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massivUMFORMUNG September 2017

AUS DER PRAXIS Rohmaterial • Beschaung • Materialtests Umformung • Simulation • Prozess- abbildung Wärmebehandlung • Simulation Produktion • Simulation Wärmebehandlung • Simulation Bauteilabsicherung •Simulation Bild 1: Herstellungsprozess einer Kurbelwelle Der Schwerpunkt in diesem Beitrag wird auf die folgenden Bereiche gelegt: Simulation der Wärmebehandlung, Simulation der volldynamischen Belastungen, Eigenentwicklung einer Software zur Voraussage lokaler Festigkeits Anisotropie, Ermittlung der tatsächlichen Anisotropie sowie Simulation der Bauteilfestigkeit. SIMULATION DER WÄRMEBEHANDLUNG Die Abbildung der Wärmebehandlung und speziell die Ermittlung der daraus resultierenden Eigenspannungen erfordert einige wichtige Schritte, welche hier erläutert werden (Bild 1). Die Basis bildet eine Materialsimulation, bei der die Eingabeparameter nachfolgend beschrieben werden: Ausgehend von den Temperaturen, die am Bauteil nach der Schmiedesimulation vorliegen, wird eine rein thermische Finite-Elemente-Temperaturverteilungsrechnung von jedem Wärmebehandlungsschritt durchgeführt. Im nächsten Schritt werden in Abhängigkeit von Härte und Gefüge aus ZTU-Diagrammen (aus der Literatur oder nach Ermittlung) die entsprechenden Abkühlkurven bestimmt. Mit der chemischen Analyse sind die Eingabedaten nun vollständig. Als Ergebnisse aus der Materialsimulation werden die Kurvenverläufe von Wärmeausdehnungskoeffizient, Dichte sowie temperatur und spannungsabhängige Spannungs- Dehnungskurven gewonnen. Diese ermittelten Kurven werden als Materialkurven in der Festigkeitsberechnung verwendet, um die Eigenspannungen zu berechnen (Bild 2). Da die Berechnung von Eigenspannungen, vor allem von ganzen Bauteilen, sehr hohe Ansprüche hinsichtlich Rechenzeit an die verwendete Hard- und Software stellt, wurde dazu ein eigenes Software Unterprogramm erstellt, welches umfassende Benutzereingaben und erhöhte Ergebnisgenauigkeit, vollständige Netz-Unabhängigkeit und zeitsparende Netz-Festlegung, keine Übertragung von Spannungen und dadurch eine Minimierung des Fehlerrisikos während der Benutzereingabe bietet. Um das vollständige Belastungsspektrum eines Verbrennungsmotors abzubilden, wird eine volldynamische transiente Mehrkörpersimulation durchgeführt (Bild 3). Dabei werden die nichtlinearen Effekte der Gleitlager mittels elasto-hydrodynamischer (EHD-) Simulation vollständig berücksichtigt. Als Eingabedaten fungieren Lastdaten in Form von Gas- und maximalem Zylinderdruck, elastischen Körpern (zum Beispiel Kurbelwelle und Pleuel), nichtlinearen Federelementen zur Abbildung der Kolben Liner-Interaktion sowie elastohydrodynamische Gleitlagerelemente für die Hauptlager und die Lager am großen Pleuelauge. Ergebnisse aus der EHD-Simulation sind die Verteilung des Drucks in allen Lagern, der Ölfluss, die Reibleistung und die elastische Deformation des Kurbeltriebs. Bild 2: Eigenspannungen beim induktiven Aufheizen 32 massivUMFORMUNG | SEPTEMBER 2017


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