Modellbasierte Lebensdauerprognose für dynamisch beanspruchte Elastomerbauteile
Lebensdauerprognosen werden im technischen Bereich durchgeführt, um den zu erwartenden Ausfallzeitpunkt eines Bauteils bei vorgegebenen Belastungen und Randbedingungen zu berechnen. Auf diese Weise können für das betrachtete Bauteil die notwendigen Wartungs- bzw. Austauschintervalle ermittelt werden. Die Lebensdauerprognose für Elastomerbauteile ist aufgrund steigender Anforderungen an die Genauigkeit sowie die Berücksichtigung werkstoffspezifischer Phänomene ein zentraler Bestandteil aktueller Forschungsarbeiten der Branche. Oft ist die Übereinstimmung zwischen in experimentellen Versuchen beobachteten und den mit heutigen Prognoseansätzen berechneten Bauteillebensdauern mangelhaft.
Dies macht deutlich, dass die Anwendung einfacher, von der Anwendung auf Metalle abgeleiteter Prognosemodelle langfristig keine zufriedenstellende Lösung darstellen kann. Vielmehr sind solche Modelle zu entwickeln, die speziell auf die komplexen Werkstoffeigenschaften der Elastomere zugeschnitten sind. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Implementierung eines neuartigen Ansatzes zur Lebensdauerprognose für dynamisch beanspruchte Elastomerbauteile, dessen Prognoseergebnisse durch experimentelle Versuchsreihen verifiziert werden.
Anhand von experimentellen Versuchsreihen an elastischen Kupplungen wird ein mathematischer Ansatz hergeleitet, der abweichend von der heute verwendeten linearen Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren und Miner eine nichtlineare Schadensakkumulation ermöglicht. Bei der Berechnung der durch einen Lastwechsel hervorgerufenen Teilschädigung, wird stets die bereits durch vorangegangene Lastwechsel hervorgerufene Schädigung berücksichtigt. Auf diese Weise wird die Integration des für Elastomere bekannten „Langzeitgedächtnisses“ auch für lange zurückliegende Belastungszustände ermöglicht. Zwei aufeinanderfolgende Lastwechsel mit identischer Belastung haben somit keine identische schädigende Wirkung, da für den zweiten Lastwechsel eine andere Vorschädigung vorliegt als für den ersten.
Weiterhin wird aus den durchgeführten experimentellen Versuchsreihen ein Kurzzeitprüfprogramm für Elastomerkupplungen abgeleitet, welches sich aus einer Kombination von Einstufen- und Lastkollektivversuchen zusammensetzt. Hierdurch können die freien Parameter des mathematischen Ansatzes mit minimalem experimentellem Aufwand kalibriert werden.
Die am Beispiel der Elastomerkupplungen durchgeführten Lebensdauerprognosen werden mit den beobachteten Ausfallzeitpunkten verglichen und zeigen eine sehr gute Prognosequalität.
Lifetime-predictions in technical applications are performed to calculate the estimated failure of a component under given load conditions. Based on that calculation, the necessary service- and inspection intervals for a component are determined. Due to increasing requirements regarding accuracy and the consideration of material specific phenomena, the lifetime-prediction for elastomer components is focus of a number of current research works. Today, the accordance of calculated lifetime and observed failure in experiments is often inadequate.
That reveals the need of new models to predict the lifetime of elastomer components. Actual damage calculation, often based on methods that were proofed to work well applied to metal components, should not be the final state for elastomers. There is rather a need for models, which are tailored to their complex material properties. In this thesis the implementation of a new model for lifetime-prediction for dynamically loaded elastomer components is described. The calculated lifetimes are compared to experimental data that were recorded during dynamic long-term tests of flexible couplings.
By means of experimental test series, the new model is derived using a mathematical term for nonlinear damage calculation. The resulting damage of a load cycle is calculated considering the existing damage of the analysed component. Thus the known “long-term memory” of elastomer materials for previous load cycles is integrated into the new model. Two consecutive load cycles with an identically load do not cause an identical damage, because the existing damage of the second load cycle is major than the existing damage of the first one.
Furthermore the experimental test series are used to derive a short-term test routine for flexible couplings, which comprises a combination of a single level- and a load spectrum test. In this manner the free parameters of the mathematical term for nonlinear damage calculation can be calibrated with a minimum of required experimental effort.
The calculated lifetime-predictions using the example of flexible couplings are compared to the observed damage progress in experimental tests under several load sequences. The results of the predicted damage progress show a very good accordance with the observed failure of the tested components.
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