Simulation der thermischen und mechanischen Beanspruchung von Bremsscheiben unter Berücksichtigung der Gefügestruktur

• Applicant: Professorin Dr. Britta Nestler
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2012 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 216049364

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen des Transferprojekts wurde durch Mikrostruktursimulationen der Einfluss der Gefügestruktur des Gusseisens auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften auf der Meso- und Makroskala untersucht. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Untersuchungen der Daimler AG verglichen. Zur Validierung wurden die Gefügesimulationen durch eine metallographische und chemische Charakterisierung des Werkstoffs begleitet. Alle zur Verwirklichung der Mikrostruktursimulationen notwendigen thermo-mechanischen Methoden wurden neu entwickelt und implementiert. Zusätzlich ist ein Tool zur algorithmischen Generierung der zweiphasigen Mikrostrukturen für die initiale Füllung der Simulationsgebiete entstanden, mit dem Mikrostrukturvarianten mit verschiedenen Graphikfaserverteilungen erstellt werden können. Bei schnellen Abkühlungsvorgängen von Bremsscheiben tritt die reversible Gefügeumwandlung von Austenit zu Ferrit/Perlit ein. Diese Gefügeumwandlung wurde mittels der Multiphasenfeldmethode und thermodynamischen Daten aus der CALPHAD-Datenbank umgesetzt. In Kooperation mit dem Graduiertenkolleg 1483 Prozessketten in der Fertigung: Wechselwirkung, Modellbildung und Bewertung von Prozesszonen wurde die Martensittransformation in Gusseisen simuliert. Die Entstehung von Mikrorissen wurde anhand eines neu entwickelten Multiphasenfeldmodells mit kombinierten thermo-mechanischen Evolutionsgleichungen untersucht. 3D Bremsscheibensimulationen auf der makroskopischen Längenskala wurden unter Einbeziehung der homogenisierten und lokalisierten Kenngrößen aus den Mikrostruktursimulationen durchgeführt. Hierbei konnten makroskopische Phänomene wie beispielsweise die Schirmung der Bremsscheibe nachgestellt werden.

Publications

• ”A multiscale approach for thermomechanical simulations of loading courses in cast iron brake discs”. In: International Journal for Multiscale Computational Engineering 14.1 (2016), pp. 25–43
  S. Schmid, D. Schneider, C. Herrmann, M. Selzer, B. Nestler
  
• ”On the stress calculation within phase-field approaches: a model for finite deformations”. In: Computational Mechanics 60.2 (2017), pp. 203–217
  D. Schneider, F. Schwab, E. Schoof, A. Reiter, C. Herrmann, M. Selzer, T. Böhlke, B. Nestler
  
• ”Multiphase- field model of small strain elasto-plasticity according to the mechanical jump conditions”. In: Computational Mechanics (2018), S.1–14
  C. Herrmann, E. Schoof, D. Schneider, F. Schwab, A. Reiter, M. Selzer, B. Nestler
  
• ”Multiphase-field modeling and simulation of martensitic phase transformation in heterogeneous materials”. In: High Performance Computing in Science and Engineering (2018), Springer 2018
  E. Schoof, C. Herrmann, D. Schneider, J. Hötzer, B. Nestler
  
• ”Multiphase-field modeling of martensitic phase transformation in a dual-phase microstructure”. In: International Journal of Solids and Structures 134 (2018), pp. 181–194
  E. Schoof, D. Schneider, N. Streichhan, T. Mittnacht, M. Selzer, B. Nestler
  
• ”On the multiphase-field modeling of Martensitic phase transformation in dual-phase steel using J2 -viscoplasticity”. In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering (2019), pp. 025010
  E. Schoof, C. Herrmann, N. Streichhan, M. Selzer, D. Schneider, B. Nestler