Experimentelle Untersuchung und Simulation des Abschreckprozesses von bauteilähnlichen ...

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Experimentelle Untersuchung und Simulation des
Abschreckprozesses von bauteilähnlichen Geometrien
aus G-AlSi7Mg
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Cahit Demirel
aus Ulm
Von der Fakultät (cid:511)(cid:511)(cid:511)(cid:3)- Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurswissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzende: Prof. Dr.-Ing. C. Fleck
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. W. Reimers
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. W. H. Müller
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 14.08.2009
Berlin 2009
D 83

Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorand bei der
Daimler AG, Forschung Fahrzeugaufbau und Antrieb in Ulm.
Mein aufrichtiger Dank gilt Herrn Prof. Dr. rer. nat. W. Reimers für die Übernahme
der Hauptberichterstattung und die großartige Unterstützung, die mir die Fertigstel-
lung dieser Arbeit ermöglicht haben. Weiterhin möchte ich mich herzlichst bei Herrn
Prof. Dr. rer. nat. W. H. Müller für die Zweitbetreuung dieser Arbeit, sowie für die
interessanten und konstruktiven Diskussionen bedanken. Für die Übernahme des
Prüfungsvorsitzes möchte ich Frau Prof. Dr.-Ing. C. Fleck danken.
Seitens der Daimler AG bedanke ich mich bei Herrn Dr. Karl-Ludwig Weißkopf für
die Betreuung dieser Arbeit. Ich danke allen Kollegen aus meiner Doktorandenzeit
für die angenehme Zusammenarbeit und die Unterstützung, die mir für meine Arbeit
zugute kam. Danken möchte ich Daniel Minnich, Robert Michal, Dr. Florian Lamp-
mann und Oliver Methner für die Hilfestellung beim Aufbau der Versuchsanlage.
Mein größter Dank gilt Herrn Dr. Wolfgang Rehm. Durch seine fachliche und
menschliche Unterstützung hat er wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetra-
gen. Weiterhin bedanke ich mich bei meinen damaligen Studenten Burkhard
Wietbrock und Orkun Dönmez für die wertvollen Beiträge zur vorliegenden Arbeit.
Meiner Familie danke ich für immerwährende Unterstützung und Vertrauen. Meiner
Frau Selma danke ich dafür, dass sie mir mit Geduld und Motivation bei der Durch-
führung dieser Arbeit zur Seite stand.
i
Inhaltverzeichnis
FORMELZEICHEN___________________________________________ IV
ZUSAMMENFASSUNG________________________________________ 1
ABSTRACT _________________________________________________ 3
1 EINLEITUNG_____________________________________________ 5
2 KENNTNISSTAND ________________________________________ 7
2.1 Werkstoff und Wärmebehandlung _______________________________7
2.1.1 Aluminium-Legierung G-AlSi7Mg_____________________________7
2.1.2 T6-Wärmebehandlung_______________________________________8
2.2 Beschreibung des Abschreckprozesses ___________________________12
2.2.1 Wärmeübergang und Benetzung______________________________12
2.2.2 Einflussfaktoren __________________________________________15
2.2.3 Charakterisierung _________________________________________17
2.3 Eigenspannungen und Verzug__________________________________20
2.3.1 Definition _______________________________________________20
2.3.2 Eigenspannungen und Verzug beim Abschrecken ________________21
2.3.3 Verfahren zur Eigenspannungsmessung________________________23
2.4 Grundlagen zur Simulation ____________________________________26
2.4.1 Finite-Elemente-Methode ___________________________________26
2.4.2 Grundgleichungen zur thermischen Simulation __________________29
2.4.3 Grundgleichungen zur mechanischen Simulation_________________30
2.4.4 Modellierung des Wärmeübergangs ___________________________36
2.4.5 Inverse Analyse___________________________________________37
2.5 Literaturübersicht____________________________________________40
3 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN ____________________ 43
3.1 Grundlagenversuche zum Abschreckprozess______________________43
3.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung ___________________________43
3.1.2 Probekörper______________________________________________47
3.1.3 Versuchsparameter ________________________________________50
3.2 Eigenspannungsmessungen ____________________________________51
4 ERGEBNISSE DER ABSCHRECKVERSUCHE_________________ 53
4.1 Zylinderproben ______________________________________________57
4.1.1 Benetzungskinematik in Abhängigkeit der Versuchsparameter______57
4.1.2 Temperaturmessungen während des Abschreckvorgangs___________65
4.1.3 Bestimmung der ortsvarianten Leidenfrost-Temperaturen__________73
4.2 Quaderproben _______________________________________________77
4.2.1 Benetzungskinematik in Abhängigkeit der Versuchsparameter______77
4.2.2 Temperaturmessungen während des Abschreckvorgangs___________84
ii
4.2.3 Bestimmung der ortsvarianten Leidenfrost-Temperaturen__________92
4.3 Stegproben__________________________________________________94
4.3.1 Benetzungskinematik in Abhängigkeit der Versuchsparameter______94
4.3.2 Temperaturmessungen während des Abschreckvorgangs __________99
4.3.3 Bestimmung der ortsvarianten Leidenfrost-Temperaturen_________106
4.4 Zusammenfassende Betrachtung der Versuchsergebnisse __________108
5 SIMULATION DES ABSCHRECKPROZESSES_______________ 113
5.1 Werkstoffkennwerte_________________________________________113
5.2 Zylindergeometrie___________________________________________118
5.2.1 FEM-Netz ______________________________________________118
5.2.2 Beschreibung der thermischen Simulation _____________________119
5.2.3 Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten ________________122
5.2.4 Thermische Simulation____________________________________137
5.2.5 Mechanische Simulation___________________________________144
5.3 Quadergeometrie____________________________________________155
5.3.1 FEM-Netz ______________________________________________155
5.3.2 Beschreibung der thermischen Simulation _____________________156
5.3.3 Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten ________________157
5.3.4 Thermische Simulation____________________________________162
5.3.5 Mechanische Simulation___________________________________169
5.4 Steggeometrie_______________________________________________181
5.4.1 FEM-Netz ______________________________________________181
5.4.2 Beschreibung der thermischen Simulation _____________________182
5.4.3 Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten ________________183
5.4.4 Thermische Simulation____________________________________187
5.4.5 Mechanische Simulation___________________________________193
5.5 Zusammenfassende Betrachtung der Simulationsergebnisse________202
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK____________________ 205
7 LITERATUR___________________________________________ 208
8 ANHANG _____________________________________________ 219
8.1 Standardabweichungen der Temperaturmessungen_______________219
8.1.1 Zylinderprobe ___________________________________________219
8.1.2 Quaderprobe ____________________________________________220
8.1.3 Stegprobe ______________________________________________221
8.2 Leidenfrost-Temperatur der Einzelmessungen ___________________222
8.2.1 Zylinderprobe ___________________________________________222
8.2.2 Quaderprobe ____________________________________________223
8.2.3 Stegprobe ______________________________________________224
iii
Formelzeichen
SYMBOL EINHEIT BEDEUTUNG
a [m²/s] Wärmediffusivität (Temperaturleitfähigkeit)
c [J/kg K] spezifische Wärmekapazität
p
E [N/mm²] Elastizitätsmodul
F - Fließkriterium
f - plastisches Fließpotential
h [W/m²K] Wärmeübergangskoeffizient
I - 2. Invariante des Spannungstensor
2
k - Skalarer Parameter
N - Anzahl Unbekannte
N - Anzahl linearer unabhängiger Vektoren (FEM)
N - Anzahl Thermoelemente
m
N - Anzahl Parameter
β
M - Anzahl Iterationen
m [kg] Masse
q& [W/m] Wärmestrom
R - Residuum (Maß für Fehler)
R [N/mm²] Streckgrenze
eS
T [°C] Temperatur
T [°C] Leidenfrost-Temperatur
L
T [°C] Burn-Out-Temperatur
BO
T [°C] Siedetemperatur
Si
T [°C] Oberflächentemperatur
O
T [°C] Umgebungstemperatur
∞
Tm [°C] Gemessene Temperatur
ij
( )
Tc β [s] Berechnete Temperatur
ij
t [s] Zeit
( )
t i =1,N [s] Zeitpunkt
i t
V - Volumen
( )
x j =1,N [mm] Position der Thermoelemente
j m
iv
x [mm] Koordinate
y [mm] Koordinate
z [mm] Koordinate
[ ]
K - Koeffizientenmatrix
[ ]
K - Iteration Koeffizientenmatrix
a
[ ]
K - Startwert Koeffizientenmatrix
0
[ ]
u - Vektor der unbekannten Freiheitsgrade
[ ]
u - Iteration Vektor der unbekannten Freiheitsgrade
a
[ ]
u - Startwert Vektor der unbekannten Freiheitsgrade
0
(cid:302) [1/K] thermischer Ausdehnungskoeffizient
β, β - Parameter
k
β0 - Anfangswert Parameter
k
(cid:304) [(cid:541)m/m] Dehnung
(cid:304)th [(cid:541)m/m] Thermisch induzierte Dehnung
(cid:540) [W/mK] Wärmleitfähigkeit
(cid:545) [kg/m³] Dichte
(cid:305) [N/mm²] Spannung
(cid:305) [N/mm²] Vergleichsspannung
v
σ - Variationsintervall des Parameters β
k k
(cid:305) - Standardabweichung
T
φ - FEM-Ansatzfunktion
j
v
vi