Anisotrope dynamische Lebensdauerberechnungen geschmiedeter Kurbelwellen

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Anisotrope dynamische Lebensdauerberechnungen geschmiedeter Kurbelwellen

Workflow des Produktionsprozesses

Mit dem neu entwickelten Simulations-Workflow ist es möglich, ein besseres Verständnis der Werkstoffanisotropie zu gewinnen, die Betriebs- und Eigenspannungen einzubeziehen und die Versuchsergebnisse aus Tests zur Ermittlung der Längs- und Querfestigkeit zu verwenden. Durch die Analyse des gesamten Produktionsprozesses ist es nunmehr möglich, die Lebensdauer von Schmiedeteilen sehr realistisch und exakt zu berechnen. Die prozessuale und technische Komplexität erforderte den Kauf neuer Softwareprodukte und die Entwicklung neuer Softwarepakete zur Darstellung der neuen Effekte der Werkstoffe. Eine Übersicht des analysierten Schmiedeproduktionsprozesses einer Kurbelwelle ist in Bild 1 illustriert. Ein anderes für den Simulationsprozess geeigneteres Darstellungsformat ist in Bild 2 zu sehen. Beide Abbildungen haben den gleichen Inhalt, jedoch sind die Perspektiven unterschiedlich.


Bild 1: Herstellungsprozess einer Kurbelwelle

Die Vorteile der Lebensdauerberechnung ergeben ein deutlich höheres Potenzial für niedriges Gewicht, eine realistische und gesteigerte Möglichkeit zur Ausweitung vorhandener Leistungsgrenzen, ein besseres Verständnis des Verlaufs des Werkstoffverhaltens und bessere Kenntnisse des Produktionsprozesses.


Bild 2: Prozess der Lebensdauerberechnung

Die neu entwickelten Softwarepakete für diesen neuartigen Prozess sind folgend beschrieben.

Ermittlung lokaler Werkstoffeigenschaften

Der Vorteil der Software MaterialMapper [1] liegt darin, dass diese anisotrope Werkstoffdaten zur Verwendung bei der Lebensdaueranalyse erzeugt. Diese Verknüpfung ist sehr wichtig, um den Produktionsverlauf wiederzugeben und die Daten bei der Lebensdaueranalyse verwenden zu können.

Die Software bietet die folgenden Funktionen:

  • Ermittlung der Änderung der Faserausrichtung im Rohmaterial während der Schmiedesimulation
  • Berechnung der Werkstoffausrichtung am Ende der Schmiedesimulation
  • Überleitung der lokalen Werkstoffdefinition in das Finite-Elemente-Modell
  • Annahme der Ausrichtung und des Verhältnisses von Längs- zu Querfestigkeit der drei Hauptrichtungen des Festigkeitstensors vor der Umformung durch das Schmieden oder Verwendung der bei den Pulsversuchen ermittelten Daten
  • Vollständige Kompatibilität der von der SinusPro-Software MaterialMapper erzeugten Ergebnisse mit unterschiedlichen Software Tools; hier dargestellt an der Ermüdungs-Postprozessorsoftware FEMFAT → der Anisotropie-Tensor wird für jedes Element geschrieben und ist von FEMFAT lesbar.


Die Software bietet die folgenden Vorteile:

  • Informationen zur tatsächlichen Faserausrichtung des verwendeten Werkstoffs
  • Visualisierung der Werkstoffanisotropie während des Schmiedeprozesses
  • Möglichkeit zum Erhöhen der Festigkeit aufgrund exakter Kenntnis des Werkstofffließpfads
  • Erkennung der Werkstoffschwachstellen in der Lebensdaueranalyse

Für die Dateneingabe sind Kenntnisse des Werkstoffverhaltens und der Effekte während des Schmiedeprozesses erforderlich, wie auch Kenntnisse der relevanten Einflussfaktoren des Werkstoffs und der von der Schmiedesimulation erzeugten Fließlinien, siehe dazu Bild 3.


Bild 3: Materialdaten aus der Schmiedesimulation


Bild 4: Sicherheitsfaktorberechnung zufolge Anisotropie

Eigenspannungsberechnung

Die erstellte Subroutine unterstützt die Berechnung von Eigenspannungen mit noch mehr Komfort und Sicherheit, als bislang möglich. Die Vorteile durch Verwendung des Unterprogramms für die Wärmebehandlung lauten:

  • Erhöhte Ergebnisgenauigkeit
  • Umfassende Benutzereingaben für die Berechnung
  • Keine manuelle Übergabe und Zuordnung von Spannungsdaten
  • Volle Gitterunabhängigkeit
  • Zeitsparende Gitterfestlegung
  • Minimierung des Fehlerrisikos während der Benutzereingabe

Bild 5 zeigt die Eigenspannungsverteilung einer Kurbelwelle.


Bild 5: Eigenspannungen beim induktiven Aufheizen

Ermittlung der Betriebsspannungen

Um das vollständige Belastungsspektrum eines Verbrennungsmotors abzubilden, wird eine volldynamische transiente Mehrkörpersimulation durchgeführt, siehe Bild 6. Dabei werden die nichtlinearen Effekte der Gleitlager mittels EHD (elasto-hydro-dynamischer) Simulation vollständig berücksichtigt, siehe Feld B in Bild 2. Bei diesem Simulationsmodell wird die Kurbelwellenlast durch Überlagerung der Einheitsspannungen berechnet. Eingabedaten, Ergebnisse und der gesamte Aufbau der Lagermodelle wird in einem separaten Dokument beschreiben und kann auf Anfrage gerne zugesendet werden.


Bild 6: Gesamter Kurbeltrieb

Die aus der Mehrkörpersimulation ermittelten Deformationen der Kurbelwelle werden verwendet, um Einheitslasten für jeden Zeitschritt der dynamischen Simulation so zu skalieren, dass durch Superposition die für den jeweiligen Zeitschritt gültige Spannungsverteilung in der Kurbelwelle resultiert.

Ermittlung der tatsächlichen Anisotropie und Simulation der Bauteilfestigkeit

Abschließend werden noch Parameter beschrieben, welche bei der Genauigkeit des betrachteten Prozesses den größten Vorteil bringen. Die Kenntnis über die Richtungsabhängigkeit des jeweiligen Materials ist der erste essentielle Baustein, der zweite Baustein ist die Kenntnis über die tatsächliche Festigkeit des jeweiligen Werkstoffes. Im Speziellen handelt es sich dabei um das Verhältnis von Längs- zu Querfestigkeit. Diese Daten sind nach derzeitigem Stand der Technik ausschließlich durch Dauerfestigkeitstests zu ermitteln und dementsprechend zeit- und kostenintensiv. Sollten keine Testdaten vorliegen, kann dieses Verhältnis auch angenommen werden, was für Relativvergleiche ein zulässiger Weg ist. Die Ermittlung von Absolutwerten bietet die höchste Qualitätsgüte. In der finalen Berechnung des Sicherheitsfaktors sind somit alle relevanten und beeinflussenden Parameter berücksichtigt, die den realen Prozess in der Simulation derzeit am realistischsten abbilden.

Beschreibung zusammenfassender Prozessablauf

Das Ziel war eine Prüfung der Kurbelwelle unter Einbeziehung der aus dem Produktionsprozess resultierenden Einflüsse. Nachfolgend ist dargestellt, wie die Simulation entwickelt wurde und wie die Ergebnisse im Vergleich zu konventionellen Ergebnissen aussehen.

Zuerst wurde der Umformprozess modelliert – siehe Feld A in Bild 2. Er besteht aus einem Walz- und einem Gesenkschmiedeprozess. Der Walz- und Gesenkschmiedeprozess wurde vollständig mit der Software VeraCAD entwickelt. Die Walz- und Gesenkschmiedeprozesse wurden mithilfe der Software Simufact Forming simuliert. An dieser Stelle werden die Fließpunkte so festgelegt, dass sie dem Werkstofffluss durch alle Phasen folgen. Danach wird die Anisotropie mithilfe der SinusPro-Software MaterialMapper berechnet.

Im zweiten Schritt werden die Betriebsspannungen ermittelt, indem der gesamte Kurbeltrieb mithilfe einer dynamischen Mehrkörpersimulation simuliert wird, siehe Feld B in Bild 2. Vollständig modelliert werden die Kurbeltriebseigenschaften, Lageroberflächeneigenschaften, das Lageröl, die Lagerzapfen, die Temperatur der Lagerschalen, der Ölversorgungsdruck und die Ölbohrungen von den Hauptlagern zum Pleuellager. Bei diesem Simulationsmodell wird die Kurbelwellenlast durch Überlagerung der Einheitsspannungen berechnet.

Die durch die Wärmebehandlung verursachten Eigenspannungen werden im dritten Schritt berechnet – siehe Bereich C in Bild 2. Folgende Vorbereitungsschritte sind für eine erfolgreiche Berechnung erforderlich: instationäre Berechnung der Temperaturen nach dem Schmieden, chemische Analyse des Werkstoffs und die Bestimmung des Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramms (ZTU-Diagramm). Ergebnisse der Werkstoffsimulation sind der Dichteverlauf, der Verlauf des Wärmeausdehnungskoeffizienten während der Abkühlung und der Verlauf der Spannungs-Dehnungs-Kurven für die verschiedenen Phasen: Ferrit, Perlit und Bainit. Die Ergebnisse stellen äußerst wichtige Eingabedaten für die Berechnung der Eigenspannungen dar und sind grundlegend für die Qualität und Validität der Simulation.

Der letzte Schritt – siehe Feld E in Bild 2 – ist die Analyse des dynamischen Sicherheitsfaktors, bei der folgende Ergebnisse verwendet werden:

  • Daten zur anisotropen Werkstofffestigkeit
  • Betriebsbelastungsspannungen
  • Eigenspannungen

Die verschiedenen Berechnungsarten werden nach der Identifizierung der Stellen mit dem schlechtesten Sicherheitsfaktor gegen Dauerbruch verglichen. Die linke Grafik in Bild 7 zeigt die Berechnung mit den Daten zur isotropen Werkstofffestigkeit, die Grafik in der Mitte der Berechnung basiert auf Daten zur anisotropen Werkstofffestigkeit mit lastinduzierten Spannungen. Die rechte Grafik zeigt die Berechnung mit Daten zur anisotropen Werkstofffestigkeit, lastinduzierten Spannungen und zusätzlichen Eigenspannungen. Dadurch dass beim rechten Bild keine kritischen Stellen ersichtlich sind, kann an dieser Stelle noch deutlich Material eingespart werden.


Bild 7: Vergleich von Sicherheitsfaktoren

Aussicht und Zusammenfassung

Diese Berechnungsmethode entspricht den neuesten Erkenntnissen und erlaubt die realistischste Berechnung des Sicherheitsfaktors. Technologische Einflüsse, wie der Festigkeitseinfluss des Schmiedegrats, können dargestellt werden. Die Methode liefert Informationen zu den Wechselwirkungen von Werkstofffluss, Festigkeit und Eigenspannungen.

Allgemein ist es wichtiger, den gesamten Produktionsprozess zu berücksichtigen, um realistische Lebensdauerfaktoren zu erzeugen. Die Handhabung all der Daten zwischen den verschiedenen Werkzeugen und Schnittstellen stellt eine große Herausforderung dar.

Graz, 2017-09-19 (V02)

Ansprechperson

Dipl.-Ing. (FH) Christian Rieger, M.Sc.

Geschäftsführer und Mehrheitseigentümer