Simulation des Rissfortschritts in autofrettierten und nicht autofrettierten Bohrungsverschneidungen auf der Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik

Thumser, Rayk

Die betriebsfeste Auslegung von Hochdruckbauteilen ist technisch-wirtschaftlich notwendig. In dieser Arbeit werden die wissenschaftlichen Grundlagen dafür erarbeitet. Die technische Entwicklung der Hochdruckbauteile führt insbesondere bei Dieselmotoren zu stetig steigenden Drücken und damit zu einer wachsenden Herausforderung bei der Festigkeitsauslegung. Bei Hochdruckbauteilen sind die Möglichkeiten der Schwingfestigkeitssteigerung, z. B. durch Wanddickenvergrößerung oder durch den Einsatz höherfester Werkstoffe, begrenzt. Eine breite industrielle Anwendung findet derzeit die Autofrettage. Bei diesem Verfahren erzeugt eine einmalige statische Überlast tief in das Bauteil reichende Druckeigenspannungsfelder, die zu einer erheblichen Schwingfestigkeitssteigerung, insbesondere in der Rissfortschrittsphase, führen. Zuverlässige Lebensdauervorhersageverfahren für diese Phase existieren derzeit nicht. Sie werden in der vorliegenden Arbeit entwickelt und anhand experimenteller Ergebnisse verifiziert. Für das Berechnungsverfahren fand ein ingenieurmäßiger Ansatz Verwendung. Darin sollten zwar alle relevanten Effekte abgebildet werden, jedoch Komplexität und Modellierungsaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen. Sie umfassen die Berechnung der Autofrettageeigenspannungen, der Spannungsintensität, des Rissöffnungs- und Rissschließverhalten und des Rissfortschrittes. Das Modul Eigenspannungsberechnung für die Autofrettage basiert auf der Superposition von Autofrettagebe- und -entlastung und ermöglicht die notwendige Berücksichtung des Bauschinger-Effektes. Spannungsintensitäten werden mit einer 3D-Gewichtsfunktion für einen ebenen Riss unter Mode I Beanspruchung ermittelt, weil aufgrund der Symmetrie der meisten Hochdruckbauteile das stabile Langrisswachstum ausschließlich unter Mode I Beanspruchung stattfindet. Die Rissöffnungs- und -schließeffekte werden über Näherungsformeln abgebildet. In der Anwendung dieser Näherungsformeln hat sich die Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. durch den Vergleich mit von rechnerischen mit experimentellen Lebensdaueren als am Besten geeignet erwiesen. Bei dem untersuchten Werkstoff 42CrMo4 spielen die Reihenfolgeeffekte eine untergeordnete Bedeutung und werden deshlab nicht modelliert. Für die Rissfortschrittsbeziehung konnte auf die Formulierung der Paris-Erdogan Beziehung für effektive Schwingweiten zurückgegriffen werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen, aber in dieser Zusammenstellung ein neuer Ansatz. Da die Einzelmodule nur in geringem Umfang zu verifizieren sind, kann das Berechnungsverfahren nur in seiner Gesamtheit durch den Vergleich von experimentellen zu vorhergesagten Lebensdauern und Dauerfestigkeiten überprüft werden. In verschiedenen Sensitivitätsanalysen konnten für die Berechnungsparameter Rissöffnungsbeziehung, Anfangsrisslänge, Bruchzähigkeit, Rissfortschrittsgleichung und Schwellwert der Spannungsintensität der Einfluss auf die berechnete Rissfortschrittslebensdauer und -dauerfestigkeit aufgezeigt werden. So hat der Schwellwert der Spannungsintensität einen geringen Einfluss auf die Vorhersage der Rissstillstandsdauerfestigkeit autofrettierter Kreuzbohrungen, weil der Rissöffnungsdruck sehr nahe am Maximaldruck ist. Eine andere Sensitivitätsanalyse zeigt beispielsweise, dass sich die längsten Rissfortschrittslebensdauern bei Verwendung der Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. ergeben, weil diese Beziehung die größten Rissöffnungsdrücke vorhersagt. Für die Verifikation des Berechnungsverfahrens sind Innendruckschwellversuche an insgesamt 14 Versuchsreihen mit Kreuzbohrungen durchgeführt worden. Die allgemeine Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens konnte durch die Anwendung auf Kreuzbohrungen aus den Forschungsvorhaben Autofrettage I-III, auf Railstücke und auf Hochdruckverteilerleisten nachgewiesen werden. Auch hier stützt sich die Verifikation auf umfangreiche experimentelle Ergebnisse. Die statistische Auswertung des Verhältnisses der vorhergesagten zu experimentellen Lebensdauern und Schwingfestigkeiten aller untersuchten Bohrungsverschneidungen zeigt eine gute mittlere Vorhersagegüte bei geringer Streuung. Damit ist die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Lebensdauervorhersagemethode nachgewiesen.

From a technical and economical point of view it is necessary to examine the operational life of high strength components. This work will develop scientific bases for it. The technical development of high pressure components in particular for diesel engines leads to ever increasing pressures and thereby becoming a growing challenge in the evaluation of the design strength. The possibilities of increasing fatigue in high components such as an increase in wall thickness or the use of higher materials strengths is limited. The Autofrettage is currently widely used in the industry. This procedure creates a single static overload deep into the component reaching pressure residual stress fields which lead to a significant increase in fatigue, especially in the crack growth. Currently reliable lifetime prediction methods for this phase do not exist. They are presented in this work and developed the basis of verified experimental results. An engineering approach was used for the calculation procedures. However the aim is to show all relevant effects without introducing a complex model. The selected modules are calculated after analysis of the literature. This includes the calculation of Autofrettage stress, the stress intensity, the crack opening and closing behaviour of the crack growth. The residual stress calculation module for Autofrettage is based on the superposition of Autofrettage load as well as discharge and makes it possible to consider the Bauschinger effect. Stress intensities are identified with a 3-D weight function for a plane crack under mode I stress because due to the symmetry of the highest pressure components the stable long crack growth only takes place under stress mode I. The crack opening and closing effects are reproduced with approximation equations. In the application of this approximation, the crack opening relations by Ibrahim et. al. has proven to be best suitable when comparing the arithmetic with the experimental lifes. In the analyzed material 42CrMo4 overload and underload effects play a minor role and are thus not modelled. The phrasing of the Paris-Erdogan relationship for effective stress intensity factor was used for the crack growth relationship. The calculation modules are selected after analyzing the literature; however this configuration in this context it represents a new approach. Since the individual modules can merely be verified on a small scale, the calculation method can only be checked in its entirety by the comparison of experimental to predicted life and fatigue. The influence on the calculated crack growth life and fatigue can be shown in various sensitivity analyses when taken the following calculation parameters into account: crack opening relation, crack start length, fracture toughness, crack growth equation and threshold. Thus, the threshold of the stress intensity has little influence on the prediction cracks fatigue stoppage of auto-fretted cross bores as the crack opening force is very close to the maximum pressure. For example another sensitivity analysis shows that the longest crack growth longevity result when using the crack opening relations by Ibrahim et. al. as this relation predicts the crack opening pressures. In total 14 test series of cross borings were carried out for the verification of the calculation procedure for the threshold of the inner pressure experiments. The general applicability of the calculation process was demonstrated through the application of cross-drilling from the research projects Autofrettage I-III on Rail pieces and high pressure distribution parts. Once again, the verification is based on extensive experimental results. The statistical analysis of the ratio of predicted to experimental lifes and fatigue strength of all investigated crossbores shows a suitable prediction quality for mean value with low dispersion. This demonstrates the performance of the proposed life prediction method.

Zitieren

Zitierform:

Thumser, Rayk: Simulation des Rissfortschritts in autofrettierten und nicht autofrettierten Bohrungsverschneidungen auf der Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik. 2009.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export