Projektbeschreibung:

Hydraulische Komponenten sind im Betrieb oft extremen Belastungen ausgesetzt. Beim Aufprall der Schaufelspitze eines Radladers auf einen Stein während des Einstechens in ein Haufwerk können Druckgradienten bis zu 20.000 bar/s auftreten. Kommen solche Belastungen wiederkehrend vor, kann das zum Ausfall der Mobilhydraulik führen, insbesondere wenn die Zeit- oder Dauerfestigkeit der Materialien überschritten wird.

Im Zentrum der Untersuchung steht dabei das Risswachstum in hydraulischen Komponenten unter dem Einfluss hoher Druckabbauraten. Dringt Öl in einen bestehenden Riss ein, führt dies zu einer erhöhten Druckbelastung der Rissflanken. Dies verursacht – im Vergleich zu einem Bauteil ohne Riss – eine erhöhte mechanische Beanspruchung. Fällt der Druck anschließend rasch ab, kann das Öl nicht vollständig aus dem Riss entweichen und verbleibt darin. Es entsteht der sogenannte Keileffekt: Das im Riss verbleibende Öl verbindet die Rissflanken indirekt und verhindert ein vollständiges Zurückkehren in den ursprünglichen Zustand. Dieses Phänomen wird als ölinduziertes Rissschließen bezeichnet. Dabei ist unklar, ob die bleibende mechanische Verformung der Bauteile auf den Keileffekt des Öls oder auf zurückbleibende plastische Verformung der Rissumgebung zurückzuführen ist und wie diese beiden Phänomene voneinander abzugrenzen sind.

Im Rahmen des Projekts wird ein bereits bestehendes Simulationsmodell der Fluid-Struktur-Interaktion weiterentwickelt. Dies umfasst eine detailliertere Strömungssimulation, die sowohl die makroskopische Rissgeometrie als auch die Oberflächenrauheit des Risses berücksichtigt. Ergänzend dazu wird ein vereinfachtes Finite-Elemente-Modell zu einer vollständigen Struktursimulation ausgebaut. Es wird mit einem plastischen Fließstreifenmodell kombiniert, um die plastischen Verformungen im Bereich der Rissspitze sowie deren Entwicklung im Verlauf des Rissfortschritts realitätsnah abzubilden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen das Verständnis über die Effekte verbessern, welche zu einem frühzeitigen Ausfall durch hohe Druckabbauraten führen, und eine Grundlage schaffen, um solche Schädigungsmechanismen anhand des Belastungsprofils zuverlässig vorhersagen zu können.

Das Forschungsprojekt wird in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme der RWTH Aachen, dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie dem Institut für Angewandte Materialien – Zuverlässigkeit und Mikrostruktur am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt.