A statistical measure of the non-proportionality of stresses – investigations and applications*
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Christian Gaier
Abstract
In mechanical engineering, fatigue assessment based on Finite Element analysis of components, where complex non-proportional loads are acting on, plays an important role in identifying critical spots, and predicting the lifetime, till crack initiation. In this contribution the life time analysis of a dynamically loaded crankshaft of a V6 diesel engine is demonstrated. Finite Element method, multi-body system simulation and an elasto-hydrodynamic simulation of the oil film have been combined for a modal analysis in the frequency domain. Based on these results a fatigue analysis follows to identify the critical engine speed range. In notches rotating principal stresses can be found, which reduce the lifetime significantly. To quantify the non-proportionality of stresses and the resulting decrease of the fatigue limit, a statistical measure originally proposed by Chu et al. is applied. The critical plane criterion has been used in conjunction with a stress based method (concept of synthetic S/N-curves, influence parameter concept) and linear damage accumulation according to Miner's rule.
Kurzfassung
Für die Auslegung von komplexen, nicht proportional belasteten Bauteilen spielt die Betriebsfestigkeitsanalyse auf Basis von Finite Elemente Methode-Ergebnissen eine kaum zu überschätzende Rolle, einerseits um kritische Stellen zu identifizieren, andererseits um die Dauerbruchsicherheit oder die Lebensdauer bis zum technischen Anriss abschätzen zu können. Im vorliegenden Beitrag wird die Betriebsfestigkeitsanalyse einer dynamisch belasteten Kurbelwelle eines V6 Dieselmotors gezeigt. Finite Elemente Methode, Mehrkörpersimulation und elasto-hydrodynamische Simulation des Ölfilms wurden für eine modale Analyse im Frequenzbereich kombiniert. Basierend auf diesen Ergebnissen erfolgte eine Betriebsfestigkeitsanalyse, um kritische Motordrehzahlen identifizieren zu können. In Kerben konnten dabei Richtungsschwankungen der Hauptnormalspannungen festgestellt werden, welche zu einer nicht unwesentlichen Lebensdauerreduktion führen können. Um die Nicht-Proportionalität von Spannungen und die damit verbundene Reduktion der Dauerfestigkeit quantifizieren zu können, wurde ein statistisches Maß angewandt, welches ursprünglich von Chu et al. vorgeschlagen wurde. Die Betriebsfestigkeitsanalyse erfolgte im weiteren durch Anwendung eines kritischen Schnittebenenverfahrens basierend auf Spannungen (Konzept der synthetischen Wöhlerlinien, Einflussparameterkonzept) und der linearen Schadensakkumulation nach Miner.
References
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© 2006, Carl Hanser Verlag, München
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