Low Cycle Fatigue (LCF) Kerbspannungskorrektur

Fraunhofer ITWM

In Kerben metallischer Bauteile treten bei äußerer Belastung häufig Spannungen auf, die so groß sind, dass das Metall lokal plastiziert. Dies führt dazu, dass die elastische Spannung, welche über das Hooke'sche Gesetz linear mit der elastischen Dehnung verknüpft ist, dort die wahren Spannungen überschätzt.

Nun ist es in der Praxis häufig zu aufwändig und zu teuer, eine volle nichtlineare FEM-Rechnung mit einem geeigneten elastoplastischen Hysteresegesetz (z.B. Melan-Prager, Armstrong-Frederick, Mróz, Chaboche, Jiang, ...) transient über lange Zeitintervalle durchzuführen. Falls vorhanden, nutzt man daher üblicherweise die elastische Stützwirkung des Bauteils und korrigiert die skalare Vergleichsspannung mit dem Neuber- oder dem ESED-Verfahren. Volle tensorielle Korrekturen (3D-mehrachsig) erwiesen sich bislang als wenig praktikabel, da sie zu ungenau waren.

Es wurden bestehende mehrachsige elastoplastische Korrekturverfahren verbessert und Numeriken zur Lösung der resultierenden DAE-Systeme entwickelt. Die neuen, verbesserten Methoden erlauben eine hinreichend genaue Approximation aller drei Komponenten des wahren ebenen Spannungstensors im Kerbgrund.


Zur Identifikation der zahlreichen Parameter für das elastoplastische Hysteresegesetz wird das Verfahren der Automatischen Differentiation (AD) verwendet, welches schnelle und exakte Gradientenauswertungen ermöglicht. Auf diese Weise kann ein genauerer Abgleich mit Kerbdehnungsmessungen oder transienten FEM-Rechnungen erfolgen als bisher.