9/10 - Verein österreichischer Gießereifachleute

GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) HEFT 9/10
Bild 15: Spannungsamplitude in der kritischen Schnittebene
Bei der Berechnung nach herkömmlicher Methode wurde für das gesamte
Bauteil das Basismaterial, wie es in der Literatur bzw. der FEM-
FAT Materialdatenbank zur Verfügung steht, verwendet.
Durch Berücksichtigung des Randschichtmodells bei der Betriebsfestigkeitsanalyse
werden für jeden Bewertungspunkt die entsprechende
Spannungsamplitude und der Spannungsgradient gebildet.
Bild 15 vergleicht die Verteilung der Spannungsamplituden an der
Oberfläche und der Grenzschicht zwischen porenfreier Randzone
und dem Basismaterial (Bewertungspunkte).
Im Bereich der Kerbe nimmt die Amplitudenspannung aufgrund
des größeren Spannungsgradienten in größerem Maße ab als an
ungekerbten Flächen, siehe Bild 15. So zeigt sich eine Reduktion
der Amplitudenspannung von der Oberfläche hin zur Grenzschicht
von etwa 22 MPa im Bereich der Kerbe, während sich
im ungekerbten Bereich die Spannung um nur etwa 4MPa verringert.
Trotz höherer Amplitudenspannung an der Oberfläche ergibt sich,
bedingt durch die besseren Materialeigenschaften in der porenfreien
Randschicht an der Oberfläche eine höhere Dauersicherheit als an
der Grenzschicht, siehe Bild 16. Das soll auch verdeutlichen, dass
Risse im realen Bauteil ebenso von dieser Grenzschicht ausgehen
können.
Wird für die Grenzschicht ebenso das Basismaterial mit den schlechteren
Eigenschaften definiert, ergeben sich die bekannt konservativen
Dauersicherheiten an der Bauteiloberfläche. Bild 17 verdeutlicht
dies mit einem direkten Vergleich der unterschiedlichen Berechnungsmethoden.
Die kleinste Dauersicherheit bei Berücksichtung der Gusshaut beträgt
1,02 und tritt im Bereich der Kerbe an der Grenzschicht auf
(Bild 16), wo die maßgebliche Spannungsamplitude wesentlich niedriger
ist als an der Oberfläche. Daher ist auch die minimale Sicherheit
bei Verwendung des Randschichtmodells größer als jene zufolge der
herkömmlichen Berechnungsmethode (0,66), die den kritischen
Punkt erwartungsgemäß an der Oberfläche des Bauteils aufzeigt.
Zusammenfassung und Ausblick
In Zeiten der immer kürzer geschnürten Entwicklungszeiträume steigen
die Anforderungen an virtuelle Produktentwicklungen rasend
schnell an. Immer stärker werden Absolutaussagen bei der Bauteilbewertung
gefordert. Dies verlangt gleichzeitig intensive Grundlagenforschung.
Nur so kann sichergestellt werden, dass sämtliche betriebsfestigkeitsrelevanten
Einflüsse aus Herstellung und Einsatz erfasst
werden und in die Bewertung einfließen können. Eine gute Korrelation
zwischen Test und Simulation ist zwingend notwendig, um die
Qualität der virtuellen Produktentwicklung so weit zu steigern, damit
das letztendliche Ziel –Entwicklungszeitverkürzung bzw. Einsparung
von Prototypen/ -tests –erreicht werden kann.
Die Optimierung spielt dabei eine sehr große und wichtige Rolle,
da sie ein ausgezeichnetes Werkzeug ist, um Simulationen aus mehreren
Bereichen der Produktentwicklung zu verknüpfen und ein
Produkt für bestimmte Einsätze ideal zu gestalten.
Bei Aluminiumgussteilen wurde bereits gute Arbeit geleistet, um
Einflüsse aus Herstellungsverfahren in die virtuelle Bewertung zu in-
Bild 16: Dauersicherheitsfaktoren durch Analyse mit Randschichtmodell
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