Design and computational analysis of compound castings and other multi-material structures

Abstract

Das Multi-Material Leichtbau-Konzept strebt danach, den "besten" Werkstoff und den besten Herstellungsprozess für jeden Bereich einer Struktur einzusetzen. Damit können die Vorteile unterschiedlicher Werkstoffe miteinander kombiniert werden. Fügetechnik spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. Der Verbundguss ermöglicht es, Gussbauteile während des Gießprozesses mit anderen Bauteilen zu verbinden. Das heißt, der Gießprozess dient gleichzeitig als Herstellungs- und Fügeprozess.<br />Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Berechnungsmethoden zur Untersuchung und Gestaltung von Verbundguss-Strukturen und anderen Verbundbauteilen. Dabei kommen sowohl Finite Elemente Methoden als auch asymptotische Methoden zum Einsatz.<br />Während des Abschreckens (oder Abkühlens) eines Verbundgussbauteils entwickelt sich auf Grund des inhomogenen transienten Temperaturfeldes sowie auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Werkstoffe ein Eigenspannungszustand. Da diese Eigenspannungen die kraftschlüssige Verbindung und andere wichtige Eigenschaften (z.B. die Betriebsfestigkeit) des Bauteils bestimmen, ist die Simulation des Abschreckvorgangs von zentraler Bedeutung.<br />Wenn am Interface des Verbundgussbauteils keine stoffschlüssige Verbindung vorliegt, dann ist mit Wärmeübertragung durch Kontakt zu rechnen, und die thermische Kontaktleitfähigkeit am Interface hängt vom Kontaktdruck bzw. von der Spaltbreite ab. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Berücksichtigung dieser Abhängigkeit bei der Simulation des Abschreckvorgangs von Verbundgussbauteilen äußerst wichtig ist. Während des Abschreckvorgangs können sich Spalte am Interface des Verbundgussbauteils bilden. Dies ist selbst dann möglich, wenn es sich um ein geometrisch einfaches Bauteil handelt. Durch das Öffnen des Spaltes wird die thermische Kontaktleitfähigkeit deutlich reduziert, und der Wärmestrom ist gezwungen, hauptsächlich parallel zum Interface zu verlaufen.<br />Es werden praktische Beispiele für Stahl-Aluminium Verbundgussbauteile mit form- und/oder kraftschlüssiger Verbindung vorgestellt. Im allgemeinen konnte die Festigkeit der Verbindung dieser Bauteile von den Finite Elemente Simulationen gut vorhergesagt werden. Die sprunghafte Änderung der Materialeigenschaften am Interface von Verbundbauteilen kann zum Auftreten lokaler Spannungskonzentrationen führen. Unter den Annahmen der linearen Elastizitätstheorie können sich diese Spannungskonzentrationen in Form von Spannungssingularitäten äußern. Die Abhängigkeit der Ordnung dieser Singularitäten von geometrischen Größen und Materialparametern wird systematisch untersucht, und "Design Diagramme" werden erstellt, von denen die Ordnung der Singularität direkt abgelesen werden kann. Mit Hilfe dieser Diagramme können geometrische Änderungen bestimmt werden, welche entweder die Ordnung der Singularität vermindern oder zu einem regulären Spannungsfeld führen. Oft können große Verbesserungen durch vergleichsweise kleine und lokale Änderungen der Geometrie erreicht werden.<br />

The multi-material lightweight design concept strives to use the "best" material and manufacturing process for each part of a structure in order to combine the advantages of different materials. Obviously, joining techniques play a major role in the manufacturing of these structures. The compound casting process allows for the joining of a casting to other parts during the casting process. That is, the casting process serves both as a production and a joining process.<br />The aim of this thesis is to develop computational methods for the analysis and design of compound castings and other multi-material structures. Both finite element methods and asymptotic analysis techniques are used.<br />During the quenching (or cooling) of a compound casting residual stresses develop due to the inhomogeneous transient temperature field and the dissimilar coefficients of thermal expansion of the materials involved. As these stresses determine the frictional connection and other important characteristics (e.g. the fatigue life) of the structure, the simulation of the quenching process is of central importance. In the case of purely contacting interfaces, i.e., if no metallurgical bonding exists, the heat transfer at the interface is either by contact or through the gap, and the thermal contact conductance at the bimaterial interface of the compound casting depends on contact pressure and gap opening. A major finding of this thesis is that, in general, the consideration of this dependence is crucial to the simulation of the quenching process of compound castings. During the quenching process gaps can open up at the bimaterial interface even if the structure is geometrically simple. The opening of the gap severely reduces the thermal contact conductance and forces heat to flow mainly parallel to the open gap.<br /> Practical examples of steel-aluminum compound castings with form-locking and/or frictional connection are presented. In general, the strength of these connections could be well predicted by the finite element simulations.<br />Local stress concentrations can occur due to the abrupt change in material properties at the interface of a multi-material structure.<br />Under the assumptions of linear elasticity theory, these stress concentrations can manifest themselves as stress singularities. The dependence of the order of these singularities on geometrical and material parameters is examined in a systematic way and "design charts" are developed by which the order of the stress singularity can be directly registered. Using these charts, geometry modifications can be determined that either minimize the order of the stress singularity or lead to a regular stress field. Often, great improvements can be achieved through comparatively small and local modifications of the geometry.<br />