Experimentelle und analytische Untersuchung von Weiterentwicklungen des Ermüdungsschadensspektrums (FDS)

Das Fatigue Damage Spectrum (FDS) ist eine in der Industrie weit verbreitete Methode zur Durchführung von beschleunigten Schwingungsprüfungen an mechanischen Bauteilen und Strukturen. Bei dieser Methode werden komprimierte Prüfsignale im Zeitbereich verwendet, um die Schwingungsgeschwindigkeit abzuleiten, die wiederum zur Ermittlung der induzierten mechanischen Spannungen verwendet wird. Unter Berücksichtigung der SN-Kurveneigenschaften (Steigung und Achsenabschnitt) des Materials und des linearen Schadensakkumulationsmodells (Palmgren/Miner) wird der Schaden für das Bauteil im Frequenzbereich abgeleitet. Die grundlegende Idee des Verfahrens besteht darin, die Zeit des Prüfsignals zu reduzieren und gleichzeitig den Schädigungsanteil in jedem Frequenzband konstant zu halten. Das beschleunigte Signal wird mit Hilfe einer Verteilungsfunktion aus dem Frequenzbereich in das Zeitsignal zurückgewandelt. Dieses Verfahren gewährleistet die Konstanthaltung des Schädigungsgehalts in jedem Frequenzband bei gleichzeitiger Reduktion der Prüfzeiten auf Prüfständen.
Das Verfahren nutzt die Beziehung zwischen Schwingungsgeschwindigkeit und mechanischer Spannung, um auf die Schädigung zu schließen. In jüngster Zeit wurden auch andere Schwingungsparameter wie die Beschleunigung für die Abhängigkeit von den mechanischen Spannungen untersucht. Die Wahl der Parameter liegt jedoch in der alleinigen Verantwortung des Anwenders. Diese Studie zielt darauf ab, den Anwender bei der Wahl der Parameter zu unterstützen, indem Experimente an einem elektrodynamischen Schwingerreger durchgeführt und die Abhängigkeit der mechanischen Spannungen von verschiedenen Schwingungsparametern analysiert werden.
Darüber hinaus stellt sich die Frage, wie sich die Ergebnisse der FDS ändern würden, wenn die Parameter der SN-Kurve für das gleiche Material variiert werden (z.B. aus FKM-Richtlinien, MIL-Standard oder sogar aus einer experimentell ermittelten SN-Kurve). Die Grenzen der FDS werden in diesem Szenario untersucht.
Die Transformation des beschleunigten Signals vom Frequenz- in den Zeitbereich wird mit Hilfe einer Verteilungsfunktion (in der Regel Gauß-Verteilung) und einer zufälligen Phasenverteilung der Lastamplituden vorgenommen. In der Realität sind die Lasten jedoch häufig nicht gaußförmig. Aus einer neuen Perspektive wird die Berücksichtigung von Verteilungsfunktionen wie Lalanne, Dirlik sowie höherer statistischer Momente wie Schiefe und Kurtosis zur Rekonstruktion des beschleunigten Zeitsignals vorgeschlagen. Dabei stellt sich die Forschungsfrage, inwieweit die allgemeine Annahme einer Verteilungsfunktion gültig ist und welche zusätzlichen Informationen ggf. erforderlich sind, um eine bessere Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Ergebnissen zu erreichen.
Es werden Experimente auf einem elektrodynamischen Shaker mit Proben aus Baustahl und Elektrokupfer durchgeführt. Parallel dazu werden FEM-Simulationen sowie spektrale Methoden der Schadensberechnung zum Vergleich der experimentellen Ergebnisse eingesetzt.

Experimental and analytical investigation of further developments of Fatigue Damage Spectrum (FDS)

The Fatigue Damage Spectrum (FDS) is a popular method used in industry to execute accelerated vibration testing for mechanical components and structures. This method uses compressed test signals in time domain to derive vibrational velocity which in turn is used for obtaining induced mechanical stresses. Taking the SN-curve properties (slope and intercept) of the material and linear damage accumulation model (Palmgren/Miner) in account, the damage for the component is derived in frequency domain. The core of the process now comes into action by reducing the time of the test signal and preserving the damage content in each frequency band constant. The accelerated signal is converted back into time signal from frequency domain using a distribution function. This process ensures keeping the damage content in each frequency band constant while accelerating testing times on testbenches.
The process uses the relationship between vibrational velocity and mechanical stress to deduce the damage. Other vibrational parameters like acceleration for the dependency of mechanical stresses has also been investigated in recent times. However, the choice of parameters is the sole responsibility of the user. This study aims to aid the user in the choice of parameter by conducting experiments on an electrodynamic shaker and analysing the dependency of mechanical stresses on various vibrational parameters.
Additionally, the question arises how would the results of FDS change if SN-curve parameters are varied for the same material (e.g. from FKM Guidelines, MIL standard or even from an experimentally determined SN-curve). The limits of FDS are investigated in this scenario.
The transformation of the accelerated signal from frequency to time domain is undertaken with the help of a distribution function (often assumed to be Gauss) and a random phase distribution of the load amplitudes. In reality, loads are more often than not, non-Gaussian. From a new perspective, consideration of distribution functions like Lalanne, Dirlik as well as higher statistical moments like skewness and kurtosis are proposed for the reconstruction of the accelerated time signal. The research question arises here to which extent is the general assumption of a distribution function valid and if necessary which additional information is required to achieve a better consensus between simulated and experimental results.
Experiments are conducted on an electrodynamic shaker with samples of structural steel and electro-grade copper. In parallel, FEM simulations as well as spectral methods of damage calculation are used to compare experimental results.