Betriebsfestigkeitsnachweis im Frequenzbereich bei nicht normalverteilten Schwingungsanregungen


Prof. Dr.-Ing. Peter Wolfsteiner
Fakultät für Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik


Die Bewertung der Betriebsfestigkeit metallischer Strukturen im Zeitbereich stellt ein fundiertes und etabliertes Auslegungsverfahren im allgemeinen Maschinenbau dar. Dabei werden gemessene oder berechnete Betriebslasten durch sog. Zählverfahren (z.B. Rainflow Counting) hinsichtlich ermüdungsrelevanter Spannungen untersucht. Das hieraus gewonnene Lastkollektiv ermöglicht unter Anwendung von geeigneten Schädigungs- hypothesen (z.B. Palmgren Miner) eine Bewertung der Betriebsfestigkeit. Diese Aus- legungsverfahren erfordern stets die Kenntnis der Betriebslasten im Zeitbereich, welche durch kostenintensive Messungen an der Struktur im betrieblichen Einsatz oder durch rechenintensive Simulationen gewonnen werden können. Speziell bei zufälligen Schwingungen sind diese zeitbasierten Rechenverfahren infolge hoher Rechenzeiten zur Bewertung der Betriebsfestigkeit in typischen Entwicklungsprozessen kaum einsetzbar.


Alternativ dazu stehen PSD (Power Spectral Density) basierte Simulationsverfahren für zufällige Schwingungen zur Verfügung, die hinsichtlich der Rechenzeit wesentlich effek- tivere Simulationen ermöglichen. Gleichzeitig stehen auch gut etablierte Verfahren zur Verfügung, die – vergleichbar mit dem Rainflow Counting im Zeitbereich – die Bestimmung des Lastkollektivs im Frequenzbereich ermöglichen. Allerdings unterliegen diese frequenzbasierten Verfahren der Einschränkung normalverteilter Signalverläufe. In vielen Anwendungsbereichen sind Betriebslasten jedoch nicht normalverteilt, was den Einsatz gängiger frequenzbasierter Verfahren zur Bewertung der Betriebsfestigkeit ausschließt.


Schädigungsbewertung auf Grundlage normal- bzw. nicht normalverteilter Betriebslasten
Schädigungsbewertung auf Grundlage normal- bzw. nicht normalverteilter Betriebslasten

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens, das die hinsichtlich der Simu- lationszeit sehr effektiven Methoden im Frequenzbereich auf nicht normalverteile Last- verläufe erweitert. Dabei wird das Konzept verfolgt, gemessene Lastverläufe durch eine Reihe normalverteilter Verläufe derart zu kombinieren, dass der Informationsgehalt für einen verlässlichen Betriebsfestigkeitsnachweis im Frequenzbereich erhalten bleibt. Dies würde einen Zugang PSD basierter Methoden auf eine Vielzahl praxisrelevanter Anwendungsbereiche bedeuten.


Bildquelle: www.siemens.com/presse. - Schienenfahrzeuge unterliegen u.a. nicht normalverteilten Betriebslasten
Bildquelle: www.siemens.com/presse. - Schienenfahrzeuge unterliegen u.a. nicht normalverteilten Betriebslasten

Neben dem rechnerischen Betriebsfestigkeitsnachweis stellt die experimentelle Schwingungsprüfung ein weiteres Anwendungsfeld dar. Hierbei wird die Struktur, meist auf Grundlage von PSDs auf sog. Shakern zufälligen Schwingungsanregungen aus- gesetzt, um die Ermüdungsfestigkeit zu überprüfen. Während normalverteilte Anregun- gen mit relativ geringem Aufwand synthetisch erzeugt werden können, ist die definierte nicht normalverteilte Anregung seit vielen Jahren eine offene Fragestellung und Gegen- stand laufender Forschungstätigkeiten. Das vorgeschlagene Lösungskonzept kann dabei einen Beitrag liefern, damit reale nicht normalverteilte Zeitsignale bei der korrekten Abbildung ihrer schadensäquivalenten Lasten durch normalverteilte Signale ersetzt und so wiederum durch etablierte Verfahren experimentell umgesetzt werden können.


Projektziele:

  • Entwicklung eines Verfahrens, das die effektiven Methoden zum Betriebsfestigkeitsnachweis im Frequenzbereich auf nicht normalverteilte Schwingungsanregungen erweitert
  • Beitrag zur experimentellen Schwingungsprüfung von Strukturen unter nicht normalverteilten zufälligen Lasten


Laufzeit:
01.12.2015 - 30.11.2018


Zuwendungsgeber und Projektträger:
Bayerische Forschungsstiftung


Projektpartner:
Siemens AG
Knorr Bremse Systeme für Schienenfahrzeug GmbH


Projektleiter

Prof. Dr.-Ing. Peter Wolfsteiner
Raum: B 151

Tel.: 089 1265-1225
Fax: 089 1265-3308