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

Laufzeit: 01.08.2020 bis 31.07.2023

Fördergeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz /Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (BMWK/AiF)

Fördernummer: IGF 21306 N

Forschungsstellen:              

• Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit (IMAB),
  Technische Universität Clausthal
  Leiter: Prof. Dr.-Ing. Alfons Esderts
  Sachbearbeiter: Dr.-Ing. Ralf Wuthenow, Dr.-Ing. Michael Wächter
• Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik (IFSW),
  Technische Universität Darmstadt
  Leiter: Prof. Dr.-Ing. Michael Vormwald
  Sachbearbeiter: Carl Fällgren, M. Sc.

Kurzfassung:

Im Verlauf des Forschungsvorhabens sind Erweiterungen des Algorithmus der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“ (Ausgabe 7 von 2020) entwickelt worden. Im Fokus steht der Ermüdungsfestigkeitsnachweis. Dort werden zwei Unzulänglichkeiten am bestehenden Algorithmus identifiziert: Erstens sind die Berechnungsergebnisse nicht koordinateninvariant, d.h. sie hängen von der Wahl des Koordinatensystems für die Auswertung der örtlichen Spannungen ab. Zweitens können bisher mehrachsig-nichtproportionale Beanspruchungen in ihrer Wirkung nur durch konservative Abschätzungen berücksichtigt werden, da der Phasenbezug zwischen den einzelnen Beanspruchungen nicht berücksichtigt wird. Um Verbesserungspotenzial aufzuzeigen, wird das Ausmaß von Koordinaten­varianz und die Konservativität der Bewertung nichtproportionaler Beanspruchungen im Rahmen des Projekts analysiert.

Basierend darauf werden zwei Vorschläge für einen verbesserten Algorithmus entwickelt. Hierzu wer­den Vergleichsspannungen eingeführt, mit denen der zeitliche Verlauf des Spannungstensors in den Verlauf einer skalaren Vergleichsgröße überführt wird. Die Vergleichsgrößen sind einerseits eine modi­fizierte Form der skalierten Normalspannung und andererseits eine modifizierte Form des Findley-Para­me­ters. Um die in der aktuellen FKM-Richtlinie enthaltenen Unterschiede in der Bewertung von Normal- und Schubbeanspruchung (beispielsweise unterschiedliche Wöhlerlinienneigungen) weiterhin berück­sich­tigen zu können, werden die Festigkeitskennwerte in Abhängigkeit von der Spannungs­mehr­achsigkeit angepasst. Zur Berücksichtigung nichtproportionaler Beanspruchungen wird das Verfahren der kritischen Schnittebene für beide Vergleichsspannungen eingeführt. Außerdem wird ein Vorschlag entwickelt, wie Stützzahlen bei nichtproportionaler Beanspruchung zu berechnen sind.

Abschließend wird die Treffsicherheit der neuen Algorithmen nachgewiesen. Die Treffsicherheit des bisherigen Algorithmus für proportionale Beanspruchungen bleibt nahezu unverändert. Die Koordi­na­ten­invarianz ist jedoch hergestellt. Für nichtproportionale Beanspruchungen stellt sich eine ähnlich gute Genauigkeit ein wie für proportionale Beanspruchungen.

Mit dem Vorhaben wird somit eine wesentliche Verbesserung der Anwendbarkeit der FKM-Richtlinie erreicht. Die neuen Algorithmen übertreffen die bisher existierenden in hohem Maße bezüglich der Robustheit und Treffsicherheit. Insbesondere beim Nachweis mehrachsig nichtproportionaler Bean­spruch­ungen wurde erhebliches zusätzliches Potential zugänglich gemacht.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.