Alfons Esderts

Ein verbessertes Verfahren zur Lebensdauerabschätzung mittels linearer Schadensakkumulation

Kurzfassung Ermüdungsfestigkeitsnachweise von Bauteilen werden häufig nach dem Nennspannungskonzept bzw. dem örtlichen Spannungskonzept geführt. Einen zentralen Punkt dieser Konzepte bildet die lineare Schadensakkumulation nach Palmgren und Miner (Miner-Regel). Statistische Auswertungen zeigen, dass die Lebensdauerabschätzung nach der linearen Schadensakkumulation im Mittel auf der unsicheren Seite liegt und eine höhere Treffsicherheit wünschenswert ist. Durch die Anwendung effektiver Schadenssummen kann die mittlere Lebensdauerüberschätzung korrigiert werden. Im Einzelfall kann es dennoch zu größeren Abweichungen zwischen Rechnung und Versuch kommen. Zur Verbesserung der Lebensdauerabschätzung mittels linearer Schadensakkumulation werden zwei Lebensdauerkorrekturverfahren vorgestellt. Die Anpassung der rechnerischen Gaßnerlinie an Versuchsergebnisse erfolgt in Abhängigkeit von der Kollektivform und der Wöhlerlinienneigung durch einen Lebensdauerkorrekturexponenten anstatt einer (multiplikativen) konstanten effektiven Schadenssumme. Neben der höheren Treffsicherheit wird der Übergang der Gaßnerlinie in die Wöhlerlinie für Rechteckkollektive sichergestellt.

Zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen im Zeitfestigkeitsbereich

Kurzfassung Die Auslegung schwingend beanspruchter Bauteile setzt häufig experimentell ermittelte Wöhlerlinien voraus. Diese werden aus Einstufenschwingversuchen bestimmt. Die Auswertung solcher Versuche erfordert statistische Verfahren. Neben der mittleren 50%-Wöhlerlinie muss auch das Streuverhalten der Experimente analysiert werden. Der vorliegende Beitrag gibt Hinweise zur Abschätzung der Standardabweichung aus einer Stichprobe von Wöhlerversuchen. Zur Korrektur der systematischen Unterschätzung der Standardabweichung bei geringen Stichprobenumfängen werden Näherungslösungen angegeben. Dabei wird zwischen Versuchen nach dem Horizonten- und dem Perlenschnurverfahren unterschieden.

Zur Wiederverwendung von Durchläufern im Treppenstufenversuch

Kurzfassung Viele Bauteile sind während ihrer Nutzungsdauer schwingenden Beanspruchungen ausgesetzt. Ermüdungsfestigkeitsnachweise sollen den sicheren Betrieb schwingend beanspruchter Bauteile garantieren. Ein wichtiger Kennwert zur Führung von Ermüdungsfestigkeitsnachweisen ist die Bauteildauerfestigkeit. Ihre experimentelle Bestimmung ist zeit- und kostenintensiv. Häufig stehen nur wenige Prüfkörper zur Verfügung, sodass eine statistische Auswertung unmöglich wird. Um dennoch Aussagen über die Bauteildauerfestigkeit abzuleiten, können so genannte Durchläufer wiederholt eingesetzt werden. Im vorliegenden Beitrag werden die Auswirkungen des Wiedereinsatzes von Durchläufern diskutiert. Hierbei werden keine werkstoffmechanischen Betrachtungen zur Vorschädigung oder zur Trainierwirkung angestellt. Vielmehr werden Simulationsmethoden vorgestellt, mit denen sich maximale Fehler bei der 50%-Dauerfestigkeitsschätzung ableiten lassen. Durch nachträgliche Berücksichtigung des maximalen Fehlers kann ein Bemessungskennwert auch mit wenigen Proben abgeleitet werden.

Zur Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen im Zeitfestigkeitsbereich —: Teil 1: Wie zuverlässig können 50%-Wöhlerlinien aus experimentellen Daten geschätzt werden?

Kurzfassung Experimentell ermittelte Wöhlerlinien bilden häufig die Grundlage eines Ermüdungsfestigkeitsnachweises. Der vorliegende Beitrag soll zum einen den Anwender dafür sensibilisieren, dass trotz präziser Fertigungsverfahren, exakter Prüftechnik, gleicher Chargen usw. Versuchsergebnisse streuen und somit immer nur eine Schätzung der Wöhlerlinie vorliegt. Zum anderen werden die Einflussgrößen auf die Vorhersagegenauigkeit von Wöhlerlinien im Zeitfestigkeitsbereich untersucht. Insbesondere wird auf den notwendigen Stichprobenumfang, die Aufteilung der zur Verfügung stehenden Prüfkörper und die Versuchsauswertung eingegangen. Die Fortpflanzung der Schätzfehler wird mit einer anschließenden Schadensakkumulationsrechnung bewertet. Aus den Untersuchungen werden Hinweise für die Versuchsdurchführung und Auswertung von Schwingfestigkeitsversuchen im Zeitfestigkeitsbereich abgeleitet. Teil 1 behandelt die Schätzung von 50%-Wöhlerlinien; in Teil 2 wird auf die Schätzung der Streuung näher eingegangen.

Die Methode der äquivalenten Amplitude als Werkzeug zur Nachweisführung bei Radsatzwellen

Kurzfassung Dieser Beitrag soll die Begriffe „schädigungsäquivalente‟ und „auslastungsäquivalente‟ Amplitude verdeutlichen und eine Sensitivität für deren Anwendung herstellen. Aufgrund der aufgezeigten Schwierigkeiten in der Handhabung der schädigungsäquivalenten Amplitude wird empfohlen, die auslastungsäquivalente Amplitude zu verwenden. Es wird gezeigt, dass die auslastungsäquivalente Amplitude eine sinnvolle Möglichkeit zum Vergleich von Messkollektiven mit einem Referenzwert ist. Im Falle der Radsatzwellennormen EN13104 bzw. EN13103 muss jedoch der dort definierte Sicherheitswert evtl. modifiziert werden.

Lebensdauerabschätzung für Kehlnahtverbindungen

Kurzfassung Da man im Feinblech auf Grund der geringen Blechdicke eine Strukturspannung im klassischen Sinne in der Praxis kaum bestimmen kann, wurden für Wöhlerversuche mit unterschiedlichen Beanspruchungen das Nennspannungskonzept, das Kerbgrundkonzept mit einem fiktiven Ersatzradius von r = 0,05 mm sowie zwei Konzepte in Anlehnung an das Strukturspannungskonzept untersucht — das Nenn- und das Nahtstrukturspannungskonzept. In diesen beiden Fällen dienen die Normalkraft und das Moment an der Nahtwurzel als Eingangskomponenten in die analytische Bewertung. Beim Nennstrukturspannungskonzept bezieht sich der tragende Querschnitt auf den Nennquerschnitt der Blechstruktur. Beim Nahtstrukturspannungskonzept dient der Nahtquerschnitt als tragender Querschnitt. Es hat sich gezeigt, dass bei den untersuchten Blechquerschnitten das Kerbgrundkonzept mit einem fiktiven Ersatzradius von r = 0,05 mm das geringste Streuband in der Masterwöhlerlinie ergibt. Mit dem Nahtstrukturspannungskonzept erreicht man zwar ein etwas breiteres Streuband der Masterwöhlerlinie, dafür ist der notwendige Aufwand zur Ermittlung und Bewertung der Beanspruchung deutlich geringer.

On the accuracy of estimating fatigue notch factors

Abstract The fatigue notch factor is the quotient of the nominal stress endurance limits of unnotched and notched specimens. It represents the notch sensitivity of a material or a component under cyclic loading. For example, the fatigue notch factor is used in analytical strength assessments with nominal stress and is also suitable as a quality criterion for materials and entire components. On the one hand, an analytical approach to rate the reliability of the fatigue notch factor is derived assuming a log-normal distribution for the population of the endurance limits of the unnotched and notched specimens. The analytical approach provides the best achievable result and can be used to rate real experiments. On the other hand, the staircase method, which is often used to determine endurance limits, is simulated using Monte Carlo simulations. From the simulations, information about the reliability of the real test can be gathered, which can be compared to the analytical approach. In conclusion, in this paper the reliability of the fracture of two originally log-normally distributed random variables each used in an own staircase test is examined. The result is compared to an analytical approach. In former articles the scope has only been on single test series, the examination of error propagation, e.g, by using the staircase method and building the fracture of the two results afterwards, is missing in former examinations. The staircase method is a procedure to estimate fatigue notch factors with reliabilities comparable to those of the analytical approach. To increase the number of evaluable tests, runouts should be reused.

On the estimation of cyclic material properties – Part 2: Introduction of a new estimation method

Abstract In the first part of this paper, a large variety of methods for estimating cyclic material properties from quasi-static material properties were rated concerning their accuracy. For this, a massive database containing test results from quasi-static and cyclic tests has been gathered and used to compare estimated and experimental properties. In this second part of the paper, the experience of how different estimation methods work and the database itself are used to develop a new estimation method, the so-called FKM method. This new method is able to estimate cyclic material properties for steel, cast steel and wrought aluminum and thus exceeds the known estimation methods if the quality criteria from part 1 are applied.

Analytical strength assessments of austempered ductile iron components

Abstract Austempered ductile iron (ADI) is a heat-treated ductile iron with improved tensile strength and toughness. Therefore, ADI is an interesting material for the construction of technical parts. However, for practical use, a strength assessment is necessary. An often-used option for an analytical strength assessment is the FKM-guideline. This guideline includes the strength assessment for steel, cast iron and aluminum materials, but it has not yet been especially investigated for ADI. In this work the use of the guideline for ADI is investigated. On the basis of experimental data, the accuracy of the guideline is examined and the limitations are discussed. Furthermore, the parameters that are used for the calculation in the guideline can be adjusted for the improvement of the accuracy of the strength assessment. In this way in particular, the forecast for shear stresses and the high strength materials can be improved.

On the estimation of cyclic material properties – Part 1: Quality of known estimation methods

Abstract A large variety of methods for estimating cyclic material properties from quasi-static material properties can be found throughout the literature. Therefore, the user usually faces the problem of determining which methods would best suit his purpose. To help answer this question, a massive database containing test results from quasi-static and cyclic tests is gathered and used for a quality rating of the different methods. This rating results in the recommendation to use the uniform material law for steel materials, the modified park-songs method for wrought aluminum and the method of variable slopes 2006 for thin steel sheets. In addition, the accuracy of these estimation methods is compared to experimental results using deviation ranges in the total strain life curve and in the cyclic stress-strain curve.