Konzept zur Lebensdauerabschätzung metallischer Bauteile unter nichtproportionaler Beanspruchung

Die betriebsfeste Auslegung von sicherheitsrelevanten Bauteilen ist von großer Bedeutung, nicht nur aus sicherheitstechnischer Sicht, sondern auch im Hinblick auf die Nachhaltigkeit. Durch eine solide Auslegung der Bauteile können Kosten eingespart werden. Darüber hinaus trägt die betriebsfeste Auslegung auch zur Einsparung von Rohstoffen und Energie bei. Dies führt zu einer nachhaltigeren Ressourcennutzung und reduziert den ökologischen Fußabdruck. Nicht zuletzt stellt die betriebsfeste Auslegung sicher, dass die Sicherheitsaspekte erfüllt werden. Durch die ganzheitliche Berücksichtigung der genannten Aspekte kann eine effiziente und nachhaltige Nutzung sicherheitsrelevanter Bauteile erreicht werden. Um dies zu gewährleisten, nutzen Ingenieure Richtlinien. Diese Richtlinien sind das Ergebnis neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse, die aufbereitet und anwendbar gemacht wurden. Ein großer Vorteil der Verwendung von Richtlinien liegt darin, dass die Bauteilauslegung bereits in frühen Entwicklungsstadien erfolgen kann. Dies spart nicht nur Zeit, sondern auch Kosten, da spätere Änderungen oder Nachbesserungen vermieden werden können. Zudem ermöglichen Richtlinien auch kleineren Unternehmen und Startups die Wettbewerbsfähigkeit. Da immer neue Erkenntnisse in der Forschung gewonnen werden, bedarf es einer kontinuierlichen Anpassung von bestehenden Richtlinien oder sogar einer Neuentwicklung von Richtlinien, wie beispielsweise der FKM-Richtlinie Nichtlinear. Diese neue Richtlinie ermöglicht eine Bauteilauslegung auf Basis des Örtlichen Konzepts und erschließt damit eine Auslegung im Kurzzeitfestigkeitsbereich. Bisher beschränkt sich der Anwendungsbereich jedoch auf einachsige und proportionale Beanspruchung. In dieser Arbeit wird deshalb ein Konzept entwickelt, das es ermöglicht nichtproportionale Beanspruchungen zu berücksichtigen. Im Fokus steht dabei die Anwendbarkeit und die Kompatibilität zur FKM-Richtlinie Nichtlinear. Da bei nichtproportionalen Beanspruchungen zusätzliche Werkstoffeffekte auftreten, wie beispielsweise die nichtproportionale Verfestigung, werden unterschiedliche Ansätze zur Berücksichtigung der Effekte analysiert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und Treffsicherheit bewertet. Das entwickelte Konzept wird anhand von eigens durchgeführten Versuchen sowie durch Versuche aus der Literatur evaluiert. Anhand dieser Datenbasis erfolgt die Tauglichkeitsprüfung des Sicherheitskonzeptes der FKM-Richtlinie Nichtlinear. Schließlich ist das Ergebnis dieser Arbeit ein Berechnungskonzept, das eine geeignete Erweiterung der FKM-Richtlinie Nichtlinear darstellt und es ermöglicht, Bauteile unter nichtproportionaler Beanspruchung abgesichert auszulegen.The fatigue design of safety-relevant components is of paramount importance, not only from a safety perspective but also in terms of sustainability. A robust component design can lead to cost savings. Additionally, it contributes to the conservation of raw materials and energy, promoting a more sustainable use of resources and reducing the ecological footprint. Crucially, the fatigue design ensures that safety requirements are met. By considering all these aspects holistically, an efficient and sustainable utilization of safetyrelevant components can be achieved. To accomplish this, engineers rely on guidelines. These guidelines are the outcome of new scientific research that has been processed and made applicable. A major advantage of using guidelines is the ability to conduct component design at an early stage of development, resulting in time and cost savings by minimizing the need for subsequent changes or rework. Furthermore, guidelines level the playing field, enabling smaller companies and start-ups to compete. As research constantly generates new knowledge, there is a continuous need for adapting existing guidelines or even developing new ones, such as the FKM-guideline nonlinear. This guideline allows for component design based on the strain-based concept, thereby expanding the design possibilities in the low cycle fatigue regime. However, its current scope is limited to uniaxial and proportional loading. In this study, a concept is developed to address non-proportional stresses, focusing on applicability and compatibility with the FKM-guideline nonlinear. Since non-proportional stresses introduce additional material effects, such as non-proportional hardening, various approaches for accounting for these effects are analyzed and evaluated in terms of their applicability and accuracy. The developed concept is evaluated based on tests conducted in this study, as well as tests from the literature. Using this database, the suitability of the safety concept outlined in the FKM-guideline nonlinear guideline is tested. Ultimately, the outcome of this study is a calculation concept that serves as a suitable extension of the FKM-guideline nonlinear, enabling the assessment of components under non-proportional stresses

Schwingfestigkeit randschichtverfestigter Bauteile und höchstfester Stähle

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur Berechnung der Schwingfestigkeit hoch- und höchstfester Stähle sowie randschichtverfestigter Bauteile entwickelt. Basierend auf umfangreichen experimentellen Untersuchungen verschiedener Werkstoffe wurden Methoden der FKM-Richtlinie Nichtlinear angepasst, um das zyklische Werkstoffverhalten von hoch- und höchstfesten Stählen auf Basis quasistatischer Werkstoffkennwerte abzuschätzen. Hierbei wurden Berechnungsverfahren erweitert, die die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve, die Mittelspannungsempfindlichkeit sowie Schädigungsparameterwöhlerlinien auf Basis der Zugfestigkeit bestimmen können. Des Weiteren wurden Berechnungsverfahren erarbeitet, um einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis auf Basis des Örtlichen Konzepts für randschichtverfestigte Bauteile zu ermöglichen. Da bei randschichtverfestigten Bauteilen das Versagen aufgrund der inhomogenen Materialeigenschaften und der vorliegenden Eigenspannungen sowohl vom Kerbgrund als auch vom Übergangsbereich zwischen niedrigfestem Kernmaterial und hochfester Randschicht ausgehen kann, wurden Anpassungen am in der FKM-Richtlinie Nichtlinear enthaltenen Ermüdungsfestigkeitsnachweises vorgenommen. Hierbei wurden die Algorithmen des Örtlichen Konzepts um einen sogenannten Zweipunkt-Nachweis und die Erfassung von Eigenspannungen erweitert. Dazu wurde ebenfalls ein Näherungsverfahren zur Abschätzung der elastisch-plastischen Beanspruchungen an beiden Nachweispunkten entwickelt

Festigkeitsberechnung von Wellen und Achsen unter dem Einfluss von Größe, Kerbschärfe und Maximallast

Wellen und Achsen im Bereich der Antriebstechnik erfahren in den überwiegenden Anwendungen zyklische Beanspruchungen. Folglich ist für die Festigkeitsberechnung im Nennspannungskonzept eine möglichst exakte Kenntnis der Bauteilwöhlerlinie von zentraler Bedeutung. Halbzeug-Größe, Spannungsformzahl und die statischen Maximallasten beeinflussen neben weiteren Faktoren die Charakteristik der Wöhlerlinie bzw. die Dauerfestigkeit. Im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Norm DIN 743 gilt diesen Größen der Fokus. Die vorliegende Arbeit betrachtet die Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit basierend auf dem technologischen Größeneinflussfaktor sowie der Makrohärte und deren Übertragbarkeit auf große Bauteildimensionen. In dem Zusammenhang wird der technologische Größeneinflussfaktor für Durchmesser bis 700 mm anhand einer numerisch-analytischen Simulation ermittelt und zudem mit Härtemessungen validiert. Ferner wird auf Grundlage von Treppenstufenversuchen die Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit aus der Härte für große Halbzeugdimensionen betrachtet. Neben dem technologischen Größeneinflussfaktor abhängig von der Härtbarkeit liegen als Ergebnisse Zusammenhänge zur Abschätzung der Zug-Druck-Wechselfestigkeit aus der Härte für große Halbzeuge vor. Darüber hinaus wird mit experimentellen Untersuchungen die Wöhlerlinie im Zeitfestigkeitsbereich analysiert. Basierend darauf werden der Wöhlerexponent sowie die Knick-Schwingspielzahl zur Dauerdauerfestigkeit in Abhängigkeit von der Formzahl abgeleitet. Abschließend widmet sich die Arbeit den Auswirkungen von statischen Maximallasten auf die Dauerfestigkeit. Dazu werden die lokalen elastisch-plastischen Beanspruchungen infolge von Maximallasten mit dem Örtlichen Konzept erfasst und in Treppenstufenversuchen die Dauerfestigkeit mit zusätzlicher Maximallast betrachtet. Ausgehend davon wird ein Konzept zur Abschätzung der lokalen Beanspruchungen sowie der lokalen Dauerfestigkeit bei Berücksichtigung des Einflusses der Maximallasten vorgestellt.Shafts and axles of drive systems are stressed by cyclic loads in most applications. Therefore, an accurate calculation of the S-N-curve is fundamental for the system’s strength assessment based on nominal stresses. Component size, the stress concentration factor, and static loads influence the behavior of the S-N-curve and the fatigue strength, among others. In the context of a further development of the standard DIN 743, the scope is these values. This thesis focuses on the estimation of the fatigue strength for tension/compression based on the technological size factor as well as the macro hardness and their transferability to larger component sizes. In this context the technological size factor is determined by a numeric-analytical simulation for diameters up to 700 mm and is also validated with hardness measurements. Furthermore, the estimation of the fatigue strength for larger component sizes based on the hardness is supported by fatigue tests. In addition to the technological size factor depending on the hardenability, the results are obtained by an estimation approach for large components between the fatigue strength for tension/compression and the hardness. In the next step, the S-N-curve is analyzed with experimental investigations for the finite life area. Based on this, the slope of the S-N-curve (“Woehler slope”) and the knee point for the endurance limit depending on the stress concentration factor are determined. Finally, the thesis deals with the impact of static loads on fatigue strength. For this purpose, the local elastic-plastic stress-strain behavior due to static loads is calculated with the strain life assessment (local concept) and the fatigue strength influenced by static loads is analyzed as well. Based on this, an approach for the estimation of local stress-strain behavior and for the fatigue strength considering the static loads are proposed

Zur rechnerischen Bauteil-Ermüdungsfestikeit unter dem besonderen Aspekt der Schweißnahtnachbearbeitung

Der Widerstand ungeschweißter und insbesondere geschweißter Bauteilbereiche gegen Ermüdungsschädigung erweist sich in Theorie und Praxis als ein komplexes Problem, für das methodisch und experimentell abgesicherte Auslegungsgrundlagen von exponierter Bedeutung im Sinne der technischen Anwendung sind. Die aus den ablaufenden Schädigungsprozessen ableitbare und sich mit der praktischen Erfahrung deckende Erkenntnis der Lebensdauersteigerung durch gezielte und in ihrer fertigungstechnischen Ausführung qualitativ abgesicherte Verfahren der Schweißnahtnachbehandlung kann dabei zu einem bestimmenden Moment der Bauteilauslegung werden. Ins Zentrum der Betrachtungen rücken hierbei insbesondere hochbeanspruchte Problemnähte einer technischen Konstruktion. Schädigungsprozessnahe Ansätze der rechnerischen Lebensdauerabschätzung erfordern insbesondere die Berücksichtigung der konstruktiven Bauteilfeingestalt, der zum Einsatz kommenden Konstruktionswerkstoffe und des im realen Komponentenbetrieb auftretenden äußeren Lastspektrums. Das zahlreichen Einflussgrößen unterliegende Ermüdungsgeschehen erfordert zudem eine fundierte Konzeptauswahl für klar abgegrenzte Teilgebiete. In diesem Zusammenhang ist insbesondere auf das anzuwendende Auslegungskriterium (z.B. Technischer Anriss oder Bruch) und die Kategorisierung bezüglich ungeschweißter und geschweißter Strukturen mit besonderem Blick auf die Schweißnahtnachbearbeitung zu achten. Die Forderung nach detaillierter rechnerischer Lebensdauerabschätzung ist mit dem Einsatz lokaler Konzepte basierend auf Struktur- bzw. Kerbbeanspruchungen verknüpft. Hierbei stellt die numerische Beanspruchungsanalyse z.B. auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) einen wesentlichen Modul dar. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte Methode der Konzeptkonformen Schweißnahtmodellierung zielt auf die Schaffung von Handlungssicherheit in diesem Bereich ab. Hiermit lässt sich u.a. der Ermüdungsfestigkeitsnachweis nachbearbeiteter Schweißverbindungen nach Örtlichem Konzept empfehlen. Für den speziellen Bereich der nichtnachbearbeiteten Nähte wird eine neue Verfahrensvariante des Strukturspannungskonzeptes vorgestellt, die bei annehmbarem Modellierungsaufwand den Aussagegehalt des Nachweises erhöht