DVM-Workshop Numerische Simulation in der Betriebsfestigkeit Januar 2007

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Emma Brodbeck
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1 DVM-Workshop Numerische Simulation in der Betriebsfestigkeit Januar 2007 Numerische Lebensdauervorhersage von thermomechanisch belasteten Motorkomponenten

2 Inhalt Überblick Entwicklungsprozess TMF Lebensdaueranalyse, Theorie Beispiel Kolben Beispiel Zylinderkopf Zusammenfassung / Ausblick 2

Synthetische Last FEMFAT Prüfstand FEMFAT-Lab

3 Überblick - Entwicklungsprozess CAD Daten FEM Steifigkeit & NVH Entwurf, Zeichnungen Konzept Lastdaten: Teststrecke Synthetische Last FEMFAT Prüfstand FEMFAT-Lab Betriebsfestigkeit 3 Daten Auswertung & Aufbereitung Virtueller Entwicklungsprozess

4 Typische Lastfälle Zünddruck Seitenkraft Massenkraft am Pleuelbolzen Temperatur TMF Analyse von LCF Start - Stop - Zyklen 4

5 Simulationskette CFD (Computational Fluid Dynamics) Konzept ABAQUS, ANSYS, Transiente thermische Analyse ABAQUS, ANSYS, Transiente Spannungs- Dehnungsanalyse FEMFAT HEAT Lebensdaueranalyse 5

FEM-Analyse von transienten Temperaturen, nichtlinearen Verformungen, Spannungen, Dehnungen FEA Pre-Prozessor Transiente Randbedingungen im

6 FEM-Analyse von transienten Temperaturen, nichtlinearen Verformungen, Spannungen, Dehnungen FEA Pre-Prozessor Transiente Randbedingungen im Zeitbereich Temperatur... ABAQUS, ANSYS Materialverhalten - abhängig von Temperatur - Wärmeübergangszahlen (!) Ergebnisse Spannungen Dehnungen Temperaturen 6

7 TMF-Lebensdauerberechnung Spannungen gerechnet mit nichtlinearer FEA und temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungskurven Transiente Spannungen Transiente Dehnungen Transiente Temperaturen Zeitinformation Temperaturen FEMFAT HEAT Sehitoglu Spannungen Dehnungen Neue Materialdatensätze: - Spezielle TMF-Parameter Ergebnisse Schädigungen Berechnungsprotokoll 7

8 Sehitoglu: Überblick Huseyin Sehitoglu: Professor an der University of Illinois, Urbana Drei Schädigungsmechanismen Mechanische Schädigung D fat unter Verwendung einer Schubdehnungs-Wöhlerlinie nach Manson/Coffin/Morrow Schädigung aufgrund von Umgebungseinflüssen, Oxidation D ox Kriechschädigung D creep Gesamtschädigung ist die Summe der drei Schädigungsterme D = D fat + D ox + D creep 8

9 Mechanische Schädigung Sehitoglu: Notwendige Materialparameter Schubdehnungs-Wöhlerlinie nach Manson/Coffin/Morrow γ 2 mech = ( 1 + υ ) e 2 E σ ' f fat ( 2 N ) f b + ( 1 + υ ) 2 p ε ' f fat ( 2 N ) c f ν e Elastische Querdehnzahl ν p Plastische Querdehnzahl CTE Wärmeausdehnungskoeffizient σ f` Schwingfestigkeitskoeffizient b Schwingfestigkeitsexponent ε f` Duktilitätskoeffizient c Duktilitätsexponent E E-Modul 9

10 Sehitoglu: Oxidation Anriss und Rissfortschritt Mechanismus der Oxidationsschädigung Oxidschicht-Wachstum mit wiederholtem Anriss Kontinuierliche Oxidschicht-Wachstum Mehrschichtiges Wachstum 10

11 Oxidationsschädigung Sehitoglu: Notwendige Materialparameter h cr Kritische Risslänge D 0 Oxidduktilität B Werkstoffkonstante β Werkstoffkonstante α Dehnraten-Empfindlichkeit ξ ox Bandbreite des Phaseneinflusses δ 0 Diffusionskoeffizient Q Aktivierungsenergie K peff... Effektive Oxidationskonstante 11

12 Oxidationsschädigung Sehitoglu: Notwendige Materialparameter Φ ox Phasenfaktor Faktor 0 Φ ox 1 = 1: Out-of-Phase TMF (ε th / ε mech = -1) = 0: Freie Ausdehnung (ε th / ε mech ± ) 12

13 Kriechschädigung Sehitoglu: Notwendige Materialparameter A Werkstoffkonstante m Werkstoffkonstante Schleppspannung K Startwert (entspricht in etwa Fließgrenze) M 1 Multiplikator 1 für Temperatur P 1 Exponent 1 für Temperatur M 2 Multiplikator 2 für Temperatur P 2 Exponent 2 für Temperatur T change Grenztemperatur α 1 Gewichtungsfaktor 1 α 2 Gewichtungsfaktor 2 H Aktivierungsenergie für Kriechen ξ ox Bandbreite des Phaseneinflusses 13

14 Kriechschädigung Sehitoglu: Notwendige Materialparameter Φ creep Phasenfaktor 0 Φ creep 1 = 1: In-Phase TMF (ε th / ε mech = 1) 14

0,0010 0,0005 IT 250 C (Test) OP (Test) RT (Test) IT 250 C (Calc.) OP (Calc.) RT (Calc.

15 Ableitung von Sehitoglu-Parametern aus Probenversuchen mit der Differential Evolution-Methode Korrelation der gerechneten und gemessenen Ergebnisse bei GK-AlSi12CuMgNi 0,0035 0,0030 0,0025 Dehnungsamplitudee 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 IT 250 C (Test) OP (Test) RT (Test) IT 250 C (Calc.) OP (Calc.) RT (Calc.) 0,0000 Potenziell (OP (Calc.)) Lastwechsel Gerechnete und gemessene Dehnungs-Wöhlerlinien Korrelationsdiagramm 15

16 Temp. ϑ [ C] Drehzahl n [min -1 ] Zeitbereich A n MAX n Nominal ϑ MAX Zeitbereich B Zeitbereich C Zeitbereich D Zeitbereich E t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 Zeit t [s] t 6 TMF - Lastfälle ϑ min t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 Zeit t [s] t 6 Temperaturabhängige Spannungs-Dehnungsanalyse: Spannungs-/Verformungsergebnis ist abhängig vom Temperaturfeld, aber keine inverse Abhängigkeit berücksichtigt Zuerst Lösung Berechnung der transienten thermischen Ausgleichsvorgänge, dann transiente Spannungs- Dehnungsanalyse. 16

17 ABAQUS Ergebnis Aluminium-Kolben Temperaturzeitverlauf 180 Sekunden 180 Werkstoff: GK-AlSi12CuMgNi 180 Spannungszeitverlauf 180 Sekunden 17

18 Knoten 7377 Gesamtschädigung: 4.040E-05 FEMFAT HEAT - Ergebnis (Lebensdauer = 1/Schädigung) Knoten 7377 Lebensdauer: Zyklen Lebensdauer: Zyklen Zyklen 1 Zyklus Zyklus im im TMF-Versuch = s Versuchsdauer ca. ca Tage Praxis: Praxis: ~3 ~3 Start-Stop-Zyklen/Tag Lebensdauer ca. ca Jahre 18

19 FEMFAT HEAT - Ergebnis Knoten 7377 D ox = 4.040E-05 Knoten 7377 D fat = 2.730E-09 Umgebungseinfluss Mechanische Schädigung 19

20 TMF-Berechnung eines Zylinderkopfs (AA-A356-T6; approx. AlSi7); corresponds to AlSiMg Stress [N/mm2] Degrees Celsius 150 Degrees Celsius 200 Degrees Celsius 250 Degrees Celsius 300 Degrees Celsius ,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 Total Strain [-] 1) kalter Motor T Öl ~ 20 C T Auslassventilsteg ~ 20 C 2) Leerlauf T Öl ~ 70 C T Auslassventilsteg ~ 160 C 3) Volllast T Öl ~ 140 C T Auslassventilsteg ~ 200 C 4) kalter Motor T Öl ~ 20 C T Auslassventilsteg ~ 20 C 20

21 Gesamtschädigung 100% 100% 100% 21

22 Mechanische Schädigung bezogen auf Gesamtschädigung 86% 87% 86% 22

23 Schädigung durch Umgebungseinflüsse (Oxidation) bezogen auf Gesamtschädigung 13% 12% 13% 23

24 Kriechschädigung bezogen auf Gesamtschädigung % % % 24

25 Zusammenfassung, Ausblick Zusammenfassung Berechnung von transienten Temperaturausgleichsvorgängen mit FEM (ABAQUS, ANSYS, NASTRAN) und temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten (Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit) Nichtlineare transiente Spannungs-Dehnungsanalyse auf Basis von transienten Temperaturverteilungen mit FEM (ABAQUS, ANSYS, NASTRAN) und temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten (Spannungs-Dehnungskurve) TMF-Bewertung nach Sehitoglu mit FEMFAT HEAT Ein Benchmark an einem Alu-Kolben zeigte gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Simulation (Veröffentlichung erst nach Freigabe durch Kunden) Ausblick Weitere Verifikation der Methode an Bauteilen aus der Praxis Ableitung der Sehitoglu-Parameter für weitere Werkstoffe (Aluminium, Gusseisen, etc.) Verwendung von komplexeren Werkstoffmodellen für Spannungs- Dehnungsanalyse (visko-plastisches Materialverhalten, zyklische Ver- /Entfestigung, Kriechen) Wechselseitige Kopplung zwischen Temperatur und Verformung berücksichtigen (z.b. Wärmeleitung bei sich schließendem Spalt) Berücksichtigung dynamischer Lasten (Zünddruck, Massenkräfte) 25

26 Danke für f r Ihre Aufmerksamkeit! 26

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