P5: Experimentelle Charakterisierung und numerische Analyse der schwing-festigkeitssteigenden Wirkung von Eigenspannung in quergewalzten Bauteilen

Ergebnisse der 1. und 2. Projektphase

In der ersten Förderperiode konnte durch eine experimentell-numerische Analyse des statischen und zyklischen Werkstoffverhaltens, des Umformprozesses und des Bauteilverhaltens der qualitative Nachweis der schwingfestigkeitssteigernden Wirkung der prozessinduzierten Eigenspannungen erbracht werden. Durch stichprobenartige Messungen wurde u. a. ein hohes Druckeigenspannungsniveau in der Umformzone nachgewiesen. Es wurde ein Prozessmodell aufgebaut sowie ein neuartiges Phasenfeldmodell für die Simulation von Ermüdungsrissinitiierung und -fortschritt entwickelt und zur Lebensdauerabschätzung bei einachsiger Belastung mit konstanter Amplitude angewendet. Der Prozess konnte erfolgreich mit einem 2D-Modell simuliert werden. Mit dem eingesetzten Phasenfeldmodell für Ermüdungsrissfortschritt konnte der Einfluss der Eigenspannungen auf die Lebensdauer gezeigt werden.

In der zweiten Förderperiode wurden die sich einstellenden Eigenspannungen quantifiziert und die damit erreichbaren Eigenschaftsverbesserungen besonders hinsichtlich der Lebensdauer des Bauteils betrachtet. Erste Versuche mit Fügebauteil zeigen eine prinzipielle Umsetzbarkeit der Fügemethode. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die Lebensdauer für identische Walzprozessparameter nur eine geringe Streuung aufweist. Durch einen Vergleich der quergewalzten Bauteile mit spanend hergestellten Bauteilen konnte der lebensdauerverlängernde Einfluss der umforminduzierten Druckeigenspannungen im Kerbgrund nachgewiesen werden. Damit ist eine reproduzierbare Eigenschaftsverbesserung gegeben. Numerische Prozesssimulationen zeigen auf, dass die zu wählenden Walzparameter den sich einstellenden Eigenspannungszustand beeinflussen, wodurch u.a. die gezielte Einstellung eines vorteilhaften Eigenspannungszustandes denkbar wird. Das in Phase 1 erstellte 2D Phasenfeldmodell für Ermüdungsrisse wurde erstmals für quantitative Rissfortschrittsprognosen an Proben mit gezielt eingebrachten Eigenspannungen verwendet und validiert.

Ergebnisse der 3. Projektphase

In der dritten Projektphase soll der Übergang auf die Gesamtfügeverbindung durch Hinzunahme des Nabenbauteils erfolgen. Neben der bisherigen Betrachtung der prozessinduzierten Walzkerbe muss dafür die Qualität der Fügeverbindung besonders hinsichtlich der Eigenspannungen an der Fügestelle untersucht werden. Hierfür ist die Stabilität der Eigenspannungen unter zyklischer Last von hoher Relevanz. Gesamtziel ist eine durchgängige Auslegungsmethodik für das entstehende, gefügte Realbauteil.

Unter anderem sind folgende Schwerpunkte vorgesehen:

  • Untersuchung der Qualität und Flexibilität der entstehenden kraftschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung
  • Betrachtung der Eigenspannungsstabilität unter zyklischer Last an Referenzproben und am quergewalzten Bauteil
  • Simulation der zyklischen Eigenspannungsveränderung mit erweitertem Materialmodell
  • Modellierung des Rissfortschritts in 3D
  • Entwicklung einer Auslegungsmethodik für die Fügeverbindung
  • Validierung der Gesamtlebensdauersimulation

Ansprechpartner

Professur für formgebende Fertigungsverfahren - TU Dresden

Projektleitung P5.A
Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius

Projektbearbeiter
Christina Guilleaume

Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik - TU Dresden

Projektleitung P5.B
Prof. Dr.-Ing. Markus Kästner

Projektbearbeiter
Tom Schneider

Veröffentlichungen

Übersicht über alle Veröffentlichungen aus dem SPP2013