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Entwicklung und Verifikation von Materialmodellen und numerischen Methoden zur Vorhersage der Containment Sicherheit beim Bersten von Laufrädern in Abgasturboladern (ATL)

  • Für die Vorhersage der Containment Sicherheit beim Bersten von Laufrädern in Abgasturboladern müssen zum einen komplexe Verformungs- und Schädigungsvorgänge bei dynamischer Belastung einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit mit geeigneten Versuchen erfasst und gemessen werden, zum anderen müssen diese temperatur- und dehnratenabhängigen Kennwerte in weiterentwickelten Materialmodellen für das Verformungs- und Schädigungsverhalten abgebildet werden. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden drei Gusswerkstoffe untersucht. Für den Gusswerkstoff mit Kugelgrafit EN-GJS-400 wurden die weitestgehenden experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung des Materialverhaltens unter ein- und mehrachsigem Zug sowie unter Druck- und Scherbeanspruchung für ein breites Spektrum von Beanspruchungsgeschwindigkeiten und Temperaturen durchgeführt. Die Untersuchungen an den beiden weiteren Werkstoffen erfolgten mit auf der Basis der gewonnen Erkenntnisse optimiertem Aufwand. Der Schwerpunkt der ArbeitenFür die Vorhersage der Containment Sicherheit beim Bersten von Laufrädern in Abgasturboladern müssen zum einen komplexe Verformungs- und Schädigungsvorgänge bei dynamischer Belastung einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit mit geeigneten Versuchen erfasst und gemessen werden, zum anderen müssen diese temperatur- und dehnratenabhängigen Kennwerte in weiterentwickelten Materialmodellen für das Verformungs- und Schädigungsverhalten abgebildet werden. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden drei Gusswerkstoffe untersucht. Für den Gusswerkstoff mit Kugelgrafit EN-GJS-400 wurden die weitestgehenden experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung des Materialverhaltens unter ein- und mehrachsigem Zug sowie unter Druck- und Scherbeanspruchung für ein breites Spektrum von Beanspruchungsgeschwindigkeiten und Temperaturen durchgeführt. Die Untersuchungen an den beiden weiteren Werkstoffen erfolgten mit auf der Basis der gewonnen Erkenntnisse optimiertem Aufwand. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei im Bereich hoher Beanspruchungsgeschwindigkeiten und höherer Temperaturen sowie deren Kombination. Für die numerische Modellierung der Containment Sicherheit von ATLs wurde ein vorhandenes Materialmodell weiterentwickelt, so dass es in der Lage ist, das Verformungs- und Versagensverhalten von Gusswerkstoffen, wie z.B. den Zug-Druck-Unterschied, in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit, Temperatur und Dehnrate auch für große plastische Deformationen zu beschreiben. Die Modellparameter wurden durch numerische Simulation von Experimenten an Proben bestimmt. Das Modell wurde in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm mit expliziter Integration implementiert und ist in der jetzigen Version auf FE-Modelle mit Volumenelementen beschränkt. Das Materialmodell wurde im Rahmen dieses Vorhabens zunächst zur numerischen Simulation von Experimenten an gekerbten Proben unter Biegebelastung angewendet. In einem zweiten Schritt erfolgte die Verifikation des Bauteilverhaltens durch numerische Simulation der hochdynamischen Beschussversuche. Da in diesem Vorhaben das Materialverhalten jedoch nur für das Containment und nicht auch für den Rotor des ATLs untersucht wurde, hat man für das Projektil und das Bauteil den gleichen Werkstoff verwendet. Die Belastung in diesen Beschussversuchen ist vergleichbar mit dem Aufprall eines Rotorfragments auf das Containment des Abgasturboladers. Abschließend wurde die numerische Simulation eines Containment Tests an einem Abgasturbolader durchgeführt. Die Nachrechnung dieser Experimente ist somit als ein Nachweis der Prognosefähigkeit des Materialmodells anzusehen. Numerische Stabilität der Userroutine konnte erreicht und eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen erzielt werden.zeige mehrzeige weniger
  • For predicting the Containment safety of turbochargers against failure of rotors at elevated temperatures and dynamic loading the complex deformation and damage behaviour of the respective materials has to be determined by appropriate experiments and on the other Hand the temperature and strain rate dependent data have to be implemented into material models that are able to describe the material behaviour underthese complex loading conditions. In this research project three different casting materials have been investigated. Since most experimental data were determined for the ductile cast iron alloy EN-GJS-400 with nodular graphite, this material was in the focus of numerical calcuiations. Its mechanical behaviour under uniaxial and multiaxial tension as well as under pressure and shear loading has been investigated for a variety of loading rates and temperatures. Since the material behaviour investigated in this project only concerns the Containment but not the rotor of theFor predicting the Containment safety of turbochargers against failure of rotors at elevated temperatures and dynamic loading the complex deformation and damage behaviour of the respective materials has to be determined by appropriate experiments and on the other Hand the temperature and strain rate dependent data have to be implemented into material models that are able to describe the material behaviour underthese complex loading conditions. In this research project three different casting materials have been investigated. Since most experimental data were determined for the ductile cast iron alloy EN-GJS-400 with nodular graphite, this material was in the focus of numerical calcuiations. Its mechanical behaviour under uniaxial and multiaxial tension as well as under pressure and shear loading has been investigated for a variety of loading rates and temperatures. Since the material behaviour investigated in this project only concerns the Containment but not the rotor of the turbocharger the loading of the whole device was approached by impact loading of a plate with a projectile made of the same material. For the numerical modelling of the Containment safety of turbochargers a material model has been developed with the capability to describe the specific deformation behaviour of casting materials, e.g. different properties under tension and compression as a function of stress triaxiality, temperature and strain rate dependence under large plastic deformations. The material parameters for the model have been determined by numerical modelling of small scale tests under different loading conditions. The modei has been implemented in a commercial finite element code with explicit integration. In the actual Version of the user subroutine the application is limited to solid elements. In this project the material model has been applied to numerical simulations of tests on notched specimens under bending load and above all to the Simulation of penetration Tests under highly dynamic impact loading conditions as well as the Containment fest of a turbocharger. The loading conditions in these tests are comparable to the impact of a broken turbine blade on the Containment of a turbocharger. The main purpose of these tests hence was to prove the prediction capability of the material model. Numerical stability of the user routine could be achieved and the results agreed quite well with the experimental data.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Ralf Häcker, Esther Knothe, F. Andrieux, D. Memhard
Dokumenttyp:Beitrag zu einem Tagungsband
Veröffentlichungsform:Graue Literatur
Sprache:Deutsch
Titel des übergeordneten Werkes (Deutsch):Informationstagung Turbomaschinen, Frühjahrstagung 2011
Jahr der Erstveröffentlichung:2011
Herausgeber (Institution):Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV)
Verlagsort:Bad Neuenahr
Ausgabe/Heft:R554
Erste Seite:65
Letzte Seite:94
Freie Schlagwörter:Abgasturbolader; Containmentsicherheit
Veranstaltung:Informationstagung Turbomaschinen, Frühjahrstagung 2011
Veranstaltungsort:Bad Neuenahr, Germany
Beginndatum der Veranstaltung:17.03.2011
Enddatum der Veranstaltung:17.03.2011
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:19.02.2016
Referierte Publikation:Nein
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