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Berechnung der Lastamplitude am Abknickpunkt des Wöhlerdiagramms von festgewalzten Kurbelwellen durch Simulation der Festwalzeigenspannungen und ihre Bewertung mit Hilfe der linear-elastischen Bruchmechanik

Fomen, Gilles Desmond (2021):
Berechnung der Lastamplitude am Abknickpunkt des Wöhlerdiagramms von festgewalzten Kurbelwellen durch Simulation der Festwalzeigenspannungen und ihre Bewertung mit Hilfe der linear-elastischen Bruchmechanik. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00018945,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Berechnung der Lastamplitude am Abknickpunkt des Wöhlerdiagramms von festgewalzten Kurbelwellen durch Simulation der Festwalzeigenspannungen und ihre Bewertung mit Hilfe der linear-elastischen Bruchmechanik
Language: German
Abstract:

Das Festigkeitsverhalten eines Bauteils unter zyklischer Belastung spielt bei der Auslegung von Maschinen und Anlagen eine wichtige Rolle. Zur Abschätzung der Sicherheit gegenüber Schwingbelastungen wird eine Ermüdungsfestigkeitsanalyse durchgeführt. Je nach Ziel und Gebrauch wird zwischen einer dauerfesten und einer betriebsfesten Auslegung unterschieden. Die experimentelle Analyse der Schwingfestigkeitseigenschaften eines Bauteils wird meist mit Hilfe eines Wöhlerversuchs durchgeführt. Die Genauigkeit des im Wöhlerversuch erzielten Ergebnisses ist von der Anzahl der Versuchspunkte abhängig. Eine genaue Bestimmung der sogenannten Dauerfestigkeit ist aufgrund der Streuung und des Verlaufs der Wöhlerkurve im Übergangsbereich zeitintensiv, sodass es sich in der Praxis meist nicht lohnt, die Dauerfestigkeit mit einer hohen Auflösung zu bestimmen. Deshalb werden Grenzschwingspielzahlen definiert, um den Versuchsaufwand zu reduzieren. Die Spannungsamplitude am Knickpunkt im reduzierten Versuch wird technische Dauerfestigkeit genannt. Der Begriff Dauerfestigkeit in dieser Arbeit entspricht der technischen Dauerfestigkeit, ermittelt mit einer Grenzschwingspielzahl von 5x10^6. Kurbellwellen im Automobilbau werden dauerfest ausgelegt. Zur Steigerung der Dauerfestigkeit wird seit Jahren das Festwalzen der kritischen Radien der Kurbelwelle praktiziert. Die erzielbaren Steigerungsraten reichen von 20 bis 300 % und sind vom Werkstoff, von der Festwalzkraft und von der Geometrie abhängig. Das lokale Eindrucken der Oberfläche durch Festwalzen verändert den Spannungszustand an und unterhalb der Oberfläche. Bauteile mit oberflächennahen ermüdungskritischen Bereichen können optimiert werden, indem Druckeigenspannungen in diesen Bereichen erzeugt werden. Das Maximum der Eigenspannungen befindet sich unterhalb der Oberfläche. Der bedeutende Anteil des Steigerungsgewinns findet in der Risswachstumsphase statt und ist auf die Wirkung der Druckeigenspannungen mit einem Maximum unterhalb der Oberfläche zurückzuführen. Das Rissfortschrittkonzept, basierend auf der linear-elastischen Bruchmechanik wurde in verschiedenen Arbeiten genutzt, um diesen Effekt rechnerisch zu beschreiben. Zur Berücksichtigung des Einflusses der Eigenspannungen wurde das Superpositionsprinzip angewendet. Gerechnet wurde der Anteil des Spannungsintensitätsfaktors, der den Rissfortschritt verursacht. Dieser Anteil setzt sich aus der Superposition der Spannungsintensitätsfaktoren aufgrund der Eigen- und Lastspannungen zusammen. Die rechnerische Bestimmung der Festwalzeigenspannung erfolgt mit Hilfe der Methode der finiten Elemente, durch Simulation des Festwalzprozesses und der Umlagerung durch die Versuchsbeanspruchung. In bisherigen Arbeiten wurden zur Berechnung der Spannungsintensitätsfaktoren das Ersatzmodell einer Scheibe mit Seitenriss genutzt. Die Nutzung des Ersatzmodells unterstellt eine Geometrievereinfachung, die die tatsächliche räumliche Gestalt des Bauteils nicht berücksichtigt. Die Akzeptanz, Robustheit und Zuverlässigkeit der bisherigen Bemessungsverfahren werden deshalb in Frage gestellt. Beispielweise werden Steifigkeitsänderungen im Bauteil, die durch Risswachstum entstehen, vernachlässigt. Inwieweit sich diese Vereinfachung auf das Gesamtergebnis auswirkt ist nicht ausreichend untersucht. In weiteren Arbeiten wurde die Gewichtsfunktion einer rotationsymmetrisch angerissenen Bauteilprobe dafür hergeleitet. Für dreidimensionale Rissprobleme existiert derzeit keine abgesicherte Lösung. Die folgende Arbeit beschäftigt sich mit einem rechnerischen Ansatz zur Lösung der beschriebenen Problematik. Die Methodik wurde an bauteilähnlichen Proben aus AFP-Stahl 38MnVS6 BY und Gusseisen mit Kugelgraphit GJS700 entwickelt, aufgrund der besseren Zugänglichkeit während der Versuchsdurchführung und Eigenspannungsmessung. Die elastisch-plastische Simulation des Festwalzprozesses liefert die Eigenspannungsverteilung, die in Form einer Rissuferbelastung in eine zweite, linear-elastische Berechnung eingelesen wird, um den Spannungsintensitätsfaktor aufgrund von Eigenspannungen zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten und unterstreichen die qualitative und quantitative Überlegenheit der entwickelten Methodik im Vergleich zu den bisherigen Verfahren. Da das neue Bemessungsverfahren in der Praxis zur Auslegung von Kurbelwellen genutzt werden soll, wird der Frage nachgegangen, inwiefern sich die erzielten Ergebnisse auf reale Kurbelwellen übertragen lassen. Eine anschließende Sensitivitätsanalyse gibt zum einen Auskunft über die Güte der getroffenen Annahmen und Vereinfachungen und ermöglicht zum anderen, die Bedeutung von Unsicherheiten in der Serienfertigung rechnerisch zu quantifizieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Fatigue behavior of components under cyclic load plays an important role for designing machines and equipments. Depending on the application, one of following design strategies can be used: Endurable or fatigue design. Experimental assessment of fatigue strength are often based on stress-cycles diagram (S-N diagram). The accuracy of S-N diagrams depends on the number of points that has been tested to derive them. However, accuracy will improve with an increase in number of testing points but will result in an increase in testing time and cost, too. To find a good compromise between test efforts and accuracy in practice, technical fatigue strength with fixed maximum number of cycles has been introduced. Experimental fatigue strength described in this work is based on 5x10^6 cycles. Crankshaft in car engines is one example for endurable design strategy. To increase fatigue strength, critical radiuses are often rolled. Increased fatigue strength due to rolled radius can reach more than 200 % compared to the original fatigue strength. The rolling process generates compressive residual stresses with a maximum value under the surface in areas of rolled radius. Many investigations in the past and in this thesis show that increased fatigue strength happens due to a crack stop in the area of the maximum compressive stress during crack growth phase. The crack stop can be mathematically described with a linear elastic fracture mechanic approach. Stress intensity factors due to residual and load stresses are superposed. The calculation of the residual stress due to the rolling process is carried out by finite element analysis. In many works, a simplified structural model with known stress intensity factor solution is used to assess cracks. The disadvantage of these approaches is that the tree-dimensional shape of crankshafts is “highly” simplified. In this thesis, a methodology is developed to consider three-dimensional shape of crankshaft in crack assessment. The development of the methodology is based on crankshaft similar parts from steel 38MnVS6 BY and cast iron GJS700, due to better accessibility for residual stress measurements and crack detection during fatigue behavior investigation. The methodology is then transferred to a serial produced crankshaft to assess practicability. Calculated fatigue strengths shows a very good match with experimental results.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 106 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW) > Bauteilfestigkeit
Date Deposited: 25 Jun 2021 10:10
Last Modified: 25 Jun 2021 10:10
DOI: 10.26083/tuprints-00018945
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-189452
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Melz, Prof. Dr. Tobias
Refereed: 7 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/18945
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  • Berechnung der Lastamplitude am Abknickpunkt des Wöhlerdiagramms von festgewalzten Kurbelwellen durch Simulation der Festwalzeigenspannungen und ihre Bewertung mit Hilfe der linear-elastischen Bruchmechanik. (deposited 25 Jun 2021 10:10) [Currently Displayed]
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