriterien, die Einführung einer Zustandsgrößengewichtung oder die Rissrichtungsbestimmung. Die Parameterermittlung für die Rissfortschrittsmodelle, welche eine geraffte zeitliche Beschreibung ermöglichen sollen, findet über Rissfortschrittskurven der Prinzipproben statt. Da die Geometrie dieser Proben bewusst einfach gehalten ist, an komplexen Geometrien jedoch eine Vielzahl an Lastfällen auftreten können, muss eine Validierung der Modelle stattfinden. Dafür wird ein Turbinengehäuse ausgewählt, welches auf einem Heißgasprüfstand getestet und auf Risse untersucht wird. Durch die große Anzahl an Rissen kann anschließend eine Bewertung der vorgestellten Methoden stattfinden. Diese schließt neben der Prognosequalität auch deren Anwendbarkeit und Stabilität ein.