Rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit von Elektroblech unter Berücksichtigung des Fertigungseinflusses

Abstract

Zur betriebsfesten Auslegung schwingbeanspruchter Bauteile werden bereits in frühen Entwicklungsphasen rechnerische Lebensdauernachweise geführt. Um die Schwingfestigkeit bewerten und die ertragbaren Beanspruchungen korrekt abschätzen zu können, muss das zyklische Werkstoffverhalten unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren erfasst werden. Neben den werkstoffabhängigen Materialeigenschaften ist dabei in erster Linie der Bearbeitungszustand des Bauteils mit einzubeziehen, da sich dieser unmittelbar auf die Schwingfestigkeit des Werkstoffs auswirkt. Die vorliegende Arbeit zeigt am Beispiel von Elektroblech auf, wie sich die festigkeitsbe- stimmenden Fertigungseinflüsse bei der rechnerischen Abschätzung der Schwingfestigkeit beschreiben und im Lebensdauernachweis nach dem örtlichen Konzept berücksichtigen lassen. Dazu werden einzelne Einflussgrößen infolge des Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses untersucht und der Zusammenhang mit dem mechanischen Werkstoffverhalten anhand entsprechender Simulationsmodelle hergestellt. Die Betrachtungen beinhalten sowohl die aufgrund der Halbzeugfertigung resultierenden richtungsabhängigen Materialeigenschaften als auch den durch Scherschneiden erzeugten Kantenzustand. Zudem erfolgt die mikrostrukturbasierte Modellierung und Simulationen des Elektroblechs. Der rechnerische Lebensdauernachweis setzt die Kenntnis der zyklischen Kennwerte des Werkstoffs voraus, die entweder experimentell zu ermitteln oder mithilfe von Abschätz- methoden zu bestimmen sind. Darüber hinaus muss entschieden werden, mit welchem Schädigungsparameter das Nachweisverfahren geführt werden soll. Die experimentelle Ermittlung der zyklischen Kennwerte ermöglicht erwartungsgemäß die genaueste Be- schreibung des stabilisierten zyklischen Werkstoffverhaltens. Im Fall der rechnerisch abgeschätzten zyklischen Kennwerte können in Kombination mit den Schädigungspara- metern PRAM und PRAJ dennoch zufriedenstellende Ergebnisse bezüglich der berechneten Anrisslebensdauern erzielt werden. Die fertigungsbedingten Einflussgrößen werden bei der rechnerischen Lebensdauerab- schätzung im Rahmen eines erweiterten Berechnungsablaufs berücksichtigt, welcher die Bestimmung der örtlichen Beanspruchung auf der Grundlage der erstellten Simulations- modelle erlaubt. Am Beispiel von zwei bauteilnahen Proben kann eine weitestgehend gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und experimentell aufgenommen Anrisslebensdauern festgestellt und der erweiterte Berechnungsablauf dadurch validiert werden. Eine Übertragung der Erkenntnisse auf den allgemeinen Anwendungsfall des rechneri- schen Lebensdauernachweises für Stahlfeinbleche ist prinzipiell möglich.

Analytical fatigue life calculation is performed during early stages of dimensioning struc- tures and components subjected to cyclic loading. In order to evaluate the fatigue strength and tolerable mechanical loading, the cyclic material behaviour has to be ana- lysed while taking different influencing factors into consideration. Besides material spe- cific properties, the main focus has to be on the machining state of the components, since this directly affects the fatigue strength. The present work shows how machining impacts on fatigue strength can assessed and how these can be taken into consideration in the context of an analytical fatigue life calculation with the local (strain based) concept, using electrical steel as an example. For this purpose, the respective influencing factors resulting from the manufacturing and handling process are investigated and the connection with the mechanical material behaviour is made by applying corresponding simulation models. The considerations include directional material properties due to the semi-finished steel sheet production as well as the resulting edge condition due to shear cutting. In addition, microstructural based modelling and simulation of the electrical steel is performed. Analytical fatigue life calculation requires knowledge of the cyclic material properties, which are either determined by experiments or by applying analytical estimation meth- ods. With regard to the local concept, a damage parameter must also be selected. As expected, experimental determination of the cyclic properties ensures the most accurate description of the (stabilised) cyclic material behaviour. In the case of the analytically estimated cyclic properties, the combination with the damage parameters PRAM and PRAJ nonetheless yields satisfactory results regarding the calculated fatigue life. The machining impacts influencing the fatigue strength are considered in the context of an analytical fatigue life assessment by applying an extended calculation procedure, thus allowing local stresses and strains to be determined on the basis of the simulation models developed. Taking as an example two component-similar specimens, a generally good correlation between calculated and experimentally determined fatigue life is ascertained and the extended calculation procedure is validated. The transfer to applications such as analytical fatigue life calculations for steel sheets in general is basically possible.