Simulation des Einflusses der Bauteilgeometrie auf den Randschichtzustand nach dem Kugelstrahlen und deren Anwendung zur Optimierung der Schwingfestigkeit von Bauteilen
Final Report Abstract
Im Rahmen der Sachbeihilfe zur Simulation des Geometrieeinflusses beim Kugelstrahlen wurde aufbauend auf einem Vorläuferprojekt ein dreidimensionales FE-Kerbmodell erstellt mit der Möglichkeit, alle relevanten Strahlparameter wie Geschwindigkeit, Größe, Auftreffwinkel und Überdeckungsgrad des Strahlmittels sowie die Geometrieparameter Kerbradius und Dicke des Strahlguts beliebig einzustellen. Zusätzlich zu den übernommenen Materialparametern für vergüteten 42CrMo4 wurden die entsprechenden Parameter zur Beschreibung des dehnratenabhängigen Erst- und Wechselverformungsverhaltens für den normalisierten und gehärteten Zustand dieses Stahls ermittelt. Es wurde eine Randschichtzustandsdatenbank erstellt, die es erlaubt, beliebige experimentell oder durch Simulation ermittelte Randschichtzustände in Abhängigkeit der Prozessparameter, des Werkstoffzustands und der Geometrie abzulegen. Über Suchfunktionen sind konkrete Einträge sowie prognostizierte Eigenspannungsprofile für nicht hinterlegte Strahlparameterkombinationen abrufbar. Anlagenspezifische Prozessgrößen werden automatisch in Eingangsgrößen der Simulation umgerechnet, was die Suchfunktion auf alle Einträge erleichtert. Zur Validierung der simulationsgestützten Abschätzung der Wechselfestigkeit wurden die Kerbwechselfestigkeiten sowie die Eigenspannungszustände vor und nach Wechselbiegebeanspruchung an Proben unterschiedlicher Kerbradien, Kerbgrunddicken, Strahlparameter und Werkstoffzustände untersucht. Insbesondere bei scharfen Kerben tritt ein deutlicher Eigenspannungsabbau bei Wechselbiegebeanspruchung auf. Um diesen Einfluss zur Vorhersage der Kerbwechselfestigkeit nach dem Kugelstrahlen auch in der Simulation mit berücksichtigen zu können, wurden zuvor hinterlegte Tiefenprofile auf entsprechende 2D-Kerbmodelle aufgeprägt und die Eigenspannungen nach simulierter Wechselbiegung ermittelt. Abschließend wurde eine Vorgehensweise zur Prognose der Kerbwechselfestigkeit auf der Basis des Konzepts der lokalen Dauerfestigkeit unter Berücksichtigung der Rissausbreitungsfähigkeit vorgestellt und seine Eignung für unterschiedliche Geometrie-, Prozess- und Werkstoffparameter verifiziert.
Publications
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Finite Element Simulation of the Residual Stress States after Shot Peening. In: W. Reimers und S. Quander (Hrsg.) 7th European Conference on Residual Stresses, S. 349–354, Uetikon-Zürich, 2006. Trans Tech Publications
M. Klemenz, V. Schulze, O. Vöhringer und D. Löhe
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Numerical Prediction of the Residual Stress State after Shot Peening. In: W.E. Nagel, W. Jäger, M. Resch (Hrsg.) Transactions of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), S. 437-448, Berlin, Heidelberg, 2006, Springer
M. Klemenz, M. Zimmermann,V. Schulze und D. Löhe
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State of the Art in Shot Peening Simulation. In: K. Tosha (Hrsg.) Proceedings of the 10th International Conference on Shot Peening, S. 53-62, Tokyo, 2008
M. Zimmermann, M. Klemenz, V. Schulze
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Anwendung der Simulation der Randschichtausbildung beim Kugelstrahlen zur Abschätzung der Schwingfestigkeit gekerbter Bauteile. Dissertation, Universität Karlsruhe (TH) (2009)
M. Klemenz
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Application of the FEM for the prediction of the surface layer characteristics after shot peening. J. Mat. Proc. Technol. 209 (8), S. 4093–4102, 2009
M. Klemenz, I. Rohr, V. Schulze und D. Löhe
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Numerische Untersuchungen zur Auswirkung von Prozess- und Geometrieparametern beim Kugelstrahlen von 42CrMo4. HTM Heat. Treatm. Mat. 64 (2009) 3, S. 150 - 158
M. Klemenz, V. Schulze
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Application of the Concept of Local Fatigue Strength after Shot Peening of Notched Components based on Numerical Simulations. Materials Science Forum (Volumes 638 - 642), “Thermec’09”, 2010, pp. 912-917
M. Klemenz, V. Schulze
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Literature Review on Shot Peening. Journal: International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering 2010 - Vol. 3, No.4, pp. 289 - 310
M. Zimmermann, M. Klemenz, Volker Schulze
