Zur Ermittlung von zyklischen Werkstoffkennwerten und Schädigungsparameterwöhlerlinien

Wächter, Michael

Ermüdungsfestigkeitsnachweise für Bauteile unter schwingender Beanspruchung können beispielsweise mit dem sogenannten Örtlichen Konzept erbracht werden. Wie bei allen rechnerischen Festigkeitsnachweisen werden hierzu Kennwerte benötigt. Im Falle des Örtlichen Konzepts wird die Festigkeit durch die sogenannte Schädigungsparameterwöhlerlinie beschrieben, welche üblicherweise aus den zyklischen Werkstoffkennwerten – den Kennwerten der Dehnungswöhlerlinie und der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve – abgeleitet wird. In der vorliegenden Arbeit werden die Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und PJ nach Vormwald in Verbindung mit den Werkstoffgruppen Stahl und Aluminiumknetlegierungen betrachtet. Schädigungsparameterwöhlerlinien und zyklische Werkstoffkennwerte können entweder experimentell ermittelt oder aber rechnerisch abgeschätzt werden. Zur experimentellen Ermittlung werden dehnungsgeregelte Versuche an ungekerbten Werkstoffproben durchgeführt. Es wird untersucht, wie die Auswertung solcher Versuche zu erfolgen hat und welche Besonderheiten zu berücksichtigen sind, um möglichst treffsichere Ergebnisse zu erhalten. Hierzu wird eine umfangreiche Datenbasis mit Versuchsergebnissen aus der Literatur zusammengetragen, die eine Gütebewertung ermöglicht. Besteht die Möglichkeit der experimentellen Ermittlung nicht, so können die zyklischen Kennwerte ausgehend von quasistatischen Kennwerten abgeschätzt werden. In der Literatur existiert bereits eine große Anzahl von Schätzmethoden für zyklische Werkstoffkennwerte. Diese bekannten Methoden werden anhand der bereits erwähnten Datenbasis bewertet und eine neue Methode wird entwickelt, die eine verbesserte Treffsicherheit und einen gleichzeitig größeren Gültigkeitsbereich aufweist. Zusätzlich werden zum einen das Potenzial von Künstlichen neuronalen Netzen bei der Abschätzung zyklischer Kennwerte untersucht und zum anderen die Möglichkeit Schädigungsparameterwöhlerlinien direkt, ohne den Umweg über die zyklischen Werkstoffkennwerte, abzuschätzen. Sowohl für die experimentelle als auch für die rechnerische Schätzung von Schädigungsparameterwöhlerlinien werden Empfehlungen für die praktische Anwendung getroffen, wobei gleichzeitig die Treffsicherheit der empfohlenen Methode angegeben wird. Um die Ergebnisse der betrachteten Auswerte- und Schätzmethoden für praktische Festigkeitsnachweise verwenden zu können, wird weiterhin ein Konzept vorgestellt, mit dem sich die ermittelten Wöhlerlinien auf niedrige Ausfallwahrscheinlichkeiten umrechnen lassen. Hierbei wird die Streuung pauschal anhand von werkstoffgruppenspezifischen Faktoren berücksichtigt.

Fatigue assessments for components that are subjected to cyclic loads can be conducted by using the so called local concept or strain based concept. As is necessary for all strength assessments, material properties are needed also for the strain based concept. In this case the fatigue strength is characterized by SN curves (Woehler-curves) for damage parameters. These are usually obtained using the cyclic properties that describe the strain-life and the cyclic stressstrain curve. In this study the damage parameters according to Smith, Watson and Topper, PSWT, as well as the one according to Vormwald, PJ, are discussed in combination with the material groups steel and wrought aluminum alloys. S-N curves for damage parameters and cyclic properties can be determined by experiments or by estimation. For the determination by experiments straincontrolled tests on unnotched specimens are conducted. How to do the evaluation to obtain most accurate results and which peculiarities may arise during the evaluation is discussed in this work. Therefore a huge database with experimental results is gathered from literature. It allows to rate the different evaluation techniques concerning their accuracy. If experiments cannot be conducted, the cyclic properties can be estimated using quasi-static material properties, e.g. the tensile strength. A large number of estimation methods for this purpose already exist throughout the literature. These known methods can be rated concerning their accuracy using the already mentioned database and a new method with improved accuracy and an extended range of validity is developed. In addition, the potential of artificial neural networks for the estimation of cyclic properties and the possibility of estimating S-N curves for damage parameter directly, without the detour to the cyclic properties, is investigated. For the experimental determination as well as for the estimation of S-N curves for the damage parameters, practical advice is given, and the accuracy of the recommended methods is reported. To use the investigated evaluation and estimation techniques for fatigue assessments in practice, a concept is introduced of how to shift the determined S-N curves to small probabilities of failure. Therefore the scatter is considered using material group specific factors.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Wächter, Michael: Zur Ermittlung von zyklischen Werkstoffkennwerten und Schädigungsparameterwöhlerlinien. Clausthal 2016.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export