EP3259690A1 - Modellierung der schädigung eines bauteils aus einem nichtlinear elastischen werkstoff - Google Patents

Modellierung der schädigung eines bauteils aus einem nichtlinear elastischen werkstoff

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EP3259690A1
EP3259690A1 EP16704458.5A EP16704458A EP3259690A1 EP 3259690 A1 EP3259690 A1 EP 3259690A1 EP 16704458 A EP16704458 A EP 16704458A EP 3259690 A1 EP3259690 A1 EP 3259690A1
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EP
European Patent Office
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component
damage
rods
model
load
Prior art date
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Ceased
Application number
EP16704458.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Ringswirth
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Siemens Mobility Austria GmbH
Original Assignee
Siemens AG Oesterreich
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design

Definitions

  • the invention relates to a method for computational
  • the present invention includes an associated
  • Non-linear elastic materials include components consisting of natural or synthetic elastomers as well as components containing natural or synthetic elastomers
  • Elastomers in particular filled, ie filler-reinforced, elastomers. Such materials often have a tensile-pressure anomaly as well as a pronounced
  • the medium voltage is the voltage which the component in installed state in
  • Rest position is subject (eg, the bias of a spring, resulting from the weight of a vehicle mounted thereon part), and then in the operating state (for example, when driving a rail vehicle) other voltages, especially cyclic tensions (eg, caused by the operation of the vehicle movements), be superimposed.
  • the other stresses can only act as compressive stresses, only as tensile stresses or as compressive and tensile stresses.
  • the other voltages will have different effects.
  • Components to be modeled may be vehicle components
  • Elastomer components are based, for example, on finite element methods. To do this for each
  • Elastomer mixture on the one hand, the geometric dimensions and on the other hand be known physical properties. The latter must be determined by testing the strength of component samples due to the nonlinearity of the elastic properties for different stress levels and medium stresses, respectively. The damage calculation based on the finite element method must then also be calculated for different load cases and uses the
  • the invention thus consists in the properties of the material by - in comparison to finite elements
  • the damage of the component can be determined according to different aspects. Basically, the individual damages of the rods are determined, which are determined on the basis of the strain state. The individual damages are summed linearly and thus a virtual damage of the component is calculated. Furthermore, strains of individual rods, which exceed a predetermined limit, be used so that one dissolves this compound and so realized in total a reduction of the network and thus damage. In this case, each rod can be imposed on any material model, in particular a linear or nonlinear elastic behavior.
  • the further bars of the second network are normally distributed randomly between the nodes in accordance with a normal distribution. Basically, of course, other distributions are possible.
  • the damage calculation can be simplified considerably if the three-dimensional component in the model is replaced by a two-dimensional replacement model before the formation of the first network. Then, the inventive
  • Damage calculation can be reduced to a mathematical problem in two dimensions and simplified accordingly.
  • This transformation from a 3D to a 2D component or state of motion depends on the geometry of the component to be calculated. In this case, one usually divides the movements acting on the component into a tensile-pressure and a thrust-load. Due to the simplicity of the method according to the invention, it is possible that as input variables for the model of the component, only the acting resilient layer thickness of the component in mm and, when using force signals as
  • the method according to the invention can be used to calculate the service life in advance for a component yet to be created, namely as a function of the rigidity and the resilient layer thickness of the component.
  • the method according to the invention is run through for different stiffnesses and / or layer thicknesses of the component.
  • Stiffnesses a component with a long service life is determined.
  • the layer thickness of the component given as the input variable for
  • a load input variable for the cyclic load can be a time-dependent path signal or knowledge of the
  • Stiffness curves also a time-dependent force signal can be used. Due to the simplicity of the model, not only a periodic signal, such as a
  • Sinusoidal can be used, but it can
  • Loads can be in midloads, amplitudes and
  • Loads the damage of the component for each of these loads is calculated and the total damage by means of linear damage accumulation, e.g. determined by Palmgren-Miner rule. Basically, the integration of other damage accumulations is conceivable.
  • the method according to the invention can be applied to a component which is a vehicle component, in particular a spring and coupling element.
  • the inventive method can be advantageously used for components of a rail vehicle, namely
  • the invention comprises a
  • Computer program product comprising a program and directly loadable into a memory of a computer, with program means for carrying out all the steps of the method according to the invention when the program is executed by the computer.
  • the method according to the invention makes it possible to carry out a number of hitherto impossible damage calculations, in particular for rail vehicles, and thus a considerable advantage in the various design phases, which helps to save time and effort.
  • a component can be developed, which represents a good compromise between the requirements of the running properties and the life. So far, a component has been tailored and developed primarily to the running requirements. The effect on the lifetime was analyzed at a later stage of development and the
  • test signal having the same damage content as occurs during operation of the component.
  • the test signal can be applied to the
  • the data of the elastomer component to be modeled are determined, that is, the elastomer layer thickness and the stiffnesses of the component in all three
  • the component is mathematically reduced to a two-dimensional substitute model, ie to a two-dimensional strain state, for
  • elastomeric materials have a tensile-to-pressure anomaly, i. they experience higher damage in the tensile area than in the pressure area, even if this anomaly should be modeled.
  • This anomaly for example, here by the change in the set as input parameter layer thickness of the component, depending on the degree of Buchanteiles, adjusted.
  • Main network (first network) with many tie rods, which are normally distributed as random junctions
  • the strain can be determined from the composite mesh (first and second meshes) and the motion vector. From the stretching, namely as a function of the elongation, the
  • FIG. 1 shows an elastomer specimen, with the left half representing the real component and the right half schematically representing the two-dimensional substitute model of rods, in this case tension rods 2 anchored in nodal points 3.
  • the component 1 is here between two rigid,
  • Palmgren Miner rule to a
  • Total damage can be summed up.
  • the individual partial damages can also be represented as a haigh diagram - so you do not just have one
  • Fatigue strength represented by the load type. On the horizontal axis the center load is plotted in% as a function of the layer thickness, on the vertical axis the amplitude of the additional cyclic additional load in%.
  • the load left of 0% medium voltage corresponds to one Compressive load, the load on the right of 0% mean stress corresponds to a tensile load of the component.
  • Fig. 3 is the method of the invention

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnerischen Modellierung der Schädigung eines Bauteils (1) aus einem nichtlinear elastischen Werkstoff und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteil (1) im Modell durch mehrere Knotenpunkte (3) ersetzt wird, die durch mehrere Stäbe (2) untereinander verbunden sind, wobei jedem Stab (2) ein mathematisches Materialmodell auferlegt wird und die Stäbe ein erstes Netz bilden, dass zumindest eine zyklische Belastung mit einem bekannten Belastungswert auf das Modell des Bauteils (1) ausgeübt wird und durch die Belastung die Lage und/oder Länge der Stäbe (2) in Abhängigkeit des mathematischen Materialmodells der Stäbe verändert wird, dass in Abhängigkeit vom Dehnungszustand der Stäbe (2) eine Schädigung der Stäbe ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Modellierung der Schädigung eines Bauteils aus einem
nichtlinear elastischen Werkstoff
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnerischen
Modellierung der Schädigung eines Bauteils aus einem
nichtlinear elastischen Werkstoff. Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung ein zugehöriges
Computerprogrammprodukt . Unter nichtlineare elastische Werkstoffe fallen Bauteile bestehend aus natürlichen oder synthetischen Elastomeren sowie Bauteile enthaltend natürliche oder synthetische
Elastomere, insbesondere gefüllte, also füllstoffverstärkte, Elastomere. Solche Werkstoffe verfügen oft über eine Zug- Druck-Anomalie sowie über eine stark ausgeprägte
Mittelspannungsabhängigkeit, was Festigkeitsberechnungen im Hinblick auf Schwingfestigkeiten bzw. Schädigungsberechnungen sehr erschwert. Die Mittelspannung (oder Mittellast) ist jene Spannung, welcher der Bauteil im eingebauten Zustand in
Ruheposition unterliegt (z.B. die Vorspannung einer Feder, die aus dem Gewicht eines darauf gelagerten Fahrzeugteils resultiert) , und der dann im Betriebszustand (beispielsweise bei der Fahrt eines Schienenfahrzeugs) weitere Spannungen, insbesondere zyklische Spannungen (z.B. durch den Betrieb hervorgerufene Bewegungen des Fahrzeugs), überlagert werden. Die weiteren Spannungen können sich nur als Druckspannungen, nur als Zugspannungen oder als Druck- und Zugspannungen auswirken. Je nach Lage der Mittelspannung, also ob diese im Zug- oder im Druckbereich liegt, werden sich die weiteren Spannungen unterschiedlich auswirken.
Zu modellierende Bauteile können Fahrzeugbauteile,
insbesondere Federn und Koppelelemente, von
Schienenfahrzeugen oder Bauteile für andere technische
Anwendungen sein, die aus zumindest einer Schicht Elastomer- Werkstoff bestehen.
Stand der Technik
Herkömmliche Methoden der Schädigungsberechnung für Bauteile aus nichtlinear elastischen Werkstoffen, wie
Elastomerbauteilen, basieren beispielsweise auf Finite- Elemente-Methoden . Dazu müssen für die jeweilige
Elastomermischung einerseits die geometrischen Abmessungen und andererseits die physikalischen Eigenschaften bekannt sein. Letztere müssen durch Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Bauteilproben ermittelt werden, und zwar aufgrund der Nichtlinearität der elastischen Eigenschaften jeweils für verschiedene Spannungsniveaus bzw. Mittelspannungen. Die Schädigungsberechnung auf Basis der Finite-Elemente-Methode muss dann ebenfalls für verschiedene Lastfälle durchgerechnet werden und greift dabei auf die
Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Bauteilproben zurück bzw. muss zwischen den Ergebnissen der
Schwingfestigkeitsuntersuchungen interpolieren. Darüber hinaus benötigt die Finite-Elemente-Methode für das genaue geometrische Modell auch eine feinmaschige Netzstruktur des Modells. Die durch die Vernetzung von stark verformenden Bauteilen womöglich hervorgerufenen lokalen Unstetigkeiten in den Berechnungen, durch z.B. überlappende Netze, bedürfen zur richtigen Interpretation langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Schädigungsberechnung auf Basis der Finite-Elemente- Methode .
Darstellung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, durch welches die Modellierung der Schädigung eines Bauteils mit Hilfe eines weniger komplexen physikalischen Modells des Bauteils, jedenfalls ohne Methode der Finiten Elemente, erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei vorgesehen ist,
- dass der Bauteil im Modell durch mehrere Knotenpunkte ersetzt wird, die durch mehrere Stäbe untereinander verbunden sind, wobei jedem Stab ein mathematisches Materialmodell auferlegt wird und die Stäbe ein erstes Netz bilden,
- dass zumindest eine zyklische Belastung mit einem bekannten Belastungswert auf das Modell des Bauteils ausgeübt wird und durch die Belastung die Lage und/oder Länge der Stäbe in Abhängigkeit des mathematischen Materialmodells der Stäbe verändert wird,
- dass in Abhängigkeit vom Dehnungszustand der Stäbe eine Schädigung der Stäbe ermittelt wird.
Die Erfindung besteht somit darin, die Eigenschaften des Werkstoffs durch ein - im Vergleich zu Finite Elemente
Methoden einfacheres - physikalisch-mathematisches Modell abzubilden, ohne vorher Schwingfestigkeitsuntersuchungen an realen Bauteilproben durchzuführen. Dem Materialmodell werden die physikalischen Eigenschaften wie Steifigkeitsverläufe etc. des realen Bauteils auferlegt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit diese Steifigkeitsverläufe durch das Modell nachzustellen, welches aber für eine reine
Schädigungsberechnung nicht Zielführend ist.
Die Schädigung des Bauteiles kann nach unterschiedlichen Gesichtspunkten bestimmt werden. Grundsätzlich bestimmt werden die Einzelschädigungen der Stäbe, welche aufgrund des Dehnungszustandes bestimmt werden. Die Einzelschädigungen werden linear aufsummiert und so eine virtuelle Schädigung des Bauteils berechnet. Des weiteren können Dehnungen von einzelnen Stäben, welche einen vorher bestimmten Grenzwert überschreiten, so genützt werden, dass man diese Verbindung auflöst und so in Summe eine Verringerung des Netzes und damit eine Schädigung realisiert. Dabei kann jedem Stab ein beliebiges Materialmodell auferlegt werden, insbesondere ein linear oder nichtlinear elastisches Verhalten .
Es kann vorgesehen werden, dass zur Modellierung der
Mittelspannungsabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften des Bauteils weitere Stäbe in den Knotenpunkten vorgesehen werden, welche zumindest ein zweites Netz bilden, wobei jedem weiteren Stab ein mathematisches Materialmodell auferlegt wird. Dies ermöglicht die Nachstellung einer
Mittelspannungsabhängigkeit, wobei die Intensität der
Mittelspannungsabhängigkeit durch die Anzahl der
Zusatzvernetzungen nachgestellt wird. Auch diesen weiteren Stäben kann ein beliebiges Materialmodell auferlegt werden, insbesondere mit einem linear-elastischen oder nichtlinear- elastischen Verhalten.
Die mathematischen Materialmodelle des ersten Netzes
(Hauptnetzes) sowie des/der zweiten Netze/s
(Zusatzvernetzungen) können analog oder unterschiedlich sein. Sowohl die einzelnen Stäbe des ersten Netzes als auch
gegebenenfalls die weiteren Stäbe des zweiten Netzes werden in der Regel entsprechend einer Normalverteilung zufällig zwischen den Knotenpunkten verteilt. Grundsätzlich sind natürlich auch andere Verteilungen möglich.
Die Schädigungsberechnung kann wesentlich vereinfacht werden, wenn der dreidimensionale Bauteil im Modell vor der Bildung des ersten Netzes durch ein zweidimensionales Ersatzmodell ersetzt wird. Dann kann die erfindungsgemäße
Schädigungsberechnung auf ein mathematisches Problem in zwei Dimensionen reduziert und entsprechend vereinfacht werden. Diese Transformation von einem 3D- auf einen 2D-Bauteil bzw. Bewegungszustand ist abhängig von der Geometrie des zu berechnenden Bauteiles. Dabei teilt man in der Regel die auf den Bauteil wirkenden Bewegungen in eine Zug-Druck- und in eine Schub-Belastung auf. Durch die Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass als Eingangsgrößen für das Modell des Bauteils lediglich die wirkende federnde Schichtdicke des Bauteiles in mm sowie, bei Verwendung von Kraftsignalen als
Belastungsgröße, die Steifigkeiten bzw. Steifigkeitsverläufe des Bauteils (in allen drei Raumrichtungen) zu definieren sind .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu verwendet werden, für einen noch zu schaffenden Bauteil vorab die Lebensdauer zu berechnen, nämlich in Abhängigkeit von der Steifigkeit sowie der federnden Schichtdicke des Bauteils. Dabei wird das erfindungsgemäße Verfahren für unterschiedliche Steifigkeiten und/oder Schichtdicken des Bauteils durchlaufen. Die
resultierenden Schädigungen bzw. die entsprechenden Lebensdauern werden dann miteinander verglichen und es kann dann ein Bauteil mit jener Steifigkeit sowie Schichtdicke bzw. deren Kombination hergestellt werden, der in den
Modellrechnungen die höchste Lebensdauer aufgewiesen hat. Insofern kann vorgesehen sein, dass durch Variation der
Steifigkeiten ein Bauteil mit hoher Lebensdauer ermittelt wird .
Um eine Zug-Druck-Anomalie des Bauteils im Modell
berücksichtigen zu können, kann vorgesehen sein, dass die als Eingangsgröße vorgegebene Schichtdicke des Bauteils zur
Berücksichtigung einer Zug-Druck-Anomalie des Bauteils, insbesondere autonom je nach der Zug-Druck Aufteilung, verändert wird.
Als Belastungs-Eingangsgröße für die zyklische Belastung kann ein zeitabhängiges Wegsignal bzw. bei Kenntnis der
Steifigkeitsverläufe auch ein zeitabhängiges Kraftsignal verwendet werden. Dabei kann aufgrund der Einfachheit des Modells nicht nur ein periodisches Signal, wie eine
Sinusschwingung, verwendet werden, sondern es können
grundsätzlich auch komplexere Signale, wie sie etwa bei
Messfahrten eines realen Schienenfahrzeugs ermittelt worden sind, verwendet werden.
Dabei wird nicht nur eine einaxiale Belastung des Bauteils berücksichtigt, sondern in der Regel mehraxiale Belastungen. Diese mehraxiale Belastung wird zu einem Belastungssignal wirkend auf das 2D-Ersatzmodell zusammengefügt. Die
Belastungen können in Mittellasten, Amplituden und
Zeitschritte aufgeteilt werden.
Wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nur jeweils
Einzelschädigungen berechnet werden, können diese dennoch zu einer Gesamtschädigung zusammengefasst werden. Diesbezüglich kann vorgesehen sein, dass auf Basis verschiedener
Belastungen die Schädigung des Bauteils für jede dieser Belastungen errechnet wird und die Gesamtschädigung mit Hilfe linearer Schadensakkumulation, z.B. mittels Palmgren-Miner- Regel, bestimmt wird. Grundsätzlich ist auch die Einbindung anderer Schadensakkumulationen denkbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einen Bauteil angewendet werden, der ein Fahrzeugbauteil, insbesondere ein Feder- und Koppelement, ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft für Bauteile eines Schienenfahrzeugs eingesetzt werden, nämlich
beispielsweise für Konusfedern in der Primärstufe sowie
Sekundärstufe, Radsatzführungsbuchsen, Buchsen der
Längsmitnahmen, Schichtfedern etc., jedoch auf für
entsprechende Bauteile anderer Fahrzeuge oder Einrichtungen. Schließlich umfasst die Erfindung ein
Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher eines Rechners ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm vom Rechner ausgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mehrere, bisher nicht mögliche Schädigungsberechnungen, insbesondere für Schienenfahrzeuge, und somit einen erheblichen Vorteil in den verschiedenen Konstruktionsphasen, welcher hilft, Zeit und Aufwand einzusparen. kann eine Schädigungsabschätzung in der Auslegungsphase Bauteils für eine Bauraum- und Steifigkeitsabschätzung erfolgen: Ohne genaue Kenntnis und Beschreibung des fertigen Bauteils, sondern nur mit Kenntnis des dem Bauteil zur
Verfügung stehenden Bauraums und der möglichen Steifigkeiten des Bauteils (Letztere sind dem Fachmann in der Regel aus seiner Konstruktionstätigkeit im Schienenfahrzeugbau
bekannt) , kann in einer sehr frühen Phase der Konstruktion eine Beurteilung der Lebensdauer des Bauteils basierend auf den - in lauftechnischer Hinsicht bevorzugten - Steifigkeiten des Bauteils erfolgen. Der zukünftige Bauteil kann im
Hinblick auf die Schädigung und Lebensdauer technisch
beurteilt werden, bestimmte, beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete, vorerst in lauftechnischer Hinsicht erwünschte Steifigkeiten, können sich als nachteilig für die Lebensdauer erweisen und daher ausgeschlossen werden. Damit kann ein Bauteil entwickelt werden, welcher einen guten Kompromiss zwischen den Anforderungen an die Laufeigenschaften und an die Lebensdauer darstellt. Bisher wurde ein Bauteil primär auf die lauftechnischen Anforderungen zugeschnitten und entwickelt. Die Auswirkung auf die Lebensdauer wurde erst in einer späteren Entwicklungsphase analysiert und die
Lebensdauer konnte dann nur mehr schwer beeinflusst werden.
Weiters kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
Schädigungsabschätzung für Gleichteile in anderen Anwendungen und damit bei anderen Bauteilbelastungen erfolgen: Das
Streben nach dem Einsatz von gleichen Bauteilen bei
verschiedensten Anforderungen setzt eine vollständige
Kenntnis der Bauteileigenschaften (Bauteilpotentiale) voraus. Bisher war diese Betrachtung primär auf die Geometrie und Steifigkeit des Bauteils gerichtet. Die erreichte Lebensdauer des Bauteils war erst zu einem späteren Zeitpunkt bekannt. Mittels einer Schädigungsanalyse und somit mit Kenntnis der Steifigkeitsverläufe und der Bauteilschichtdicken (Elastomerschichtdicken) lässt sich eine Gleichteilauswahl auch im Hinblick auf die Lebensdaueroptimierung realisieren.
Auch kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
Schädigungsanalyse für die Erstellung von Lebensdauer- Prüfungen verwirklicht werden: Bauteilprüfungen sind nach wie vor nötig, einerseits besteht eine Nachweispflicht des
Herstellers des Bauteils für die Sicherheit des Bauteils, andererseits muss der Hersteller intern die Funktion des Bauteils nachweisen. Dabei ist der Hersteller bestrebt, den Aufwand für die Bauteilprüfung so gering wie möglich zu halten. Dies kann mit einem Prüfsignal erreicht werden, das den gleichen Schädigungsinhalt aufweist wie er beim Betrieb des Bauteils auftritt. Das Prüfsignal kann auf die
Schädigungsanalogie des Bauteils hin optimiert werden.
Kurzbeschreibung der Figuren Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figur Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und
Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Dabei zeigen :
Fig. 1 Modell eines Bauteils aus vernetzten Stäben,
Fig. 2 ein Haigh-Diagramm basierend auf Messungen,
Fig. 3 Haigh-Diagramm basierend auf dem
erfindungsgemäßen Verfahren.
Ausführung der Erfindung Zuerst werden die Daten des zu modellierenden Elastomer- Bauteils festgelegt, das sind die Elastomer-Schichtdicke sowie die Steifigkeiten des Bauteils in allen drei
Raumrichtungen, wobei die Steifigkeiten in Form von Skalaren und/oder Polynomen vorliegen. Anschließend wird der Bauteil rechnerisch auf ein zweidimensionales Ersatzmodell reduziert, also auf einen zweidimensionalen Dehnungszustand, zum
Beispiel auf ein Flächenmodell mit der Kantenlänge 1. Alle Zwangsbedingungen, Randbedingungen, Lasten und
Betriebssignale (Spannungen) des dreidimensionalen Bauteils werden auf das Ersatzmodell reduziert.
Dann wird die auf den Bauteil einwirkende Spannung
festgelegt, entweder als Zeitsignal oder als Mittelspannung (Mittellast) und überlagerter Schwingung, wobei dann nur die Amplitude und die Phase der überlagerten Schwingung angegeben werden muss.
Da Elastomer-Materialien eine Zug-Druck-Anomalie besitzen, d.h. sie erfahren im Zugbereich eine höhere Schädigung als im Druckbereich, sollte auch diese Anomalie modelliert werden. Diese Anomalie wird zum Beispiel hier durch die Veränderung der, als Eingangsparameter festgelegten Schichtdicke des Bauteils, je nach dem Grad des Zuganteiles, nachgestellt.
Die folgenden Schritte werden dann für jedes Paar aus
Mittelspannung und Amplitude durchlaufen und ergeben dann jeweils eine sogenannte Teil- oder Einzelschädigung: Es wird ein Bewegungsvektor für das 2D- Ersatzmodell
gebildet, und dem entsprechend eine normalverteilte
Hauptvernetzung (erstes Netz) mit vielen Zugstäben, die als normalverteilte Zufallsbindungen die Knotenpunkte des
zweidimensionalen Ersatzmodells miteinander verbinden. Anschließend erfolgt eine Zusatzvernetzung (zweites Netz) des Ersatzmodells mittels Zugstäben, in Abhängigkeit des
Mittelspannungs-Amplitudenverhältnisses sowie der Zeit. Dann kann die Dehnung aus dem zusammengesetzten Netz (erstes und zweites Netz) und dem Bewegungsvektor ermittelt werden. Aus der Dehnung, nämlich als Funktion der Dehnung, kann die
Teilschädigung für den untersuchten Belastungsfall berechnet werden . In Fig. 1 ist ein Elastomer-Probekörper zu sehen, wobei die linke Hälfte das reale Bauteil abbildet und die rechte Hälfte schematisch das zweidimensionale Ersatzmodell aus Stäben darstellt, hier Zugstäben 2, die in Knotenpunkten 3 verankert sind. Der Bauteil 1 ist hier zwischen zwei starren,
zueinander parallelen Deckplatten 4 eingeschlossen, die normal auf eine Längsachse 5 stehen, die gleichzeitig die Symmetrieachse des Bauteils 1 bildet. Normal zur Längsachse ist der Bauteil 1 nicht begrenzt. Der Abstand zwischen den beiden Deckplatten 4 entspricht der Schichtdicke des Bauteils 1.
Sind dann mehrere Teilschädigungen berechnet worden, dann können diese mittels Palmgren Miner Regel zu einer
Gesamtschädigung summiert werden.
Die einzelnen Teilschädigungen können auch als Haigh-Diagramm dargestellt werden - man hat dann also nicht nur ein
punktuelles Ergebnis, sondern ein ganzes Ergebnisfeld. Bei einem Haigh-Diagramm wird die Abhängigkeit der
Dauerfestigkeit von der Belastungsart dargestellt. Auf der waagrechten Achse wird die Mittellast in Abhängigkeit der Schichtdicke in % aufgetragen, auf der senkrechten Achse die Amplitude der zusätzlichen zyklischen Zusatzbelastung in %. Die Belastung links von 0% Mittelspannung entspricht einer Druckbelastung, die Belastung rechts von 0% Mittelspannung entspricht einer Zugbelastung des Bauteils.
In Fig. 2 ist das aus Messungen an Materialproben des
Elastomers und Kurvenfitting ermittelte Haigh-Diagramm dargestellt. Die eingezeichneten Linien bezeichnen Zustände mit gleicher Festigkeit, wobei tendenziell größere
Festigkeiten bei Druckbelastung vorliegen. Die Graustufen geben Auskunft über die Höhe der Festigkeit, wobei die höchste Festigkeit, die auf der Skala rechts mit „20"
bezeichnet ist, nicht erreicht wird. Im Druckbereich mit niedriger Amplitude (bis etwa 2%) liegt eine Festigkeit von etwa „17" vor. Mit zunehmender Amplitude nimmt die Festigkeit gemäß der Skala ab, wobei die Abnahme im Bereich der
Zugbelastung rascher erfolgt als im Bereich der
Druckbelastung .
In Fig. 3 ist das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ermittelte Haigh-Diagramm dargestellt. Die absoluten
Festigkeitswerte weichen etwas von denen aus Fig. 2 ab. So wird etwa in Fig. 3 für den Druckbereich mit niedriger
Amplitude (bis etwa 2%) mit etwa „20" eine höhere Festigkeit erreicht als in Fig. 2. Jedoch ist die
Mittelspannungsabhängigkeit, also die geraden waagrechten Linien in Fig. 2, grundsätzlich richtig wiedergegeben, sodass die Mittelspannungsabhängigkeit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gut nachgebildet werden kann.
Bezugszeichenliste:
1 Bauteil
2 Stab (Zugstab)
3 Knotenpunkt Deckplatte Längsachse

Claims

Patentansprüche :
Verfahren zur rechnerischen Modellierung der Schädigung eines Bauteils (1) aus einem nichtlinear elastischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Bauteil (1) im Modell durch mehrere
Knotenpunkte (3) ersetzt wird, die durch mehrere Stäbe (2) untereinander verbunden sind, wobei jedem Stab (2) ein mathematisches Materialmodell auferlegt wird und die Stäbe ein erstes Netz bilden,
- dass zumindest eine zyklische Belastung mit einem bekannten Belastungswert auf das Modell des Bauteils (1) ausgeübt wird und durch die Belastung die Lage und/oder Länge der Stäbe (2) in Abhängigkeit des mathematischen Materialmodells der Stäbe verändert wird,
- dass in Abhängigkeit vom Dehnungszustand der Stäbe (2) eine Schädigung der Stäbe ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Schädigungen der einzelnen Stäbe (2) durch
Summierung eine Schädigung des Bauteils (1) ermittelt wird .
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Dehnungen von einzelnen Stäben (2), welche einen vorher bestimmten Grenzwert überschreiten, die Verbindung von Knotenpunkten (3) durch diese Stäbe (2) als aufgelöst gilt .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Stab (2) als Materialmodell ein linear-elastisches oder nichtlinear-elastisches
Verhalten auferlegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modellierung der
Mittelspannungsabhängigkeit der physikalischen
Eigenschaften des Bauteils weitere Stäbe in den
Knotenpunkten (3) vorgesehen werden, welche zumindest ein zweites Netz bilden, wobei jedem weiteren Stab ein mathematisches Materialmodell auferlegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem weiteren Stab als Materialmodell ein linear- elastisches oder nichtlinear-elastisches Verhalten auferlegt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stäbe (2) und gegebenenfalls weiteren Stäbe entsprechend einer Normalverteilung zufällig in die Knotenpunkte (3) gelegt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Bauteil (1) im Modell vor der Bildung des ersten Netzes durch ein zweidimensionales Ersatzmodell ersetzt wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass als Eingangsgrößen für das Modell des Bauteils (1) die Steifigkeiten oder
Steifigkeitsverläufe des Bauteils sowie die Schichtdicke des Bauteils (1) verwendet werden. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Steifigkeiten und/oder der
Schichtdicke ein Bauteil (1) mit hoher Lebensdauer ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die als Eingangsgröße vorgegebene Schichtdicke des Bauteils (1) zur Berücksichtigung einer Zug-Druck-Anomalie des Bauteils (1) verändert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass als Eingangsgröße für die zyklische Belastung ein Weg-Zeitsignal oder Kraft-Zeitsignal verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass auf Basis verschiedener Belastungen die Schädigung des Bauteils (1) für jede dieser
Belastungen errechnet wird und die Gesamtschädigung mit Hilfe linearer Schadensakkumulation bestimmt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass der Bauteil (1) ein Fahrzeugbauteil, insbesondere ein Feder- und Koppelement ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass der Bauteil (1) ein Bauteil eines Schienenfahrzeugs ist.
16. Computerprogrammprodukt, welches ein Programm umfasst und direkt in einen Speicher eines Rechners ladbar ist, mit Programm-Mitteln, um alle Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auszuführen, wenn das
Programm vom Rechner ausgeführt wird.
EP16704458.5A 2015-02-18 2016-02-16 Modellierung der schädigung eines bauteils aus einem nichtlinear elastischen werkstoff Ceased EP3259690A1 (de)

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ATA50124/2015A AT516862A2 (de) 2015-02-18 2015-02-18 Modellierung der Schädigung eines Bauteils aus einem nichtlinear elastischen Werkstoff
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WO (1) WO2016131800A1 (de)

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JP5152078B2 (ja) * 2008-05-09 2013-02-27 新日鐵住金株式会社 溶接構造物の疲労寿命推定装置、溶接構造物の疲労寿命推定方法、及びコンピュータプログラム

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