Entwicklung einer numerisch gestützten Methodik zur betriebsfesten Vorauslegung von Fahrzeugkomponenten unter stochastischer und mehrachsiger Vibrationsbelastung

Es wird eine probabilistische Methodik zur Lebensdauerbewertung im Frequenzbereich für mehrachsig stochastisch beanspruchte Bauteile vorgestellt. Im Gegensatz zu deterministischen Anregungen erfolgt bei stochastischen Belastungen aufgrund der höheren numerischen Effektivität sowohl die dynamische Beanspruchungsanalyse als auch die Lebensdauerbewertung vorzugsweise im Frequenzbereich. Nach dem aktuellen Stand der Technik werden bei der sogenannten spektralen Betriebsfestigkeitsanalyse für die Abschätzung der Amplitudenverteilung Ansätze verwendet, welche zwar zum Teil in kommerziellen Betriebsfestigkeitsprogrammen implementiert, jedoch nur in eingeschränkter Form anwendbar sind, da relevante Einflussgrößen auf die Schädigung, wie beispielsweise mehrachsige oder mittelspannungsbehaftete Spannungszustände, nicht berücksichtigt werden. Zur Abbildung mehrachsiger Beanspruchungen wird nun in der im Rahmen der vorliegenden Arbeit vorgestellten Methodik das Beanspruchungskollektiv der Vergleichsspannung auf Basis multivariater Monte-Carlo-Simulation ermittelt. Auf diese Weise ist nicht nur die vollständige Berücksichtigung der Korrelation zwischen den Spannungskomponenten möglich, das damit ermittelte Amplitudenkollektiv erlaubt zudem eine statistisch bewertete Abbildung mehrachsiger Beanspruchungszustände innerhalb der spektralen Betriebsfestigkeitsanalyse und damit eine numerisch günstige und durchgängige Vorgehensweise im Frequenzbereich ohne Zuhilfenahme kommerzieller Software zur Lebensdauerbewertung. Darüber hinaus ermöglicht der modulare Aufbau des Berechnungskonzepts die Anwendbarkeit in Verbindung mit anwendungsspezifischen, beliebigen, selbst nichtlinearen, Festigkeitshypothesen oder auch Hypothesen der kritischen Schnittebene, womit die vorgestellte Methodik vielseitig für ein breites Spektrum an Festigkeitshypothesen und Werkstoffen einsetzbar ist. Der Vergleich von berechneter Lebensdauer mit experimentellen Ergebnissen aus Schwingtischversuchen an einem aus Anwendungen in der Automobilindustrie abgeleiteten Demonstrator zeigt eine gute Übereinstimmung.