Simulation des Einlaufvorgangs und Festigkeitsbewertung reibkorrosionsgefährdeter Pressverbindungen im Dauerfestigkeitsbereich
Zeise, Bärbel
Gegenstand dieser Arbeit ist ein Gesamtkonzept zur Beurteilung der Tragfähigkeit reibkorrosionsgefährdeter Verbindungen, welches am Beispiel eines Pressverbands entwickelt wurde. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Bewertung nur durch die getrennte Simulation des Einlaufvorgangs und die anschließende Anwendung eines Festigkeitskonzepts für nichtproportionale Beanspruchungsgeschehen erfolgen kann.
Für den speziellen Fall gefügter Verbindungen wurde dazu ein iterativer Algorithmus zur Reibkorrosionssimulation weiterentwickelt, welcher die charakteristischen Effekte des Drei-Körper-Verschleißes unter Ausbildung einer Partikelschicht im Reibkontakt berücksichtigt. Die aus diesem Prozess resultierende verschleißbedingte Beanspruchungsumlagerung bei gleichzeitigem Hochtrainieren der Übertragungsfähigkeit der Verbindung wird hier unter dem Begriff Einlaufvorgang zusammengefasst. Mit der Reibkorrosionssimulation wird der im Sinne einer potentiellen Rissöffnung kritische Zustand während der Beanspruchungsumlagerung für eine Dauerfestigkeits-Anrissbewertung zugänglich. Gemäß des vorgestellten Gesamtkonzepts ist sicherzustellen, dass ein Anriss in diesem sogenannten "Critical State" des Einlaufvorgangs ausgeschlossen werden kann, wodurch die Verbindung als dauerfest unter Reibkorrosion eingestuft wird. Als geeignetes Konzept für den Festigkeitsnachweis unter nichtproportionalen Beanspruchungen wurde die Dauerfestigkeits-Anrissbeurteilung mit der Modifizierten Mohr-Mises-Hypothese (MMM-Hypothese) für die Oberflächen im Reibkontakt weiterentwickelt. Sie enthält einen Invariantenansatz, welcher die Hauptspannungsrichtungen bei dynamischen Lastverläufen durchgehend berücksichtigt und in eine zeitveränderliche Vergleichsspannungsfunktion einfließen lässt.
Die Übertragbarkeit der Reibkorrosionssimulation auf eine vollständig andere Kontaktkonfiguration konnte im Rahmen dieser Arbeit mit grundlagenorientierten Klötzchenversuchen qualitativ nachgewiesen werden. Eine angestrebte quantitative Parameteranpassung war aufgrund versuchstechnischer Unwägbarkeiten jedoch nicht möglich. Durch die erfolgreiche Verifikation der Übertragbarkeit des Simulationsverfahrens auf verschiedene Kontaktkonfigurationen eröffnen sich breite Anwendungsperspektiven. Über die flexible Anbindung an FEM-Modelle beliebiger Verbindungen eignet sich das Verfahren der Reibkorrosionssimulation für unterschiedliche Kontakte mit Ausbildung einer Verschleißpartikelschicht.
Darüber hinaus wurde das Gesamtkonzept erfolgreich auf Umlaufbiegeversuche am Pressverband angewendet. Hierdurch konnten Versagensfälle unter Reibkorrosion nachvollzogen werden. Auch ohne die finale Anpassung der Verschleißparameter wurden bereits die speziellen Aussagen zur Dauerfestigkeit durch die Integration des Reibkorrosionsprozesses in das Gesamtkonzept deutlich. Die Gegenüberstellung einer Beurteilung der unverschlissenen Zeichnungsgeometrie bestätigt, dass erst durch die Kenntnis des Einlaufverhaltens plausible Aussagen zum Versagen ermöglicht werden. Gleichzeitig zeigt sich, dass Reibkorrosionserscheinungen in gewissem Umfang toleriert werden können, sofern ein festigkeitsrelevanter Anriss während der Beanspruchungsumlagerung auszuschließen ist. Infolgedessen eröffnet sich die Möglichkeit zur technischen Nutzung der positiven Eigenschaften des Einlaufvorgangs.
This work concerns a general concept, which aims to predict the fatigue strength of assemblies subject to fretting corrosion. The concept is exemplarily established to a press-fitted shrink. It could be demonstrated that a local fatigue strength calculation has to take into account the running-in behaviour including the redistribution of loads due to wear and hence has to be applied to the worn surface.
Characteristic of the considered assemblies is the debris being trapped in the contact area which leads to a three body problem. A specific comprehensive modelling approach has been further developed for simulating the complex fretting wear process. The results of the numerical frame for the specific fretting simulation provide information to assess the critical instant for crack initiation during the redistribution of stresses. For this "Critical State" crack initiation has to be excluded by the fatigue analysis, which leads to a non-critical assembly with regard to a fatigue failure despite the present fretting corrosion.
As a suitable concept for the fatigue analysis of non-proportional loading the Modified Mohr-Mises-Hypothesis (MMM-Hypothesis) has been enhanced to assess the loading condition of contact surfaces. Based on stress invariants the MMM-Hypothesis is able to continuously take into account the varying directions of the principle stresses. In this way the approach provides a material specific, time-dependent signed equivalent stress function.
The transferability of the fretting simulation model could be verified by fundamental experiments with two pads on a flat tensile test specimen. Quantitative parameter studies could not be conducted because of some imponderables of the experimental setup. The transferable fretting simulation approach offers a broad field of application. Due to the flexible integration of different FEM-models this method is suitable for a variety of fretting contacts with a developing debris layer.
Furthermore the general concept has successfully been established for a press-fitted shrink under rotating bending and the enforced failures could be numerically reproduced by the approach. The specific characteristics within the fatigue limit estimation for assemblies subject to fretting corrosion could be demonstrated regardless of the non-finished parameter adjustments. In comparison with a fatigue strength calculation applied to the original mechanical drawing it is pointed out that feasible conclusions can only be drawn by integrating the assemblies running-in behaviour. Moreover fretting corrosion can be tolerated by excluding crack initiation. In that way the desired properties of assemblies after the running-in period become technically accessible.
