Im Automobilbau werden im frühen Entwicklungsprozess numerische Simulationsmethoden zur betriebsfesten Bemessung von Bauteilen eingesetzt. Die Berechnungsmethoden sind derzeit allerdings noch nicht geeignet, um eine Bauteillebensdauer sicher vorhersagen zu können. Um die Lebensdauerberechnung in den Entwicklungsprozess zu integrieren, muss daher die Ergebnisgüte der Berechnungskonzepte verbessert werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Lebensdauern für Vorserienstände typischer Fahrwerksbauteile mit zwei kommerziellen Lebensdauerberechnungsprogrammen berechnet. Dabei werden Sensitivitäten einzelner Parameter auf die Lebensdauerberechnung untersucht, indem Prüfstandsversuche numerisch nachgebildet werden. Die berechneten Lebensdauern werden mit den Versuchsergebnissen verglichen und systematisch analysiert. Als Maß für die Abweichungen der Lebensdauern zwischen Versuch und Berechnung werden rechnerische Schadenssummen gebildet. Neben einem Abgleich der ermittelten Lebensdauern ist ebenfalls ein Vergleich der auftretenden Schadensreihenfolgen wichtig. Die in dieser Arbeit betrachteten Prüfstandsversuche reichen von einfachen einkanaligen Einstufenversuchen bis zu mehrkanaligen Betriebsfestigkeitsversuchen. Für komplexe Prüfstandsversuche werden die Lasten unter anderem mit Mehrkörpersimulationen ermittelt. Des Weiteren werden die Einflüsse der Abbildung von Randbedingungen bei der Modellierung mit der Finite-Elemente-Methode untersucht. So ist auf eine realitätsnahe Abbildung von Randbedingungen, wie etwa Krafteinleitung und Prüfstandslagerung, zu achten. Vorteilhaft bei der Betrachtung von Prüfständen ist, dass die auf das Bauteil einwirkenden Lasten genau bekannt sind. Die Auswertung aller betrachteten Prüfstandsversuche zeigt, dass die Lebensdauerberechnung weiterhin mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Die ermittelten rechnerischen Schadenssummen weisen für beide betrachteten Lebensdauerberechnungsprogramme zum Teil hohe Standardabweichungen auf. Durch Gruppierungen lassen sich dabei nur geringe Verringerungen der Standardabweichungen erzielen. Auch weichen die berechneten Neigungen der Wöhler- und Lebensdauerlinien zum Teil stark von den in den Versuchen ermittelten Neigungen ab. Bekanntermaßen streut die Lebensdauer selbst unter gleichen im Versuch. Die Berechnung ermittelt jedoch stets feste Werte für die Lebensdauern. In der vorliegenden Arbeit werden für ausgewählte Parameter statistische Verteilungsfunktionen angesetzt. Somit ergeben sich für die Lebensdauern keine festen Werte mehr, sondern ebenfalls Verteilungsfunktionen. Mit diesem Vorgehen wird es möglich die Sensitivitäten einzelner Parameter auf die Lebensdauer zu identifizieren. Eine erste Sensitivitätsanalyse wird an einem Schwenklager durchgeführt. Für das untersuchte Schwenklager zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Lebensdauer von den auf das Bauteil einwirkenden Lasten und der Zugfestigkeit. Dagegen wird für die Oberflächenrauhigkeit im untersuchten Fall nur ein kleiner Einfluss auf die Lebensdauer festgestellt. Außerdem zeigt sich, dass bei einigen Parametern die Sensitivitäten auf die Lebensdauer abhängig vom betrachteten Schadensort sind. Somit kann die berechnete Schadensreihenfolge von den gewählten Parameterwerten abhängig sein. Im Anschluss wird gezeigt, wie die Lebensdauern mit einem quadratischen Regressionsmodell berechnet werden können. Hierbei ergeben sich gute Übereinstimmungen zwischen den mit dem Regressionsmodell und einem Lebensdauerberechnungsprogramm ermittelten Lebensdauern.

    In the automotive industry, numerical simulation methods development process to assess the fatigue life of components. However, the methods of calculation are presently not suitable for reliably predicting the fatigue life of a component. Therefore, the quality of the results of the calculation concept must be improved in order to integrate the fatigue life prediciton into the development process. In this study, the fatigue lives of typical vehicle components in pre-production state are calculated with two commercially available fatigue life prediciton programs. The sensitivity of individual parameters to fatigue life predicitons are examined by numerically reproducing the bench-test results. The calculated fatigue lives are compared with the test results and systematically analysed. Mathematical damage sums are created as a standard to analyse fatigue life deviations between test and prediciton. In addition to a comparison of the determined fatigue lives, a comparison of the sequences in which damage occurs is also important. The bench tests considered in this study range from simple one-channel, single- stage tests to multi-channel fatigue-life tests. For complex bench tests, the loads are calculated using multi-body simulations, among other things. Furthermore, the influences of the representation of boundary conditions in the modelling with the finite-element method are examined. In this way, a realistic depiction of the boundary conditions such as force induction and test-bench mounting are taken into account. When considering test benches, it is advantageous to know the loads affecting the component exactly. The evaluation of all bench tests under consideration indicates that fatigue life prediciton is still marked with considerable uncertainty. The calculated mathematical damage sums display, in part, large standard deviations for both fatigue life programs under consideration. Grouping makes it possible to achieve only a small reduction in the standard deviations. The calculated tendencies of the Wohler curves and fatigue life curves deviate in places strongly from the experimentally determined tendencies. It is well known that fatigue lives vary in tests even under identical conditions. However, the calculation always produces consistent values for fatigue lives. In this study, statistical distribution functions are applied to selected parameters. Consequently, the results for the fatigue lives are no longer constant values but likewise distribution functions. This procedure makes it possible to identify the sensitivity of individual parameters to fatigue life. An initial sensitivity analysis is conducted on a steering knuckle. The fatigue life of the examined steering knuckle exhibited strong dependence on the loads affecting the component and the tensile strength. On the other hand, surface roughness had only a small influence on the fatigue life in the case under consideration. Furthermore, it is demonstrated that the sensitivity of some parameters to fatigue life depends on the manner of damage under consideration. Thus, the calculated sequence of damage can depend of the selected parameters. In conclusion, it is shown how fatigue lives can be calculated with a quadratic regression model. In this case, there is a high degree of agreement between the fatigue lives calculated using the regression model and those using the fatigue life prediciton program.


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    Titel :

    Ermittlung der Robustheit und Sensitivität der Lebensdauerberechnung für typische Fahrwerksbauteile


    Beteiligte:
    Witt, Stephen (Autor:in)

    Erscheinungsdatum :

    2013


    Format / Umfang :

    142 Seiten, Bilder, Tabellen, 127 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch