TY - THES

T1 - Erweiterung des FKM-konformen Ermüdungsfestigkeitsnachweises für nichtproportionale Beanspruchungen

AU - Leitner, Benjamin

N1 - gesperrt bis 09-09-2018

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Für den rechnerischen Nachweis der Ermüdungsfestigkeit nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile sind nach der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ die Amplituden der Hauptnormalspannungen zu bestimmen, wobei dies im Fall nichtproportionaler Beanspruchungen aufgrund zeitlich veränderlicher Hauptspannungsrichtungen nicht unmittelbar möglich ist. Aus diesem Grund schlägt die FKM-Richtlinie eine Näherungslösung vor, die jedoch im Allgemeinen zu deutlich konservativen Ergebnissen führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Amplituden der Hauptnormalspannungen bei zeitlich veränderlichen Hauptspannungsrichtungen ermittelt werden können. Zu diesem Zweck wurde ein Tensortransformationsverfahren entwickelt und in ein bestehendes Softwarepaket implementiert. Darin werden die mithilfe einer Finite-Elemente-Berechnung linear-elastisch berechneten Spannungstensoren schrittweise in gedrehte Koordinatensysteme transformiert. In jedem dieser Rotationszustände wird ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach der FKM-Richtlinie geführt. Der Vergleichsauslastungsgrad wird dabei anhand der Interaktionsgleichung für proportionale bzw. synchrone Beanspruchungen mit Normalspannungsamplituden gebildet. Das Maximum der Vergleichsauslastungsgrade aller Rotationszustände kennzeichnet das ungünstigste Zusammenwirken der Normalspannungsamplituden und daher wird der Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Hauptnormalspannungsamplituden geführt. Zur Validierung des entwickelten Berechnungskonzeptes werden Ergebnisse von Betriebsfestigkeitsversuchen mit proportionalen und nichtproportionalen Beanspruchungen an Rundproben aus der Literatur den entsprechenden Berechnungsergebnissen gegenübergestellt. Dabei wird gezeigt, dass die Berechnungsergebnisse des FKM-konformen Tensortransformationsverfahrens bei nichtproportionalen Beanspruchungen im Vergleich mit Versuchsergebnissen auf der sicheren Seite liegen, jedoch gegenüber der FKM-Näherungslösung die Abweichung um rund 40% verringert werden kann. Das Verfahren bringt somit einen wesentlichen Vorteil bei der leichtbauoptimierten Auslegung nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile nach der FKM-Richtlinie.

AB - Für den rechnerischen Nachweis der Ermüdungsfestigkeit nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile sind nach der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ die Amplituden der Hauptnormalspannungen zu bestimmen, wobei dies im Fall nichtproportionaler Beanspruchungen aufgrund zeitlich veränderlicher Hauptspannungsrichtungen nicht unmittelbar möglich ist. Aus diesem Grund schlägt die FKM-Richtlinie eine Näherungslösung vor, die jedoch im Allgemeinen zu deutlich konservativen Ergebnissen führt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Amplituden der Hauptnormalspannungen bei zeitlich veränderlichen Hauptspannungsrichtungen ermittelt werden können. Zu diesem Zweck wurde ein Tensortransformationsverfahren entwickelt und in ein bestehendes Softwarepaket implementiert. Darin werden die mithilfe einer Finite-Elemente-Berechnung linear-elastisch berechneten Spannungstensoren schrittweise in gedrehte Koordinatensysteme transformiert. In jedem dieser Rotationszustände wird ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach der FKM-Richtlinie geführt. Der Vergleichsauslastungsgrad wird dabei anhand der Interaktionsgleichung für proportionale bzw. synchrone Beanspruchungen mit Normalspannungsamplituden gebildet. Das Maximum der Vergleichsauslastungsgrade aller Rotationszustände kennzeichnet das ungünstigste Zusammenwirken der Normalspannungsamplituden und daher wird der Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Hauptnormalspannungsamplituden geführt. Zur Validierung des entwickelten Berechnungskonzeptes werden Ergebnisse von Betriebsfestigkeitsversuchen mit proportionalen und nichtproportionalen Beanspruchungen an Rundproben aus der Literatur den entsprechenden Berechnungsergebnissen gegenübergestellt. Dabei wird gezeigt, dass die Berechnungsergebnisse des FKM-konformen Tensortransformationsverfahrens bei nichtproportionalen Beanspruchungen im Vergleich mit Versuchsergebnissen auf der sicheren Seite liegen, jedoch gegenüber der FKM-Näherungslösung die Abweichung um rund 40% verringert werden kann. Das Verfahren bringt somit einen wesentlichen Vorteil bei der leichtbauoptimierten Auslegung nichtgeschweißter, volumenförmiger Bauteile nach der FKM-Richtlinie.

KW - assessment of fatigue strength

KW - FKM-guideline

KW - non-proportional stresses

KW - principal stress amplitudes

KW - tensor transformation approach

KW - non-welded

KW - block-shaped

KW - local stresses

KW - Finite-Element-Method

KW - Ermüdungsfestigkeitsnachweis

KW - FKM-Richtlinie

KW - nichtproportionale Beanspruchungen

KW - Hauptnormalspannungsamplituden

KW - Tensortransformationsverfahren

KW - nichtgeschweißt

KW - volumenförmig

KW - örtliche Spannungen

KW - Finite-Elemente-Methode

M3 - Masterarbeit

ER -