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Schadensanalyse am Planetengetriebe bei Fragmenteinbringung mit Hilfe numerischer Modellbildung

Jeßberger, Julia (2024)
Schadensanalyse am Planetengetriebe bei Fragmenteinbringung mit Hilfe numerischer Modellbildung.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028723
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Schadensanalyse am Planetengetriebe bei Fragmenteinbringung mit Hilfe numerischer Modellbildung
Language: German
Referees: Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan ; Melz, Prof. Dr. Tobias
Date: 3 December 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 145 Seiten
Date of oral examination: 30 October 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028723
Abstract:

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Schadensanalyse an einem einstufigen Evolventen-Planetengetriebe bei Fragmenteinspeisung mit Hilfe von numerischer Simulation. Das betrachtete Getriebe stellt eine skalierte Form eines Hochleistungsgetriebes für Getriebefans dar. Aufgrund fehlender Empfehlungen in der Literatur zur Implementierung eines solchen numerischen Modells wird zunächst ein Versuchsplan zur Parameteridentifikation der verschiedenen Modelle entworfen. Im Rahmen der Untersuchungen erfolgt eine Analyse der initialen Anrissposition in Abhängigkeit vom vorliegenden Beanspruchungszustand sowie eine Untersuchung des Rissfortschritts. Daher werden die erforderlichen Parameter des Materialmodells, des Versagensmodells sowie des Kohäsivzonenmodells der verwendeten Zahnräder für den spezifischen Anwendungsfall bestimmt. Zur Identifikation des Materialmodells der einsatzgehärteten Außenverzahnung (30Cr-NiMo8 bzw. 18CrNiMo7-6) und der nitrierten Innenverzahnung (35CrAlNi7-10 bzw. 31CrMoV9) wird das Johnson-Cook Materialmodell auf Basis von dehnratenabhängigen Zug-, Druck- und Vickers-Versuchen implementiert. Die analytische Berechnungsvorschrift für die Umwertung der ermittelten Härte in die Streckgrenze wird basierend auf den Ergebnissen des Kernmaterials bestimmt. Die Modellierung von Zahnrädern unter Berücksichtigung der Randschicht ist durch den hohen Rechenaufwand und die zusätzliche Einschränkung der Vernetzungsstrategie begrenzt. Daher wird der Einfluss einer vereinfachten homogenisierten Betrachtung der wärmebehandelten Zahnräder analysiert. In der Literatur werden derartige homogene Zahnrad-Modelle basierend auf Erfahrungswerten sowie durch den Abgleich mit experimentellen Ergebnissen identifiziert. Da in der öffentlich zugänglichen Literatur hierzu keine Erfahrungswerte vorliegen, wird eine neue Strategie basierend auf einem gewichteten Mittelwert untersucht. Die Implementierung des Versagensmodells basiert ebenfalls auf der Johnson-Cook Methode unter Berücksichtigung des Härteprofils der wärmebehandelten Stirnräder. Die Versagensgrenze wird mit Hilfe von quasistatischen Pulsatorversuchen sowie vereinfachten Fragment-Eindruck-Versuchen ermittelt. Auf Grundlage der ermittelten Versagensgrenze kann schließlich die initiale Anrissposition im Zahnfuß ermittelt werden, welche einen maßgeblichen Einfluss auf die Richtung des Rissfortschrittes hat. Durch eine Unsicherheitsbetrachtung wird der zu berücksichtigende Fehler des numerischen Modells abgeschätzt. Das Kohäsivzonenmodell, dessen Parameter durch die vereinfachten Fragment-Eindruck-Versuche bestimmt werden, wird schließlich zur Abschätzung des Auftretens eines Zahnkranzbruchs verwendet. Anhand der ermittelten Parameter erfolgt schließlich die Implementierung des numerischen Modells. Als Vergleich werden die Dehnungsmessungen und die aus den Aufzeichnungen der Hochgeschwindigkeitskamera vermessenen Verschiebungen des projektspezifisch entwickelten Getriebeprüfstandes verwendet, der eine wiederholgenaue, dynamische Einbringung eines definierten Fragmentes ermöglicht. Abschließend erfolgt eine Untersuchung der möglichen Einflussparameter, um den Schadensausgang zu minimieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

This dissertation investigates the procedure for implementing a numerical model for damage analysis on a single-stage involute planetary gearbox. As there are no recommendations in the literature on implementing such a model, an experimental plan for parameter identification is designed first. As part of the investigations, the initial crack position is analysed as a function of the load and the crack propagation is examined. Therefore, the required parameters for the material model, the failure model and the cohesive zone model are identified for the specific application of the gears. To identify the plastic behaviour of the case-hardened external gearing (30CrNiMo8 and 18CrNiMo7-6) and the nitrided internal gearing (35CrAlNi7-10 and 31CrMoV9), the Johnson-Cook material model is implemented based on tensile, compression and Vickers tests. The analytical calculation rule for the revaluation of the determined hardness into the yield strength grounds on the results of the core material. The modelling of the gears under consideration of the surface layer is limited by the high computational time and the additional restriction due to the meshing strategy. Therefore, the influence of a simplified homogeneous consideration of the heat-treated gears is analysed. In the literature, such homogeneous material models are identified based on empirical values and by comparison with experimental results. Since no empirical values are available in the publicly accessible literature, a new strategy is implemented and analysed. The implementation of the failure model is also based on the Johnson-Cook method and a shift of the damage criterion based on the hardness profile of the heat-treated cylindrical gears. The failure limit is determined within this thesis taking into account the experimental results of quasi-static pulsator tests and simplified fragment indentation tests. Based on the determined load condition, the initial crack position in the tooth root can finally be determined, which has a significant influence on the direction of crack propagation. Finally, the cohesive zone model is used to estimate whether the fracture into the rim can be caused by the reingestion of a tooth-sized fragment. The numerical model is then implemented based on the parameters determined. Various strain rates have to be taken into account here. The test results from the project-specific gear test bench, which enables a defined fragment to be ingested with repeatable accuracy, are used for comparison. The comparison is based on strain measurements and displacements, which can be measured from the recordings of the highspeed camera. Finally, the possible influencing parameters are investigated to minimise the damage.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-287234
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Mechatronic Systems in Mechanical Engineering (IMS) > Aircraft Engines and Rotating Machinery
Date Deposited: 03 Dec 2024 13:18
Last Modified: 06 Dec 2024 08:03
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28723
PPN: 524379513
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