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Cast aluminum cylinder blocks are frequently used in gasoline and diesel internal combustion engines because of their light-weight advantage. However, the disadvantage of aluminum alloys is their relatively low strength and fatigue resistance which make aluminum blocks prone to fatigue cracking. Engine blocks must withstand a combination of low-cycle fatigue (LCF) thermal loads and high-cycle fatigue (HCF) combustion and dynamic loads. Reliable computational methods are needed that allow for accurate fatigue assessment of cylinder blocks under this combined loading. In several publications, the mechanism-based thermomechanical fatigue (TMF) damage model DTMF describing the growth of short fatigue cracks has been extended to include the effect of both LCF thermal loads and superimposed HCF loadings. This approach is applied to the finite life fatigue assessment of an aluminum cylinder block. The required material properties related to LCF are determined from uniaxial LCF tests. The additional material properties required for the assessment of superimposed HCF are obtained from the literature for similar materials. The predictions of the model agree well with engine dyno test results. Finally, some improvements to the current process are discussed.
Hersteller von Laufschuhen versprechen ihren Kunden Schuhe, die einen durch gezielte Energierückgabe der Mittelsohlen oder durch eine optimale Dämpfung bei der sportlichen Leistung unterstützen. Als aktueller Teststandard für das Materialreaktionsverhalten von Sportschuhen gilt der ASTM F1976. In diesem Test werden die Schuhe durch einen wiederholten Impulstest untersucht. Allerdings weder Rücksicht auf die zurückgelegte Distanz, noch auf variierende Körpergewichte genommen. In dieser Arbeit wird ein Messverfahren entwickelt, das Sportschuhe über eine simulierte Marathondistanz in Bezug auf die verarbeitete Energiemengen und das Verändern der Festigkeit analysiert. Es wurde ein Schuh der „Ghost“-Reihe der Firma „Brooks“ mit Hilfe einer elektro-dynamischen Prüfmaschine LMT10 der Firma Zwick/Röll zwei Mal im Bereich des Rückfußes mit zwei verschiedenen Lasten analysiert. Die Einstellungsparameter sind recherchierte Durchschnittswerte, die einen erwachsenen Europäer darstellen. Es hat sich herausgestellt, dass ein um 20% geringeres Körpergewicht eines Läufers nicht eine äquivalente geringere umgesetzte Energiemenge bedeutet. Im Vergleich zu der Messung des schwereren Läufers wurden lediglich 65% der Energiemenge umgesetzt. Darüber hinaus nimmt die Festigkeit der Mittelsohle bei der Messung mit 20% weniger Last kontinuierlich ab, wobei sie bei der Messung mit 100% im letzten Drittel der Messung wieder zunimmt. Als Gründe für dieses Verhalten wurden das nichtlineare Reaktionsverhalten von EVA-Schäumen und das anfängliche Verbessern der Gleitfähigkeit der Polymerketten festgestellt.
Turbocharger housings in internal combustion engines are subjected to severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their life-time or during engine testing. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermo-mechanical fatigue (TMF) of the material. For the computational TMF life assessment of high temperature components, the DTMF model can provide reliable TMF life predictions. The model is based on a short fatigue crack growth law and uses local finite-element (FE) results to predict the number of cycles to failure for a technical crack. In engine applications, it is nowadays often acceptable to have short cracks as long as they do not propagate and cause loss of function of the component. Thus, it is necessary to predict not only potential crack locations and the corresponding number of cycles for a technical crack, but also to determine subsequent crack growth or even a possible crack arrest. In this work, a method is proposed that allows the simulation of TMF crack growth in high temperature components using FE simulations and non-linear fracture mechanics (NLFM).
A NLFM based crack growth simulation method is described. This method starts with the FE analysis of a component. In this paper, the method is demonstrated for an automotive turbocharger housing subjected to TMF loading. A transient elastic-viscoplastic FE analysis is used to simulate four heating and cooling cycles of an engine test. The stresses, inelastic strains, and temperature histories from the FEA are then used to perform TMF life predictions using the standard DTMF model. The crack position and the crack plane of critical hotspots are then identified. Simulated cracks are inserted at the hotspots. For the model demonstrated, cracks were inserted at two hotspot locations. The ΔJ integral is computed as a fracture mechanics parameter at each point along the crack-front, and the crack extension of each point is then evaluated, allowing the crack to grow iteratively. The paper concludes with a comparison of the crack growth curves for both hotspots with experimental results.