Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Numerische Simulation und Bewertung des örtlichen und zeitlichen Rissverlaufs in Abgasturbolader-Heißteilen unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung (TMF) mit Hilfe von Finite-Elemente Techniken

Die Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren führt zu erhöhten Anforderungen an die Festigkeit der abgasführenden Komponenten. Dazu gehören auch die Turbinengehäuse von Abgasturboladern. Als Folge erhöhter thermomechanischer Wechselbeanspruchungen (TMF) im Betrieb kommt es an den mechanisch und/oder thermisch höchst beanspruchten Stellen der Bauteile zu einer vermehrten Rissbildung, wodurch die Lebensdauer der Komponenten begrenzt wird. Derzeit werden bei Turboladern heißgehende Bauteile mit detektierten Rissen zumeist prophylaktisch ersetzt, da die weitere Ausbreitung der Risse während des Betriebs nicht vorhergesagt werden kann.

Aus strukturmechanischer Sicht ergeben sich zwei Probleme:

(1) Man benötigt Lebensdauerkonzepte, um das Entstehen von Anrissen bereits in der Phase der Auslegung vorherzusagen, so dass konstruktive Maßnahmen getroffen werden können. Diese Problematik wurde in vorangegangenen Vorhaben erfolgreich bearbeitet.

(2) Darüber hinaus werden bruchmechanische Methoden benötigt, um die Gefährdung durch die weitere Ausbreitung der Risse zu bewerten und somit zu entscheiden, ob ein Bauteil weiterbetrieben werden kann oder ausgetauscht werden muss. Bisher fehlt eine rechnerische Bewertungsmethode für die Aufgabe (2), mit der unter Berücksichtigung der zyklischen thermomechanischen Beanspruchungsbedingungen die Rissentwicklung zuverlässig prognostiziert werden kann.

Deshalb soll im beantragten Forschungsvorhaben eine automatisierte Berechnungsprozedur auf der Basis spezieller Finite-Element-Techniken entwickelt werden, um sowohl den Risspfad als auch die Rissgröße als Funktion der Zeit oder der Anzahl der Lastwechsel in Bauteilen unter TMF-Bedingungen zu berechnen. Für KMUs, die sich mit der Auslegung und Konstruktion solcher Bauteile beschäftigen, wird insbesondere die Erweiterung des Leistungsportfolios auf die Bewertung von rissbehafteten Bauteilen als direkt abzuleitender Nutzen zu erwarten sein.

Ergebniszusammenfassung:

Schaffung einer experimentellen Datenbasis zum Rissfortschrittsverhalten unter Hochtemperaturermüdung und TMF des Werkstoffs Ni-Resists. Damit können Modelle des Risswachstums identifiziert werden. Auch einfache Modelle zur Verwendung mit kommerziellen Programmen können kalibriert werden. Die Daten stehen ebenfalls als Referenz für vergleichbare Werkstoffe zur Verfügung.

Identifikation eines Rissfortschrittsmodells. Damit können quantitative Aussagen zum Wachstum von Rissen in Bauteilen gemacht werden.

Entwicklung einer automatischen Prozedur und Software zur Simulation der Rissausbreitungen in TMF-beanspruchten Bauteilen. Damit können Simulationen des Rissverlaufs in Bauteilen durchgeführt werden. Das Programm ist auch mit beliebigen Materialmodellen, entweder als UMAT-Subroutinen oder als in Abaqus eingebauten Modellen anwendbar.