RICHTLINIE NICHTLINEAR | Buch

Rechnerischer Festigkeitsnachweis unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoffverformungsverhaltens
Für Bauteile aus Stahl, Stahlguss und Aluminiumknetlegierungen
ISBN 978-3-8163-0729-7
1. Auflage 2019
232 Seiten

Basis dieser Richtlinie ist der Abschlussbericht zum AiF-Vorhaben No. 17612 Rechnerischer Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoff-Verformungsverhaltens [9], der für diese Richtlinie nochmals deutlich erweitert wurde.

Die hier vorliegende FKM-Richtlinie nichtlinear wurde konzipiert für
-  klein- und mittelständische Unternehmen (KMU)
-  sowie größere Unternehmen
mit Anwendungsfeldern im allgemeinen Maschinenbau oder verwandten Themengebieten.

Die FKM-Richtlinie nichtlinear gliedert sich in
- den statischen Festigkeitsnachweis, Kapitel 1
- den Ermüdungsfestigkeitsnachweis, Kapitel 2
deren Geltungsbereiche den einzelnen Kapiteln entnommen werden können.
Im Vergleich zum Rechnerischen Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ kann
-  die statisch zulässige Grenzlast durch den hier vorliegenden statischen Festigkeitsnachweis teilweise maßgeblich erhöht werden.
-  durch die Berücksichtigung von elastisch-plastischem Materialverhalten im Ermüdungsfestigkeitsnachweis eine mechanismenorientierte Abschätzung der technischen Anrisslebensdauer erfolgen.
Der Ermüdungsfestigkeitsnachweis dieser Richtlinie kann auch dann angewendet werden, wenn der Nachweis der statischen Festigkeit nach dem Rechnerischen Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile erfolgte.

Inhalt

1   Statischer Festigkeitsnachweis

1.1 Allgemeines

1.2 Geltungsbereich

1.3 Bewertungskonzept

1.3.1 Beanspruchungsparameter

1.3.2 Versagenskriterium und Versagensgrenzkurve

1.3.2.1 Versagenskriterium

1.3.2.2 Versagensgrenzkurve

1.3.2.3 Konservative Abschätzung der Versagensgrenzkurve

121.4 Berechnungen

4.1 Notwendige Eingabedaten

1.4.2 Erstellen eines Finite-Elemente-Modells

1.4.3 Beschreibung des Werkstoffverhaltens

1.4.4 Technologischer Größeneinfluss

1.4.5 FE-Analysen

1.4.6 Bewertungsprinzip

1.4.6.1 Bewertung des Auslegungs-Zustands

1.4.6.2 Versagensbewertung

1.5Sicherheitsfaktoren

1.5.1 Allgemeines

1.5.2 Grund-Sicherheitsfaktoren

1.5.3 Teil-Sicherheitsfaktor für Gussbauteile

1.5.4 Teil-Sicherheitssummand für nichtduktile Gussbauteile

1.5.5 Gesamt-Sicherheitsfaktor für den Werkstoff

1.5.6 Sicherheitsfaktor für die Last

1.6 Nachweis

1.7 Beispiel: Festigkeitsbewertung für Lagerbock

2. Ermüdungsfestigkeitsnachweis

2.1 Allgemeines

2.2 Geltungsbereich

2.3 Aufbereitung der Betriebslastfolge

2.3.1 Definition des Nachweispunktes

2.3.2 Statistische Absicherung

2.3.2.1 Absicherung mit Standardabweichung sL

2.3.2.2 Absicherung mit Standardabweichung LSDs

2.3.2.3 Absicherung mit Pauschalwert bei unbekannter Streuung

2.3.3 Übertragungsfaktor c

2.3.4 Lastfolge L für den Ermüdungsnachweis

2.4 Schädigungsparameter PRAM  und PRAJ

2.5 Kommentare zur Nachweisführung mit PRAM

2.5.1 Das Örtliche Konzept

2.5.2 Zugfestigkeit für den Werkstoff im Bauteil

2.5.2.1 Experimentelle Ermittlung der Zugfestigkeit

2.5.2.2 Abschätzung aus Norm- oder Halbzeugwerten

2.5.3 Die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.5.3.1 Experimentelle Ermittlung

2.5.3.2 Rechnerische Abschätzung

2.5.4 Beschreibung des Werkstoffgedächtnisses .

2.5.5 Die Schädigungsparameterwöhlerlinie für den Werkstoff

2.5.5.1 Experimentelle Abschätzung

2.5.5.2 Rechnerische Abschätzung

2.5.6 Die Schädigungsparameterwöhlerlinie für das Bauteil

2.5.6.1 Berücksichtigung nichtlokaler Einflussgrößen auf die Bauteilschwingfestigkeit

2.5.6.2 Einfluss der Rauheit

2.5.6.3 Absicherung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.5.7 Kerbnäherungsverfahren

2.5.8 Die Betriebslastfolge

2.5.8.1 Der HCM-Algorithmus

 2.5.8.2 Klassierung

2.5.9 Der Schädigungsparameter PRAM .

2.5.10   Nachweise

2.5.10.1   Dauerfestigkeitsnachweis

2.5.10.2   Schadensakkumulationsrechnung

2.5.10.3   Betriebsfestigkeitsnachweis

2.6 Nachweisführung mit PRAM

2.6.1 Notwendige Eingabedaten

2.6.2 Aufbereitung der Lastfolge

2.6.3 Aufbereitung der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.6.4 Rechnerische Abschätzung der Werkstoff-Wöhlerlinie

2.6.5 Abschätzung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.6.5.1 Nichtlokale Einflussgrößen

2.6.5.2 Einfluss der Rauheit

.2.6.5.3 Absicherung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.6.5.4 Die Bauteil-Wöhlerlinie für die Nachweisführung

2.6.6 Das Kerbnäherungsverfahren nach Neuber .

2.6.7 Anwendung des Hysteresezählverfahrens Rainflow HCM

2.6.8 Anwendung der Schadensakkumulationsrechnung

2.6.8.1 Berechnung der Schädigungswirkung jedes Schwingspiels

2.6.9 Nachweis der Bauteillebensdauer

2.6.9.1 Dauerfestigkeitsnachweis

2.6.9.2 Berechnung der Bauteillebensdauer

2.6.9.3 Betriebsfestigkeitsnachweis

2.7 Berechnungsbeispiele PRAM

2.7.1 Akademisches Beispiel

2.7.1.1 Aufbereitung der Lastfolge

2.7.1.2 Aufbereitung der zykl. Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.7.1.3 Aufbereitung der Werkstoff-Wöhlerlinie

2.7.1.4 Aufbereitung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.7.1.5 Das Kerbnäherungsverfahren nach Neuber

2.7.1.6 Anwendung des Hysteresezählverfahrens Rainflow HCM

2.7.1.7 Anwendung des Schadensakkumulationsrechnung

2.7.2 Welle mit V-Kerbe

2.7.2.1 Aufbereitung der Lastfolge

2.7.2.2 Aufbereitung der zykl. Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.7.2.3 Aufbereitung der Werkstoff-Wöhlerlinie

2.7.2.4 Aufbereitung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.7.2.5 Das Kerbnäherungsverfahren nach Neuber

2.7.2.6 Anwendung des Hysteresezählverfahrens Rainflow HCM

2.7.2.7 Anwendung des Schadensakkumulationsrechnung

2.8 Kommentare zur Nachweisführung mit PRAJ

2.8.1 Das Örtliche Konzept

2.8.2 Zugfestigkeit für den Werkstoff im Bauteil

2.8.2.1 Experimentelle Ermittlung der Zugfestigkeit

2.8.2.2 Abschätzung aus Norm- oder Halbzeugwerten

2.8.3 Die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.8.3.1 Experimentelle Ermittlung

2.8.3.2 Rechnerische Abschätzung

2.8.4 Beschreibung des Werkstoffgedächtnisses .

2.8.5 Die Schädigungsparameterwöhlerlinie für den Werkstoff

2.8.5.1 Experimentelle Abschätzung

2.8.5.2 Rechnerische Abschätzung

2.8.6 Die Schädigungsparameterwöhlerlinie für das Bauteil

2.8.6.1 Berücksichtigung nichtlokaler Einflussgrößen auf die Bauteilschwingfestigkeit

2.8.6.2 Einfluss der Rauigkeit

2.8.6.3 Absicherung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.8.7 Kerbnäherungsverfahren

2.8.8 Die Betriebslastfolge

2.8.8.1 Der HCM-Algorithmus

2.8.8.2 Klassierung

2.8.9 Der Schädigungsparameter PRAJ

2.8.9.1 Berechnung der Rissöffnungsspannung σopen  

2.8.9.2 Berechnung der fiktiven einstufigen Rissöffnungsdehnung εopen,ein

2.8.9.3 Berechnung der Rissöffnungsdehnung εopen mit Vorgeschichte

2.8.9.4 Anpassung der Dauerfestigkeit PRAJ,D .

2.8.10   Nachweise

2.8.10.1   Dauerfestigkeitsnachweis

2.8.10.2   Schadensakkumulationsrechnung

2.9 Nachweisführung mit PRAJ

2.9.1 Notwendige Eingabedaten

2.9.2 Aufbereitung der Lastfolge

2.9.3 Aufbereitung der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.9.4 Rechnerische Abschätzung der Werkstoff-Wöhlerlinie

2.9.5 Abschätzung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.9.5.1 Nichtlokale Einflussgrößen

2.9.5.2 Einfluss der Rauheit

2.9.5.3 Absicherung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.9.5.4 Die Bauteil-Wöhlerlinie für die Nachweisführung

2.9.6 Das Kerbnäherungsverfahren nach Seeger / Beste .

2.9.7 Anwendung des Hysteresezählverfahrens Rainflow HCM

2.9.8 Anwendung der Schadensakkumulationsrechnung

2.9.8.1 Berechnung der Schädigungswirkung jedes Schwingspiels

2.9.8.2 Berechnung der Bauteillebensdauer

2.9.8.3 Dauerfestigkeitsnachweis

2.9.8.4 Betriebsfestigkeitsnachweis

2.10  Berechnungsbeispiele PRAJ

2.10.1   Akademisches Beispiel

2.10.1.1   Aufbereitung der Lastfolge

2.10.1.2   Aufbereitung der zykl. Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.10.1.3   Aufbereitung der Werkstoff-Wöhlerlinie

2.10.1.4   Aufbereitung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.10.1.5   Das Kerbnäherungsverfahren nach Seeger/Beste  

2.10.1.6   Anwendung des Hysteresezählverfahrens Rainflow HCM

2.10.1.7   Anwendung des Schadensakkumulationsrechnung

2.10.2   Welle mit V-Kerbe

2.10.2.1   Aufbereitung der Lastfolge

2.10.2.2   Aufbereitung der zykl. Spannungs-Dehnungs-Kurve

2.10.2.3   Aufbereitung der Werkstoff-Wöhlerlinie

2.10.2.4   Aufbereitung der Bauteil-Wöhlerlinie

2.10.2.5   Das Kerbnäherungsverfahren nach Seeger/Beste  

2.10.2.6   Anwendung des Hysteresezählverfahrens Rainflow HCM

2.10.2.7   Anwendung des Schadensakkumulationsrechnung .

3   Anhang - Betriebsfestigkeit   

3.1 Umsetzungsempfehlung für FE-Modelle

3.1.1 Bestimmung der Traglastformzahl Kp

3.1.2 Bestimmung  der  hochbeanspruchten  Oberfläche  mit  der  erweiterten  Methode SPIEL

3.2 Beispiele zur Validierung des HCM-Algorithmus .

3.2.1 Beispiel 1 mit Memory 1 und inneren Schleifen

3.2.1.1 1. Durchlauf

3.2.1.2 2. Durchlauf

3.2.2 Beispiel 2 mit Memory 1, 2 und 3 .

3.2.2.1 1. Durchlauf

3.2.2.2 2. Durchlauf

3.3 Matlabfunktion für die Maximum-Likelihood-Schätzung

3.4 Matrizen zu Berechnungsbeispielen PRAM

3.4.1 Akademisches Beispiel

3.4.2 Welle mit V-Kerbe

3.5 Matrizen zu Berechnungsbeispielen PRAJ

3.5.1 Akademisches Beispiel