Numerische Schwingfestigkeitsbewertung inhomogener Spaltprofile mit dem örtlichen Dehnungskonzept

Spaltprofile eignen sich gut zum Einsatz in lasttragenden Strukturen, da sie lokal eine erhöhte Festigkeit aufweisen und durch Verzweigungsstellen sowie durch die Substitution von Fügestellen erweiterte Möglichkeiten zur beanspruchungsgerechten Gestaltung bieten. Durch den Fertigungsprozess Spaltprofilieren entstehen allerdings in den umgeformten Bauteilbereichen ausgeprägte Gefüge- und Eigenschaftsgradienten. Um die Schwingfestigkeit der Profile zu bewerten und das Leichtbaupotential dabei weitgehend auszunutzen, ist es notwendig, diese Inhomogenität der Werkstoffeigenschaften in der numerischen Bauteilbewertung zu berücksichtigen. Dafür wird in dieser Arbeit ein numerischer Prozess zur Bewertung der Schwingfestigkeit, welcher den lokal unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften Rechnung trägt, vorgestellt und die dafür benötigten örtlichen Werkstoffkennwerte im Bauteil abgeschätzt. Die Schwingfestigkeitsbewertung der Spaltprofile erfolgt mit dem örtlichen Dehnungskonzept. Ziel der Bewertung ist die Ableitung einer Bauteilwöhlerlinie.Die örtlichen Eigenschaften werden durch Korrelation der Werkstoffkennwerte mit der örtlichen Kleinlasthärte HV0,05 bestimmt. Dabei werden soweit möglich bekannte Korrelationen genutzt und nötigenfalls an die werkstoffspezifischen Versuchsergebnisse angepasst. Hierfür werden dehnungsgeregelte Versuche an inhomogenen Proben aus dem Spaltprofil sowie an Proben im Ausgangszustand mit Re = -1 und Re = 0 zugrunde gelegt. Für den in dieser Arbeit untersuchten Werkstoff ZStE 500 wurden geeignete Korrelationen für das zügige, das transiente und das zyklisch stabilisierte Spannungs-Dehnungsverhalten sowie für die Dehnungswöhlerlinie identifiziert.Auf Basis dieser Korrelationen wurde ein härteabhängiger Parametersatz des Werkstoffmodells nach Jiang für ZStE 500 im kaltumgeformten Zustand abgeleitet. Mit diesem Werkstoffmodell kann das im Versuch beobachtete transiente Werkstoffverhalten abgebildet werden. Zur Parameterbestimmung für das Jiang-Modell wurden für den vorliegenden Fall geeignete Vereinfachungen und Optimierungskriterien gewählt.Zur Bestimmung der örtlichen Beanspruchung im Bauteil wurden FE-Modelle mit vom lokalen Umformzustand abhängigem inhomogenem, elastisch-plastischem Werkstoffverhalten aufgebaut. Für die Abschätzung der "stabilisierten" Mittelspannung wird in der Simulation der örtliche Mittelspannungsverlauf für eine große Anzahl von Schwingspielen ermittelt. Da dies aus Rechenzeitgründen nicht über den gesamten relevanten Schwingspielzahlbereich möglich ist, wird ein Ansatz zur Extrapolation des in der Simulation ermittelten Mittelspannungsverlaufs untersucht.Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung der Übertragbarkeit der Kennwerte von der Probe auf das Bauteil. Die Größe des hochbeanspruchten Werkstoffbereichs stellt hierbei eine wichtige Einflussgröße auf die Schwingfestigkeit dar, bei deren Bewertung ihrerseits der lokal inhomogene Werkstoffzustand berücksichtigt wird.Die erarbeitete Vorgehensweise wurde an Hand von kraftgeregelten Schwingfestigkeitsversuchen an gekerbten Proben aus dem Spaltprofil sowie an Spaltprofilen unter Vierpunkt-Biegung bestätigt.Alternativ zu dem härtebasierten Parametrierungsansatz wurde ein Ansatz auf Basis einer Prozesssimulation implementiert, bei dem der Vergleichsumformgrad und die Eigenspannungsverteilung aus der Spaltprofiliersimulation übernommen werden. Hierfür wurde ein künstliches Neuronales Netz integriert, welches die zyklischen Werkstoffkennwerte auf Basis des Vergleichsumformgrads sowie auf Basis von im Zugversuch ermittelten Kenngrößen des Ausgangswerkstoffzustands abzuschätzen in der Lage war.