Numerische Optimierung des Aufkohlungsprozesses für funktionsbedingte Konstruktionsdetails von Stahlbauteilen*
-
A. Diemar
Kurzfassung
Funktionsbedingt sind an Stahlbauteilen bestimmte Konstruktionsdetails, wie Querbohrungen oder Wellenabsätze, nicht zu vermeiden. Infolge einer äußeren Beanspruchung führt deren Form zu lokalen Extremwerten des meist mehraxialen Spannungszustandes, welche dann versagensmaßgebend für das Gesamtstahlbauteil sind. Die Form der funktionsbedingten Konstruktionsdetails beeinflusst auch die Kohlenstoffaufnahme aus der Aufkohlungsatmosphäre sowie die weitere Diffusion des Kohlenstoffs im Stahlbauteil und somit charakteristische Zielgrößen des Aufkohlungsprozesses, wie den lokalen Randkohlenstoffgehalt und die lokale Aufkohlungstiefe im Bereich des Konstruktionsdetails. Die Analyse von Aufkohlungsvorgängen komplexer Bauteilgeometrien erfolgt durch numerische Methoden, wie die der Finiten Elemente. Wird die Finite-Elemente-Methode mit höherwertigen Lösungsverfahren für Optimierungsprobleme gekoppelt, ergeben sich erweiterte Möglichkeiten zur Anpassung des Randkohlenstoffgehaltes und der Aufkohlungstiefe auf die speziellen Erfordernisse funktionsbedingter Konstruktionsdetails
Abstract
For functional reasons, certain construction details such as cross-holes and shaft shoulders cannot be avoided for steel components. As a result of the external stress, their shape leads to local extremes in the multi-axial stress state where failure of the material can appear (notch effect). The shape influences also the carbon absorption from the carburizing atmosphere and the further diffusion of carbon in the steel component itself. This leads to effects on the characteristic parameters of the carburizing process, such as the local surface carbon content and the carburized depth in the local area of the construction detail. The analysis from carburizing processes of complex component geometries is generally done by numerical methods such as the finite element method. The coupling of the finite element method with high-order methods for solving optimization problems results in expanded possibilities to adjust the carbon level and the depth of carburization for the function-related design details with special requirements.
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