Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

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

Die rechnerische Abschätzung und damit der Nachweis der Lebensdauer von schwingend beanspruchten Bauteilen ist eine der Kernaufgaben von Ingenieuren. Für den Fall einachsiger bzw. mehrachsig proportionaler Beanspruchung existiert hierfür ein abgesicherter und anerkannter Quasistandard: Die FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“.

Auch Bauteile, die nichtproportionalen Beanspruchungen ausgesetzt sind, lassen sich mit der FKM-Richtlinie nachweisen. Die für diesen Fall geltenden Berechnungsvorschriften behandeln den nichtproportionalen Fall jedoch mithilfe einfacher unbefriedigend konservativer Betrachtungen basierend auf dem Vorgehen für proportionale Beanspruchungen. Hierbei wird nicht auf die im konkreten Fall vorliegende Nichtproportionalität des Spannungszustands eingegangen.

Weiterhin zeigt die FKM-Richtlinie bei der Verwendung mit Spannungen, die mit linear-elastischen Finite-Elemente-Analysen bestimmt werden (Nachweis mit örtlichen Spannungen), Schwächen, die jüngst von immer mehr Anwendern bemängelt werden.

Ziel des hier beantragten Projektes ist es, den Algorithmus der FKM-Richtlinie so anzupassen, dass die o.g. Schwächen beseitigt werden. Hierdurch wird es vor allem für die Hauptanwendergruppe der Richtlinie, die KMU, einfacher und damit wirtschaftlicher die Richtlinie anzuwenden. Zum anderen wird den KMU die rein rechnerische Bauteilauslegung gegen Ermüdungsversagen der Gruppe nichtproportional beanspruchter Bauteile überhaupt erst wirtschaftlich sinnvoll zugänglich. Die genannte Bauteilgruppe stellt tatsächlich aber den allgemeinen Fall aller Bauteile dar – proportional beanspruchte Bauteile sind ein Sonderfall.

Ergebnis dieses Projekts wird neben einem neuen „Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen“ für die FKM-Richtlinie auch ein direkt anwendbares Matlab-Berechnungsskript sein. In Kombination ermöglicht dies einen direkten Ergebnistransfer in die Wirtschaft und somit die zeitnahe Anwendung der entwickelten Verfahren für KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zwei wesentliche Probleme des Ermüdungsfestigkeitsnachweises der FKM-Richtlinie "Rechnerischer Festigkeitsnachweis" identifiziert: Erstens sind die Berechnungsergebnisse nicht koordinateninvariant und zweitens können mehrachsig nichtproportionale Beanspruchungen nur durch konservative Abschätzungen berücksichtigt werden. Die Einflüsse auf die Güte der Berechnungsergebnisse wurde hierbei umfangreich dargestellt.

Basierend auf den Erkenntnissen wurden Algorithmen entwickelt, die es ermöglichen einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis koordinateninvariant und für mehrachsig nichtproportional beanspruchte Bauteile durchzuführen. Diese Algorithmen wurden dabei so aufbereitet, dass Sie nahtlos in die FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeit Nachweis integriert werden können.

Zur Validierung der Algorithmen wurden Versuche an dem Eisengusswerkstoff mit Kugelgraphit EN-GJS-700-3 und dem Baustahl S355 durchgeführt. Die Schwingversuche wurden an gekerbten, bauteilähnlichen Proben unter proportional und nichtproportional überlagerter Normal- und Schubbeanspruchung durchgeführt. Zusammen mit Versuchsergebnissen aus der Literatur bilden diese die Datenbank, die zur Treffsicherheitsbewertung der Algorithmen herangezogen wurde. Außerdem wurde die Datenbank Betriebsfestigkeit (DaBef) zur Treffsicherheitsbewertung bei proportionaler Beanspruchung aufbereitet und verwendet.

Die im Vorhaben entwickelten Algorithmen wurden anhand der in der Datenbank zusammengestellten Ergebnisse validiert. Die Algorithmen wurden in Programmcode umgesetzt, für den eine aktive Weitergabe an die Industrieunternehmen geplant ist. Die erzielten Ergebnisse können damit unmittelbar von interessierten KMU im Rahmen der Bauteilauslegung und Konstruktion angewendet werden.

Die neuen Algorithmen sind deutlich robuster und geben damit insbesondere KMU eine höhere Sicherheit bei der Verwendung der FKM-Richtlinie in der Bauteilauslegung.