DE10208144B4 - Method for calculating the life of non-proportionally stressed components - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Berechnung der Lebensdauer nichtproportional beanspruchter Bauteile mittels eines Computers mit folgenden Schritten: a) für eine gegebene Bauteilgeometrie (30) wird ein Finite-Elemente-Modell erstellt, welches ein Anzahl von finiten Elementen (32) und an deren Ecken Knoten besitzt; b) aus den äusseren Kräften werden die Randbedingungen für die betroffenen finiten Elemente (32) definiert; c) für einen bestimmten Knoten und für einen bestimmten vorgegebenen Belastungs-Zeitverlauf wird für jedes finite Element ein Spannungs-Zeitverlauf oder Dehnungs-Zeitverlauf ermittelt, der ein zeitvariabler Spannungstensoroder Dehnungstensor ist; d) erster Teilschritt der Ermittlung der Lebensdauer: in jedem Knoten wird eine Ebenenschar von Schnittebenen (Ni) gelegt; e) zweiter Teilschritt der Ermittlung der Lebensdauer: der Spannungstensorin jeder Schnittebene (Ni) der Schar von Schnittebenen (Ni) wird in einen zeitvariablen Spannungsvektortransformiert; f) dritter Teilschritt der Ermittlung der Lebensdauer: aus dem zeitvariablen Spannungsvektorjeder Schnittebene wird eine Lebensdauer bestimmt und mit der Lebensdauer der anderen Schnittebenen des finiten...Method for calculating the lifetime of non-proportionally stressed components by means of a computer, comprising the following steps: a) for a given component geometry (30), a finite element model is created which has a number of finite elements (32) and nodes at their corners; b) the external forces define the boundary conditions for the finite elements concerned (32); c) for a given node and for a given given load time history, a finite time or strain time lapse is determined for each finite element which is a time varying stress tensor or strain tensor; d) first sub-step of determining the lifetime: in each node, a set of planes of cutting planes (Ni) is laid; e) second sub-step of determining the lifetime: the stress tensor of each cutting plane (Ni) of the family of cutting planes (Ni) is transformed into a time-varying voltage vector; f) third sub-step of the determination of the lifetime: from the time-variable voltage vector of each cutting plane, a lifetime is determined and with the life of the other cutting planes of finite ...
Description
1. Einleitung1 Introduction
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung der Lebensdauer nichtproportional beanspruchter Bauteile mit den im Oberbegriff des unabhängigen Anspruches angegebenen Schritten. Unter nichtproportionaler Beanspruchung ist die Belastung durch zeitvariable Kräfte zu verstehen, deren Komponenten verschiedene Zeitverläufe haben. Von (lokaler) Bauteilgeometrie ist die Rede, wenn nicht ein ganzes Bauteil, sondern nur eine als sensibel erkannte Region eines Bauteiles untersucht wird.The invention relates to a method for calculating the life of non-proportionally stressed components with the steps specified in the preamble of the independent claim. Non-proportional stress refers to the load due to time-variable forces whose components have different time courses. Of (local) component geometry is the speech, if not an entire component, but only one recognized as sensitive region of a component is examined.
Die heutige Entwicklung von Fahrzeugen und deren Komponenten kommt nicht mehr ohne Hilfe von numerischen Simulationen am Computer aus. Dabei begnügt man sich nicht mehr mit der Zerlegung des zu untersuchenden Bauteiles in finite Elemente (im folgenden „FE” genannt) zur statischen Berechnung, sondern führt in der Folge eine Berechnung der Lebendauer von Bauteilen aus. Eine zuverlässige numerische Abschätzung der Lebensdauer kann einige Versuchsschleifen einsparen und somit Entwicklungszeit und Entwicklungskosten erheblich senken, was im Wettbewerb einen ausschlaggebenden Faktor darstellt.Today's development of vehicles and their components is no longer possible without the help of numerical simulations on the computer. In this case, one no longer settles for the static calculation with the decomposition of the component to be examined into finite elements (hereinafter referred to as "FE"), but instead carries out a calculation of the service life of components. Reliable numerical lifetime estimation can save some trial loops, significantly reducing development time and development costs, which is a key factor in the competition.
Die Lebensdauerberechnung ist aber noch mit so großen Unsicherheiten behaftet, dass man noch weit vom völligen Verzicht auf Versuche entfernt ist. Gerade die Vielzahl von unterschiedlichen Faktoren, welche die Lebensdauer im Positiven wie im Negativen beeinflussen, machen die Betriebsfestigkeit zu einem äußerst komplexen Thema. Dementsprechend vielfältig sind auch die angebotenen Berechnungsverfahren, welche jedoch alle nur innerhalb enger Grenzen einigermaßen zuverlässig sind.However, the lifetime calculation is still fraught with such great uncertainties that one is still far from the complete renunciation of attempts. It is precisely the multiplicity of different factors which influence the service life in terms of the positive as well as the negative that make operational stability an extremely complex topic. The calculation methods offered are correspondingly diverse, but they are all reasonably reliable only within narrow limits.
Aus Döring, R., u. a.: ”Untersuchungen zum Kurzrissfortschrittskonzept unter mehrachsig nichtproportionaler Beanspruchung” in: Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e. V., DFG-Kolloquium 2000 ”Lebensdauervorhersage”, S. 81–96, ist ein Konzept der kritischen Schnittebene bekannt, bei dem eine Werkstoffschädigung mit der Länge eines als versagenskritisch angesehenen Oberflächenrisses korreliert wird. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Hauptspannungsachsen und damit die kritische Ebene unter nichtproportionaler Beanspruchung in der Regel zeitlich veränderlich sind. Die kritische Schnittebene wird iterativ ermittelt, wobei als kritische Schnittebene letztlich diejenige mit der kürzesten Lebensdauer bzw. der höchsten Rissfortschrittsgeschwindigkeit angesehen wird.From Döring, R., u. a .: "Investigations on short-crack progress concept under multi-axial non-proportional loading" in: German Association for Materials Research and Testing e. V., DFG Colloquium 2000 "Lifetime Prediction", pp. 81-96, a concept of the critical cutting plane is known, in which a material damage with the length of a surface crack considered to be critical is correlated. Here it is assumed that the principal stress axes and thus the critical plane under non-proportional stress are usually temporally variable. The critical cutting plane is determined iteratively, whereby the critical cutting plane is ultimately considered to be the one with the shortest lifetime or the highest crack propagation velocity.
Auch aus Döring, Ralph, u. a.: ”Materialermüdung bei nichtproportionaler Schwingbeanspruchung” in: Thesis wiss. Zeitschrift der Bauhaus-Universität Weimar, Heft 3, 2000, S. 102–113, ist es bekannt, die Materialermüdung durch ein Berechnungsmodell für die Lebensdauervorhersage auf bruchmechanischer Basis zu erfassen, welches das Wachstum kurzer Risse bis zur technischen Anrisslänge beschreibt.Also from Döring, Ralph, u. a: "Material fatigue at non-proportional vibrational stress" in: Thesis wiss Journal of the Bauhaus University Weimar,
Die
2. Grundlagen2. Basics
2.1 Das Rainflow-Zählverfahren (Fig. 1)2.1 The Rainflow Counting Method (Fig. 1)
Die dynamische Belastung eines Bauteils führt zu Materialermüdung, d. h. das Bauteil wird lokal „geschädigt”. Überschreitet diese Schädigung einen gewissen Grenzwert, kann es in der Folge zur Rissbildung und damit zum Bruch („Versagen”) des Bauteils kommen. Die Anzahl von Lastzyklen, die ein Bauteil bis zum Versagen erträgt, wird „Lebensdauer” des Bauteils genannt. Die „Gesamtschädigung” des Bauteils ist definiert als der Kehrwert der Lebensdauer. Jeder Lastzyklus erzeugt eine „Teilschädigung”, welche in Summe die Gesamtschädigung ergeben (lineare Schadensakkumulation nach Palmgren/Miner).The dynamic loading of a component leads to material fatigue, d. H. the component is "damaged" locally. If this damage exceeds a certain limit, cracking and thus breakage ("failure") of the component can occur as a consequence. The number of load cycles that a component endures until failure is called the "life" of the component. The "total damage" of the component is defined as the reciprocal of the lifetime. Each load cycle generates a "partial damage", which in total results in the total damage (linear damage accumulation according to Palmgren / Miner).
Jeder dynamische Lastzyklus besteht aus einer Be- und Entlastungsphase des Bauteils. Lokal am Bauteil bedeutet das, dass sich geschlossene Schleifen im Spannungs-Dehnungsdiagramm bilden, sogenannte „Hysteresen”. Solche geschlossene Hystereseschleifen haben sich in der Betriebsfestigkeit als schädigungsrelevant erwiesen. Sie werden durch Amplitudenwert, Mittelwert und Häufigkeit ihres Auftretens charakterisiert. Mit Hilfe des Rainflow-Zählverfahrens können bei willkürlichen Belastungsverläufen diese Hysteresen aus einem Spannungs- oder Dehnungszeitverlauf bestimmt und in einer für die Lebensdauerberechnung optimalen Form abgespeichert werden (Rainflow-Matrix). Bei einfacheren periodischen Belastungsverläufen kann man sich mit einer konventionellen Zählung begnügen.Each dynamic load cycle consists of a loading and unloading phase of the component. Locally on the component, this means that closed loops form in the stress-strain diagram, so-called "hystereses". Such closed hysteresis loops have proven to be relevant to the damage in terms of fatigue strength. They are characterized by amplitude value, mean and frequency of their occurrence. With the aid of the rainflow counting method, these hystereses can be determined from a stress or strain time curve for arbitrary load profiles and optimized for the lifetime calculation Form are saved (rainflow matrix). With simpler periodic load curves one can be content with a conventional counting.
Das Rainflow-Zählverfahren wurde zur Bewertung einachsiger Spannungs- oder Dehnungszustände entwickelt. Sind lokale Spannung (Dehnung) und äußere Belastung proportional zueinander (elastischer Bereich), so kann die Rainflow-Zählung auch für die äußere Belastung (Kraft, Moment) angewendet werden. Wichtig ist, dass das Rainflow-Zählverfahren nur auf skalare Größen anwendbar ist (z. B. einachsige Spannung, Dehnung, äußere Belastung), nicht jedoch auf Vektoren oder Tensoren. Mehrachsige Spannungszustände mit Komponenten verschiedenen Zeilverlaufes führen bei dem gattungsgemäßen Verfahren aus dem Geltungsbereich hinaus.Rainflow counting has been developed to evaluate uniaxial stress or strain conditions. If local stress (strain) and external stress are proportional to each other (elastic range), the Rainflow count can also be applied to the external load (force, moment). Importantly, the Rainflow counting method applies only to scalar quantities (eg uniaxial strain, strain, external stress), but not to vectors or tensors. Multi-axis stress states with components of different line progression lead out of the scope in the generic method.
2.2 Die Wöhler-Kurve (Fig. 2)2.2 The Wöhler curve (Fig. 2)
Grundlage fast jeder Betriebsfestigkeitsberechnung sind sogenannte „Wöhler”-Kurven, welche an einfachen, meist zylindrischen Proben aufgenommen sind. Die Probe wird dabei einer dynamischen Belastung konstanter Amplitude ausgesetzt (Einstufenlast) und die zugehörige ertragbare Lastwechselzahl für verschiedene Lasthorizonte wird in ein Diagramm eingetragen. So entsteht das „Wöhler” Diagramm.The basis of almost every fatigue life calculation are so-called "Wöhler" curves, which are recorded on simple, mostly cylindrical samples. The sample is subjected to a dynamic load of constant amplitude (one-step load) and the associated sustainable load change number for different load horizons is entered in a diagram. This is how the "Wöhler" diagram is created.
2.3 Das Haigh-Diagramm (Fig. 3)2.3 The Haigh Diagram (FIG. 3)
Neben der Beanspruchungshöhe (Spannungsamplitude) gibt es eine Reihe weiterer Einflussfaktoren auf das Festigkeitsverhalten eines Bauteils. Ein besonders wichtiger ist der Mittelwert eines Lastzyklus, die sogenannte Mittelspannung, welche der Spannungsamplitude überlagert ist. Liegt eine positive, also Zugmittelspannung vor, so wird die Dauerfestigkeit herabgesetzt. Liegt eine negative, also Druckmittelspannung vor, so hat dies meist einen günstigen Einfluss auf die Lebensdauer. Die Dauerfestigkeit verschiebt sich dadurch nach oben. Der Zusammenhang zwischen Mittelspannung und Dauerfestigkeit kann in einem Haigh-Diagramm veranschaulicht werden.In addition to the stress level (stress amplitude), there are a number of other factors influencing the strength behavior of a component. A particularly important is the mean value of a load cycle, the so-called medium voltage, which is superimposed on the voltage amplitude. If there is a positive, ie tensile medium stress, the fatigue strength is reduced. If there is a negative, ie pressure medium, this usually has a favorable influence on the service life. The fatigue strength shifts upwards. The relationship between medium voltage and fatigue strength can be illustrated in a Haigh diagram.
Weitere wesentliche Einflussfaktoren sind die Art der Belastung und die Eigenschaften des Materials. Wird etwa ein Rundstab auf Torsion belastet, so wird sich bei duktilen Werkstoffen (z. B. Stahl) eine wesentlich geringere Dauerfestigkeit (ca. 1/√3) als bei reiner Zug/Druckbeanspruchung ergeben. Bei spröden Werkstoffen (z. B. Grauguss) dagegen sind die Dauerfestigkeiten ungefähr gleich groß. Das Verhältnis Zug/Druck- zu Torsionswechselfestigkeit ist also ein Maß für die Duktilität eines Werkstoffs.Other significant influencing factors are the type of load and the properties of the material. For example, if a round bar is subjected to torsion, ductile materials (eg steel) will have a much lower fatigue strength (about 1 / √3) than with pure tensile / compressive stress. In the case of brittle materials (eg gray cast iron), however, the fatigue strengths are approximately the same. The ratio of tensile / compression to torsional fatigue strength is therefore a measure of the ductility of a material.
Mit der Belastungsart ändert sich nicht nur die Dauerfestigkeit, sondern auch Größe und Form des Haigh-Diagramms. Bei axialer Belastung kann zwischen Zug- und Druckbeanspruchung unterschieden werden, woraus sich die unsymmetrische Form des Haigh-Diagramms ergibt. Bei reiner Torsionsbelastung ist das nicht möglich. In diesem Fall muss somit das Haigh-Diagramm symmetrisch zur Ordinate sein.Not only the fatigue strength changes, but also the size and shape of the Haigh diagram. Under axial load can be distinguished between tensile and compressive stress, resulting in the asymmetrical shape of the Haigh diagram. With pure torsional load this is not possible. In this case, therefore, the Haigh diagram must be symmetric to the ordinate.
2.4 Klassische Schädigungshypothesen2.4 Classical damage hypotheses
Bei einfachen Probenformen liegt meist ein einachsiger Spannungszustand vor. Dementsprechend einfach gestaltet sich die Lebensdauervorhersage bei Kenntnis der Wöhlerkurve. Bei gekerbten Proben oder gar komplexen Bauteilen wird sich im allgemeinen ein mehrachsiger Spannungszustand einstellen. An unbelasteten Bauteiloberflächen und in Schalenstrukturen handelt es sich meist um einen ebenen, also zweiachsigen Spannungszustand, im Bauteilinneren jedoch um räumliche, also dreiachsige Spannungszustände.In simple sample forms usually a uniaxial stress state is present. Accordingly, the life prediction with simple knowledge of the Wöhler curve. In the case of notched samples or even complex components, a multiaxial stress state will generally be established. Unloaded component surfaces and shell structures are usually a flat, ie biaxial, stress state, but in the interior of the component they are spatial, ie three-axis, stress states.
Will man die klassischen Konzepte der Wöhlerkurve und des Haigh-Diagramms zur Lebensdauervorhersage beibehalten, so muss der mehrachsige Spannungszustand in eine schädigungsäquivalente Vergleichsspannung überführt werden, denn Wöhlerkurve und Haigh-Diagramm wurden ja bei lokal einachsiger Beanspruchung aufgenommen. Je nach Werkstoffart haben sich dabei verschiedene Schädigungshypothesen etabliert. So wird bei duktilen Werkstoffen meist die Gestaltänderungsenergiehypothese angewandt, welche die Verwendung der Von Mises-Spannung als Vergleichsspannung vorschreibt. Bei spröden Werkstoffen dagegen hat sich die Hypothese der maximalen Hauptnormalspannung bewährt.If one wishes to retain the classical concepts of the Wöhler curve and the Haigh diagram for lifetime prediction, then the multiaxial stress state has to be converted into a damage equivalent equivalent stress, since Wöhler curve and Haigh diagram were indeed taken with locally uniaxial stress. Depending on the type of material, various damage hypotheses have been established. For example, in ductile materials, the shape change energy hypothesis is usually applied, which prescribes the use of Von Mises stress as the reference stress. In the case of brittle materials, on the other hand, the hypothesis of the maximum main normal stress has proved itself.
Alle diese Hypothesen setzen voraus, dass die Hauptspannungsrichtungen konstant, also zeitlich unveränderlich sind. Das ist der Fall, wenn alle äußeren Lasten (Kräfte, Momente) proportional zueinander sind. Wenn äußere Lasten nicht proportional zueinander sind, also wenn etwa mehrere unkorrelierte Kräfte auf verschiedenen Kraftangriffspunkten wirken, kommt es lokal zu Drehungen der Hauptspannungsrichtungen. Die Anwendung der klassischer Schädigungshypothesen, ist dann nicht mehr zulässig. Andere Verfahren, welche auch die Richtungsänderungen der Hauptnormalspannungen in Betracht ziehen, müssen herangezogen werden.All these hypotheses assume that the principal directions of tension are constant, that is, they are fixed in time. This is the case when all external loads (forces, moments) are proportional to each other. If external loads are not proportional to each other, that is, if there are several uncorrelated forces acting on different points of application of force, local rotation of the main directions of tension occurs. The application of classical damage hypotheses is then no longer permissible. Other methods, which also consider the changes in the direction of the main normal stresses must be used.
3. Stand der Technik: Das Verfahren der „Kritischen Schnittebene”3. Prior Art: The Method of "Critical Section Plane"
Bei nichtproportionaler äußerer Belastung stellt das Verfahren der „Kritischen Schnittebene” eine akzeptierte, wenn auch versuchstechnisch unzureichend abgesicherte Methode zur Lebensdauervorhersage dar. Das Bauteil wird dabei lokal entlang gedachter Schnittebenen (Schnittufer) aufgespaltet und die in solchen Schnittebenen wirkenden Spannungen für die Schädigungsrechnung herangezogen. Dies wird für alle Schnittebenen in einem gewissen Winkelabstand (üblicherweise 10 Grad) durchgeführt. Diejenige lokale Schnittebene, an welcher die Schadensakkumulation maximal ist, wird als schädigungsrelevant und somit als „kritisch” erachtet. Der Anriss wird sich, falls er an der betrachteten Stelle auftritt, entlang dieser kritischen Schnittebene bilden.In the case of nonproportional external loading, the method of the "Critical Section Plane" represents an accepted method of lifetime prediction that is insufficiently adequately secured in terms of testing. The component is locally split along imaginary cutting planes (cut edges) and the stresses acting in such sectional planes are used for the damage calculation. This is done for all cutting planes at a certain angular distance (usually 10 degrees). The local section plane at which the damage accumulation is maximal is considered to be relevant to the damage and thus "critical". The crack, if it occurs at the point of interest, will form along this critical cutting plane.
An Bauteiloberflächen, wo sich meistens der erste Anriss bildet, ist es ausreichend, alle Schnittebenen zu betrachten, welche senkrecht auf der Oberfläche stehen, vorausgesetzt, es wirken keine äusseren Druckkräfte. Im allgemeinen jedoch müssen alle Schnittebenen betrachtet werden, deren Normalenvektoren eine Halbkugel überstreichen.At component surfaces, where most of the initial crack is formed, it is sufficient to consider all cutting planes that are perpendicular to the surface, provided that no external pressure forces are applied. In general, however, all sectional planes whose normal vectors sweep a hemisphere must be considered.
4. Nachteile des Verfahrens der „Kritischen Schnittebene”4. Disadvantages of the "Critical Section Plane" Method
Trotz seiner weiten Verbreitung birgt dieses Verfahren jedoch einige bis heute ungelöste Probleme in sich, die seine Anwendbarkeit stark einschränken:
- 1) Die Spannung in der Schnittebene erweist sich als vektorielle Größe, bestehend aus i. a. drei unabhängigen Komponenten, einer Normal- und zwei Schubkomponenten. Die Zeitverläufe der Komponenten sind bei äußerer nichtproportionaler Belastung im Allgemeinen unkorreliert, das heisst die Spitze des Vektors beschreibt einen beliebigen Weg im dreidimensionalen Spannungsraum. Das Rainflow-Zählverfahren ist jedoch, nur auf skalare Größen und somit auf diesen allgemeinen Fall nicht anwendbar.
- 2) Die alleinige Heranziehung der Normalkomponente zur Rainflow-Zählung, was heutzutage allgemein praktiziert wird, ist nur für spröde Werkstoffe ausreichend. Solche werden aber für tragende Teile in der Regel nicht verwendet.
- 3) Die Zählung der Schubkomponente, unter anderem nach dem Rainflow-Verfahren, bei duktilen Werkstoffen setzt einen lokal ebenen Spannungszustand voraus. Ansonsten ist die Richtung der Schubkomponente nicht eindeutig definiert. Es ergeben sich durch das Vorhandensein zweier unabhängiger Schubkomponenten dieselben Probleme wie unter 1).
- 4) Der manchmal praktizierte Versuch, aus Normal- und Schubkomponente eine Vergleichsspannung zu bilden, etwa ähnlich einer Von Mises-Spannung, trifft nur in Sonderfällen, etwa bei proportionaler Belastung. Um die Klassierbarkeit einer Vergleichsspannung zu gewährleisten, muss diese mit einem Vorzeichen (z. B. Vorzeichen der Normalkomponente) ausgestattet sein. Das führt im weiteren zu unphysikalischen Sprüngen des Vergleichsspannungsverlaufs, oder die Vergleichsspannung entzieht sich überhaupt jeglicher physikalischer Interpretation (z. B. das Nokleby-Kriterium, welches eine Linearkombination aus Normal- und Schubkomponente darstellt).
- 1) The stress in the section plane proves to be a vectorial quantity, consisting essentially of three independent components, one normal and two thrust components. The time courses of the components are generally uncorrelated with external non-proportional loading, ie the peak of the vector describes any path in the three-dimensional stress space. The Rainflow counting method, however, is not applicable to scalar quantities and thus to this general case.
- 2) The sole use of the normal component for rainflow counting, which is commonly practiced today, is sufficient only for brittle materials. Such are usually not used for load-bearing parts.
- 3) The count of the shear component, among other things according to the Rainflow method, for ductile materials requires a locally flat state of tension. Otherwise, the direction of the thrust component is not clearly defined. The existence of two independent thrust components results in the same problems as under 1).
- 4) The sometimes practiced attempt to make normal and shear components a comparative strain, similar to a Von Mises stress, only applies in special cases, for example proportional load. In order to ensure the classifiability of a reference voltage, it must be provided with a sign (eg sign of the normal component). This leads to further unphysical jumps in the comparison voltage curve, or the comparison voltage evades any physical interpretation at all (eg the Nokleby criterion, which represents a linear combination of normal and shear component).
5. Ziel und Grundzüge der Erfindung5. Objective and principles of the invention
Die beschriebenen Verfahren sind, wie oben gezeigt, für die Vorhersage der Lebensdauer von dreidimensionalen Bauteilen mit nicht proportionaler Belastung, wie sie gerade im Fahrzeug- und Motorenbau auftreten, nicht geeignet. Es soll ein für solche Bauteile zuverlässig geeignetes neues Verfahren zur Lebensdauerberechnung nichtproportional beanspruchter Bauteile angegeben werden.As described above, the described methods are not suitable for predicting the lifetime of three-dimensional components with non-proportional loading, as currently occurring in vehicle and engine construction. It should be given a reliable for such components new method for lifetime calculation of non-proportionally stressed components.
Dieses Verfahren, welches eine Weiterentwicklung des Verfahrens der „Kritischen Schnittebene” und eine Überwindung der Grenzen dessen Anwendbarkeit darstellt, sei Verfahren der „Kritischen Schnittebene – Kritischen Komponente” genannt. Um auch für nichtproportionale Beanspruchungen zutreffend anwendbar zu sein, unter anderem auch unter Anwendung der klassischen Rainflow-Zählmethode, wird erfindungsgemäß, kurz zusammengefasst, folgender Lösungsweg gegangen:
Zusätzlich zur Bestimmung der kritischen Schnittebene wird innerhalb der kritischen Schnittebene eine kritische Spannungskomponente oder – alternativ – Dehnungskomponente gesucht. Da man aber von vornherein nicht weiß, welche Schnittebene die kritische ist, muss diese Suche für alle Schnittebenen durchgeführt werden.This method, which is a further development of the "critical section plane" method and overcomes the limits of its applicability, is called the "critical section plane - critical component" method. In order to be applicable also for non-proportional stresses, among other things also using the classical Rainflow counting method, the following solution is inventively, briefly summarized, gone:
In addition to the determination of the critical cutting plane, a critical stress component or-alternatively-strain component is sought within the critical cutting plane. Since one does not know from the outset which cutting plane is the critical one, this search must be carried out for all cutting planes.
Dazu betrachtet man für jede Schnittebene alle Richtungen in gewissen Winkelabständen (z. B. zwischen 1 und 10 Grad), deren Richtungsvektoren mit ihrer Spitze in einer Halbkugel liegen. Diese Richtungsvektoren von Spannungskomponenten dürfen nicht mit den Normalenvektoren der Schnittebenen verwechselt werden. Es wird davon ausgegangen, daß das Bauteil lokal in der betrachteten Schnittebene in der Richtung jedes Richtungsvektors durch die zugehörige Spannungskomponente dynamisch belastet und somit geschädigt wird, und zwar unabhängig von anderen Spannungskomponenten, welche in andere Richtungen zeigen. Dazu wird der Spannungsvektor auf jede dieser Richtungen mittels Inproduktbildung (= Skalarprodukt zweier Vektoren) projiziert (Normalprojektion des Spannungsvektors auf den Richtungsvektor). Dadurch erhält man Zeitverläufe für verschiedene Spannungskomponenten in verschiedene Richtungen. For this purpose, for each section plane, all directions are considered at certain angular intervals (eg between 1 and 10 degrees) whose directional vectors lie with their tip in a hemisphere. These direction vectors of stress components must not be confused with the normal vectors of the cutting planes. It is assumed that the component is dynamically loaded and thus damaged locally in the considered sectional plane in the direction of each direction vector by the associated stress component, independently of other stress components pointing in other directions. For this purpose, the voltage vector is projected onto each of these directions by means of in-product formation (= scalar product of two vectors) (normal projection of the voltage vector onto the direction vector). This gives time courses for different voltage components in different directions.
Für diese Zeitverläufe kann nun problemlos eine Schädigungsrechnung, etwa mittels einer Rainflow-Zählung und der WÖHLER- und HAIGH-Diagramme, durchgeführt werden. Man erhält so innerhalb einer Schnittebene eine Vielzahl von Schädigungen, und zwar jeweils ein Ergebnis für jede gerechnete Richtung. Nun wird zu jeder Schnittebene die Richtung mit der maximalen Schädigung selektiert („Kritische Richtung” für jede Schnittebene). Es verbleiben damit genauso viele Richtungen wie Schnittebenen, jeweils eine Richtung pro Schnittebene.A damage calculation can now easily be performed for these time courses, for example by means of a Rainflow count and the WÖHLER and HAIGH diagrams. Within a cutting plane, a large number of damages are thus obtained, one result for each calculated direction. Now the direction with the maximum damage is selected for each cutting plane ("critical direction" for each cutting plane). This leaves as many directions as cutting planes, one direction per cutting plane.
Zur Bestimmung und endgültigen Festlegung der kritischen Schnittebene wird nun ein zweites Mal selektiert, und zwar aus allen verbliebenen kritischen Rich-tungen (je eine zu jeder Schnittebene) diejenige, welche die grösste akkumulierte Schädigung ergibt. Diese Richtung mit der maximal akkumulierten Schädigung und deren Schnittebene wird als endgültig kritisch und somit als schädigungsrelevant angesehen.In order to determine and definitively define the critical section plane, a second selection is now made of all remaining critical directions (one to each section plane) that which gives the greatest accumulated damage. This direction with the maximum accumulated damage and its cutting plane is considered finally critical and thus relevant to the damage.
Mit diesem Verfahren sind obige Nachteile des Standes der Technik behoben. Die praktische Durchführung ist denkbar einfach, wegen der großen Anzahl auszuführender Operationen naturgemäß nur mit Hilfe eines Computers.With this method, the above disadvantages of the prior art are eliminated. The practical implementation is conceivably simple, because of the large number of operations to be performed, of course, only with the help of a computer.
In weiterer Verfeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens – dessen Grundgedanke macht es möglich – können innerhalb einer Schnittebene jeder Beanspruchungsrichtung ganz spezifische Betriebsfestigkeitseigenschaften des jeweiligen Werkstoffes zugewiesen werden. Ein bedeutender Vorteil besteht darin, dass mit Hilfe des Polarwinkels α zwischen Schnittebenennormaler und Richtung des Spannungsvektors die drei grundlegenden Beanspruchungsarten der Schnittebene, Zug, Schub und Druck, unterschieden werden können. Jede andere Beanspruchungsrichtung ist eine Kombination dieser Grundbelastungsarten.In a further refinement of the method according to the invention-the basic idea of which makes it possible-it is possible within a sectional plane for each load direction to assign very specific fatigue-strength properties of the respective material. A significant advantage is that, with the help of the polar angle α between the slice plane normal and the direction of the voltage vector, the three basic stress types of the cutting plane, train, thrust and pressure, can be distinguished. Every other direction of stress is a combination of these basic load types.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit sogar dazu geeignet, die im Allgemeinen, und insbesondere bei oberflächenbehandelten Bauteilen, anisotropen Materialeigenschaften zu berücksichtigen, etwa die unterschiedlichen Dauerfestigkeiten für wechselnde Zug/Druck- und Schubbeanspruchung. Jeder Richtung können in Weiterverfolgung dessen nicht nur unterschiedliche Dauerfestigkeiten zugewiesen werden, sondern sogar vollständige Wöhlerkurven, welche etwa versuchstechnisch ermittelt wurden.The method according to the invention is thus even suitable for taking account of the anisotropic material properties in general, and in particular in the case of surface-treated components, for example the different fatigue strengths for varying tensile / compressive and shear stress. In each direction, not only different fatigue strengths can be assigned in follow-up, but even complete Wöhler curves, which were determined approximately experimentally.
Noch größer sind die Unterschiede beim Einfluss der Mittelspannung. So hat etwa eine Druckmittelspannung (meist) einen wesentlich günstigeren Einfluss auf die Lebensdauer als eine Zugmittelspannung, und diese wirkt sich wiederum günstiger aus als eine Schubmittelspannung (Grauguss ausgenommen). Es können so auch günstige Einflüsse berücksichtigt werden, was eine Überdimensionierung des Bauteiles vermeiden hilft.Even larger are the differences in the influence of the medium voltage. For example, a fluid pressure (usually) has a much more favorable influence on the service life than a tension medium tension, and this in turn has a more favorable effect than a shear stress (gray cast iron excepted). It can also be considered favorable influences, which helps avoid over-dimensioning of the component.
Mit dieser Unterscheidung lässt sich jedes Material durch eine zweidimensionale Fläche charakterisieren, welche die Dauerfestigkeit in Abhängigkeit vom Polarwinkel und von der Mittelspannung darstellt, was einem verallgemeinertem Haigh-Diagramm entspricht. In
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:In the following the invention will be described and explained with reference to figures. They show:
Das oberste Dach ist mit
Die weitere Behandlung erfolgt anhand der WÖHLER-Kurve und des HAIGH-Diagrammes, siehe
Ein dreiachsiges, räumliches Haigh-Diagramm zeigt
Die Fläche des FE
Anders verhält es sich mit dem anderen Knoten, in dem ein dreiachsiger Spannungszustand herrscht. Deshalb ist für das Verfahren der kritischen Schnittebenen eine zweimannigfache Ebenenschar Ni nötig. An Stelle der Ebenen sind hier nur einige derer Normalvektorendargestellt, ihre Spitzen liegen in der Kalotte einer Halbkugel.The situation is different with the other node, in which a three-axis state of tension prevails. Therefore, for the method of critical cutting planes, a two-time-multiple plane family N i is necessary. In place of the planes, here are just a few of those normal vectors shown, their tips are in the dome of a hemisphere.
Deshalb wird nun gemäß
Die Richtungmit der größten Schädigung zu einer Schnittebene ist die kritische. Nun wird unter den Schnittebenen diejenige mit der größten Schädigung ausgewählt. Das ist die kritische Schnittebene. Die Lebensdauer in dieser ist für die des betreffenden finiten Elementes die maßgebende.
- α Polarwinkel
- σ Spannung
- τ Schubspannung
- Richtungsvektor
- Normalvektor der Schnittebene
- Spannungsvektor
- Spannungstensor
- α polar angle
- σ tension
- τ shear stress
- direction vector
- Normal vector of the cutting plane
- voltage vector
- stress tensor
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