TY - THES

T1 - Abschätzung der Schwingfestigkeit bei geringen Ausfallwahrscheinlichkeiten auf Basis des statistischen Größeneffektes

AU - Pauer, Philipp

N1 - gesperrt bis 29-04-2019

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Im Zuge des fortschreitenden Leichtbaugedankens in der Automobilindustrie steigt die Nachfrage nach statistisch abgesicherten Materialkennwerten zur Auslegung und Dimensionierung hochbeanspruchter Fahrzeugkomponenten. Dabei ist insbesondere in der Serien- und Massenfertigung eine Gewährleistung geringer Ausfallwahrscheinlichkeiten von großer Relevanz, wobei eine genaue Kenntnis der Schwingfestigkeit und der zugrundeliegenden Streuung Voraussetzung ist. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Abschätzung der Schwingfestigkeit auf Basis des statistischen Größeneffekts präsentiert und anhand experimenteller Schwingfestigkeitsuntersuchungen validiert. Für die statistische Absicherung der nachfolgenden Versuche wurden im ersten Teil gängige Wöhlerlinien-Auswerteverfahren mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen auf ihre Treffsicherheit und Schätzgüte untersucht. Aus den Ergebnissen wurden sowohl Empfehlungen für die Anwendung der Verfahren, als auch statistisch begründete Streuspannen abgeleitet. Demnach ist für die Auswertung des Zeitfestigkeitsbereiches das Perlenschnurverfahren als vorrangige Methodik anzuwenden. Steht zur Bestimmung der Langzeitfestigkeit nur eine geringe Anzahl an Proben zur Verfügung und ist lediglich der Mittelwert von Interesse so zeigt das Arcsin-Wurzel(P)-Verfahren eine gute Anwendbarkeit. Soll neben dem Mittelwert auch die Streuung der Langzeitfestigkeit ausgewertet werden, so ist das Treppenstufenverfahren, mit einer Auswertung nach der IABG-Methode, zu bevorzugen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden anhand von zwei unterschiedlich langen Rundproben, bestehend aus einer gegossenen AlSi8Cu3-Legierung, Wöhlerversuche durchgeführt und die Ergebnisse im Hinblick auf den statistischen Größeneffekt bewertet. Die dazu notwendigen höchstbeanspruchten Volumina der beiden Probengeometrien wurden mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen evaluiert, wobei sich ein Größenverhältnis von etwa eins zu zehn ergab. Die statistische Auswertung der Versuchsergebnisse zeigt dabei einen signifikanten Einfluss der Größe des hochbeanspruchten Volumens auf die sich ergebende Schwingfestigkeit. Eine abschließende Berücksichtigung der Extremwertverteilung von den im gegossenen Grundmaterial auftretenden Poren bildet die Grundlage zur Ableitung zyklischer Materialkennwerte für geringe Ausfallwahrscheinlichkeiten im ppm-Bereich und dient als Basis zur sicheren und wirtschaftlichen Auslegung von Gußbauteilen im Automobilbau.

AB - Im Zuge des fortschreitenden Leichtbaugedankens in der Automobilindustrie steigt die Nachfrage nach statistisch abgesicherten Materialkennwerten zur Auslegung und Dimensionierung hochbeanspruchter Fahrzeugkomponenten. Dabei ist insbesondere in der Serien- und Massenfertigung eine Gewährleistung geringer Ausfallwahrscheinlichkeiten von großer Relevanz, wobei eine genaue Kenntnis der Schwingfestigkeit und der zugrundeliegenden Streuung Voraussetzung ist. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Abschätzung der Schwingfestigkeit auf Basis des statistischen Größeneffekts präsentiert und anhand experimenteller Schwingfestigkeitsuntersuchungen validiert. Für die statistische Absicherung der nachfolgenden Versuche wurden im ersten Teil gängige Wöhlerlinien-Auswerteverfahren mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen auf ihre Treffsicherheit und Schätzgüte untersucht. Aus den Ergebnissen wurden sowohl Empfehlungen für die Anwendung der Verfahren, als auch statistisch begründete Streuspannen abgeleitet. Demnach ist für die Auswertung des Zeitfestigkeitsbereiches das Perlenschnurverfahren als vorrangige Methodik anzuwenden. Steht zur Bestimmung der Langzeitfestigkeit nur eine geringe Anzahl an Proben zur Verfügung und ist lediglich der Mittelwert von Interesse so zeigt das Arcsin-Wurzel(P)-Verfahren eine gute Anwendbarkeit. Soll neben dem Mittelwert auch die Streuung der Langzeitfestigkeit ausgewertet werden, so ist das Treppenstufenverfahren, mit einer Auswertung nach der IABG-Methode, zu bevorzugen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden anhand von zwei unterschiedlich langen Rundproben, bestehend aus einer gegossenen AlSi8Cu3-Legierung, Wöhlerversuche durchgeführt und die Ergebnisse im Hinblick auf den statistischen Größeneffekt bewertet. Die dazu notwendigen höchstbeanspruchten Volumina der beiden Probengeometrien wurden mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen evaluiert, wobei sich ein Größenverhältnis von etwa eins zu zehn ergab. Die statistische Auswertung der Versuchsergebnisse zeigt dabei einen signifikanten Einfluss der Größe des hochbeanspruchten Volumens auf die sich ergebende Schwingfestigkeit. Eine abschließende Berücksichtigung der Extremwertverteilung von den im gegossenen Grundmaterial auftretenden Poren bildet die Grundlage zur Ableitung zyklischer Materialkennwerte für geringe Ausfallwahrscheinlichkeiten im ppm-Bereich und dient als Basis zur sicheren und wirtschaftlichen Auslegung von Gußbauteilen im Automobilbau.

KW - geringe Ausfallwahrscheinlichkeit

KW - Statistische Auswerteverfahren

KW - Extremwertverteilung

KW - Schwingfestigkeit

KW - statistischer Größeneffekt

KW - minor failure probabilities

KW - statistical size effect

KW - statistical evaluation procedures

KW - fatigue strength

KW - GEV

M3 - Masterarbeit

ER -