Computersimulation auch für die Lebensdauer
Auspuff virtuell im Hitzestress

Wenn es unter dem Auto plötzlich zu dröhnen anfängt, erschreckt der Fahrer: Der Auspuff ist kaputt! Auspuffanlagen sind Verschleißteile. Mechanische Beanspruchung, starke Temperaturschwankungen, Kondensation und Säuren nagen am Blech. 700 bis 800 Grad Celsius heiß wird teilweise die Oberfläche der Abgaskrümmer, die letztlich mikroskopisch kleine Risse aufweisen. Die Ingenieure nennen diesen Vorgang Materialermüdung.

HB HANNOVER. Meist sind es ganz bestimmte Stellen, die als erste unter Dauerbelastung versagen. Konstrukteure müssen deshalb die Bauteile so formen, dass nirgendwo besonders ungünstige Spannungskonzentrationen auftreten. Ob allerdings die Korrekturen zum beabsichtigten Erfolg führen, können nur Tests mit realen Bauteilen zeigen.

Von teuren, aus nicht rostendem Edelstahl gefertigten Abgaskrümmern erwarten die Kunden auch eine längere Lebensdauer. Vor der Serienfreigabe muss eine neue Abgasanlage deshalb im Prüfstand und im Fahrzeug eine festgelegte Anzahl definierter Testzyklen ertragen. Je nach Testzyklus kann das Tage bis Wochen dauern. Eine weitere Verkürzung von Entwicklungszeiten ist ohne Qualitätseinbußen nur noch durch den verstärkten Einsatz von Computersimulationen möglich. So setzen Entwickler immer häufiger rechnerische Methoden zur Geometrieoptimierung ein. Warum sollten sie nicht auch zur Abschätzung der Lebensdauer beitragen können.

Ideal wäre ein "virtuelles Abgaslabor", dachten sich Forscher am Fraunhofer für Werkstoffmechanik-Institut IWM und Entwickler bei BMW. Gemeinsam entwickelten sie ein Simulationsverfahren zur rechnerischen Lebensdauervorhersage für Abgasanlagen. Damit erhält der Konstrukteur ein Werkzeug, das ihm bereits in einer frühen Entwicklungsphase erste Aussagen zur Lebensdauer ermöglicht.

"Natürlich erfolgt die Serienfreigabe weiterhin erst nach realen Bauteilversuchen", betont Dr. Hermann Riedel vom IWM. "Es gelingt aber mit diesem Simulationstool, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und die Zahl der Bauteilversuche erheblich zu verringern."

Erprobt wurde das "virtuelle Abgaslabor" am Abgaskrümmer des BMW 3.0-Liter-Reihen-Sechszylindermotors, Modelljahr 2000. Der Abgaskrümmer ist aus dünnwandigem Edelstahlblech, damit der motornah platzierte Katalysator möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreicht.

Grundlage der rechnerischen Lebensdauervorhersage sind zunächst herkömmliche Versuche mit kleinen Werkstoffproben. Die Temperaturbeanspruchung des Materials führt zur Bildung und zum Wachstum von mikroskopisch kleinen Rissen. Nun müssen die Ingenieure ein mathematisches Werkstoffmodell entwickeln, das die Auswirkung der Belastung auf den Ermüdungsgrad des Werkstoffs beschreibt. Das Verfahren beruht auf fortgeschrittenen Werkstoffmodellen für Hochtemperaturverformung und-bruch, die am Fraunhofer IWM im Rahmen der Reaktorsicherheitsforschung ursprünglich für Rohrleitungswerkstoffe in Kernkraftwerken eingesetzt wurden. Der Einsatz nicht-linearer Stoffgesetze in Finite-Elemente-Analysen ergab einen weiteren qualitativen Sprung in der Beurteilung kritischer Bauteilgeometrien.

Das Abgas-Modell ist so allgemein angelegt, dass beliebige Lastfolgen gerechnet und verschiedene virtuelle Testzyklen durchgeführt werden können: Zum Beispiel wird der Motor virtuell für einige Minuten unter Volllast gefahren und danach einige Minuten lang abgestellt. Die Temperatur erreicht dabei auf der Oberfläche des Krümmers bis zu 800 Grad Celsius. Die Simulation zeigt genau auf, an welchen Stellen im Krümmer plastische Verformungen und damit Mikrorisse auftreten.

"Die Verformungen sind nicht dort am höchsten, wo die Temperaturen maximal sind", deutet IWM-Experte Hermann Riedel die Ergebnisse. "Vielmehr spielen die maximalen Temperaturunterschiede zusammen mit den mechanischen Bedingungen die dominierende Rolle."

Das "virtuelle Abgaslabor" hat alle Tests erfolgreich bestanden - das zeigte ein Vergleich mit realen Prüfstandsversuchen. Was bisher Wochen dauerte, löst der Rechner in wenigen Stunden. Die Konstrukteure bei BMW und einigen Zulieferern können mit dem Simulationstool die Bauteilform so optimieren, dass keine ungünstigen Spannungskonzentrationen auftreten.

Ähnliche Probleme durch thermische Belastungen treten in Kraftwerken und Anlagen auf. Das IWM hat für verschiedene Anwendungen Bewertungskonzepte für thermomechanisch stark beanspruchte Bauteilen entwickelt und erfolgreich in die Praxis überführt: so etwa für Turbinenschaufeln, Rohrleitungen oder Schweißverbindungen. Die numerische Simulation erweist sich dabei als ein immer leistungsfähigeres Werkzeug, um experimentelle Bauteiltests einzusparen.

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