Numerische Simulationen der Deformations- und Versagensvorgänge von Mg-Druckgussteilen unter Berücksichtigung inhomogener Materialeigenschaften

• Numerical simulations of deformation and failure processes of Magnesium die-cast components taking into account inhomogeneous material properties

Funke, David; Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor); Feikus, Franz-Josef (Thesis advisor); Röth, Thilo (Thesis advisor)

Aachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung 36
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

In PKW-Karosserien werden zunehmend Multi-Material-Strukturen mit Bauteilen unter anderem aus Druckguss eingesetzt, dessen Gestaltungsfreiheit es ermöglicht ihre Form an zu erwartende Belastungen bei minimalem Materialeinsatz anzupassen. Magnesiumlegierungen bieten aufgrund ihrer geringen Dichte weiteres Potenzial zur Gewichtsreduzierung. Das spröde Materialverhalten dieser Legierungen muss bei der Bauteilentwicklung im Hinblick auf die passive Fahrzeugsicherheit berücksichtigt werden, da bei Verkehrsunfällen die Gussteile hohen plastischen Deformationen bis zum Materialversagen ausgesetzt werden. Mittels numerischer Struktursimulationen können potenzielle Festigkeitsprobleme identifiziert und Optimierungsmaßnahmen bewertet werden. Dies stellt Ansprüche an die Genauigkeit der Simulationsergebnisse, die maßgeblich von der Beschreibung der Geometrie und des Materialverhaltens im Simulationsmodell abhängig ist. Während des Druckgießens sind die Prozessbedingungen lokal unterschiedlich und abhängig von vielzähligen Faktoren. Da die Prozess- und Erstarrungsbedingungen das Gefüge beeinflussen und dieses wiederum die mechanischen Materialeigenschaften bestimmt, resultiert aus einer lokalen Verteilung dieser Bedingungen zwangsläufig eine Variation der Materialeigenschaften. Inhomogene Eigenschaftsverteilungen beeinflussen das Deformations- und Versagensverhalten eines Gussteils unter Lasteinwirkung. Ein Simulationsmodell, welches homogene Materialeigenschaften zu Grunde legt, kann derartige Zusammenhänge nicht abbilden und ist daher in seiner Aussagefähigkeit eingeschränkt. Die vorliegende Arbeit befasst sich in interdisziplinärer Weise mit der Verbesserung numerischer Struktursimulationen von Magnesium-Druckgussteilen. Die Materialmodellierung nimmt dabei einen zentralen Stellenwert ein, da durch Berücksichtigung inhomogener Werkstoffeigenschaften eine höhere Ergebnisgenauigkeit des Simulationsmodells erzielt werden soll. Dies erfordert Kenntnisse der Eigenschaftsverteilungen, welche in der Realität vorliegen und mittels experimenteller Untersuchungen an einem generischen Gussteil in dieser Arbeit ermittelt werden. Lokale Materialeigenschaften werden berücksichtigt, indem die Ergebnisse einer Druckgusssimulation in einem vorgelagerten Prozessschritt auf das FEM-Modell übertragen werden. Aus den Ergebnissen, wie beispielsweise Temperaturen und Fließwege, werden mittels empirischer Korrelationsfunktionen mechanische Materialeigenschaften berechnet, die in nachgelagerten FEM-Simulationen Anwendung finden. Die Herausforderung bei der Verknüpfung von Prozess- und Struktursimulation besteht darin, die Gießsimulationsergebnisse in einen analytischen Zusammenhang mit mechanischen Materialeigenschaften zu bringen.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Gießereiwesen und Gießerei-Institut [526110]