Festigkeitsnachweis mehrkanalig nichtproportionale Lasten

Erweiterung des Ermüdungsfestigkeitsnachweises der FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis zur Anwendung auf mehrkanalig nichtproportionale Lasten

2024, 109 Seiten

Vorhaben Nr. 618
Abschlussbericht
Kurzfassung:
Im Verlauf des Forschungsvorhabens sind Erweiterungen des Algorithmus der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“ (Ausgabe 7 von 2020) entwickelt worden. Im Fokus steht der Ermüdungsfestigkeitsnachweis.
Dort werden zwei Unzulänglichkeiten am bestehenden Algorithmus identifiziert: Erstens sind die Berechnungsergebnisse nicht koordinateninvariant, d.h. sie hängen von der Wahl des Koordinatensystems für die Auswertung der örtlichen Spannungen ab. Zweitens können bisher mehrachsig-nichtproportionale Beanspruchungen in ihrer Wirkung nur durch konservative Abschätzungen berücksichtigt werden, da der Phasenbezug zwischen den einzelnen Beanspruchungen nicht berücksichtigt wird. Um Verbesserungspotenzial aufzuzeigen, wird das Ausmaß von Koordinatenvarianz und die Konservativität der Bewertung nichtproportionaler Beanspruchungen im Rahmen des Projekts analysiert.
Basierend darauf werden zwei Vorschläge für einen verbesserten Algorithmus entwickelt. Hierzu werden Vergleichsspannungen eingeführt, mit denen der zeitliche Verlauf des Spannungstensors in den Verlauf einer skalaren Vergleichsgröße überführt wird. Diese Vergleichsgrößen sind einerseits eine modifizierte Form der skalierten Normalspannung und andererseits eine modifizierte Form des Findley-Parameters.
Um die in der aktuellen FKM-Richtlinie enthaltenen Unterschiede in der Bewertung von Normal- und Schubbeanspruchung (beispielsweise unterschiedliche Wöhlerlinienneigungen) weiterhin berücksichtigen zu können, werden die Festigkeitskennwerte in Abhängigkeit von der Spannungsmehrachsigkeit angepasst. Zur Berücksichtigung nichtproportionaler Beanspruchungen wird das Verfahren der kritischen Schnittebene für beide Vergleichsspannungen eingeführt. Außerdem wird ein Vorschlag entwickelt, wie Stützzahlen bei nichtproportionaler Beanspruchung zu berechnen sind.
Abschließend wird die Treffsicherheit der neuen Algorithmen nachgewiesen. Die Treffsicherheit des bisherigen Algorithmus kann für proportionale Beanspruchungen mit einem der neu entwickelten Vorgehensweisen nahezu unverändert reproduziert werden; die Koordinateninvarianz ist jedoch hergestellt.
Für nichtproportionale Beanspruchungen ergibt sich mit der neuen Vorgehensweise eine ähnlich gute Genauigkeit wie für proportionale Beanspruchungen. Letzteres stellt eine deutliche Verbesserung zur aktuellen Ausgabe der Richtlinie dar.
Mit dem Vorhaben wird somit eine wesentliche Verbesserung der Anwendbarkeit der FKM-Richtlinie erreicht. Die neuen Algorithmen übertreffen die bisher existierenden in hohem Maße bezüglich der Robustheit und Treffsicherheit. Insbesondere beim Nachweis mehrachsig nichtproportionaler Beanspruchungen wurde erhebliches zusätzliches Potential bei der Bauteilauslegung zugänglich gemacht.