Design Optimization of Components Based on Material Mechanics Fatigue Concepts : Dedicated to Professor Joachim W. Bergmann on Occasion of his 65 ^th Birthday Translated title: Bauteiloptimierung auf Basis werkstoffmechanischer Ermüdungskonzepte

Abstract

The paper deals with the fatigue design concepts for engineering components based on material properties and mechanics, i.e. the Short Crack Model (SCM), the Local Strain Approach (LSA), and the Effective Notch Stress Concept (ENSC) for welds. The calculation procedures are presented and their accuracy and robustness are demonstrated on the example of a cab bearing console providing complex geometry (geometry notch, weld with pronounced start and ends) and subjected to operating loading with variable stress amplitudes and mean stresses. Parametrical studies considering two ductile steels were performed. Comparison of calculated curves by means of the SCM and the LSA supported by the P _{SW T}-parameter explores life factors of 3 to 6.7 emphasizing the crucial influence of load sequence effects on fatigue life and the usefulness of the SCM to consider them. The choice of the material influences the lifetime of the console significantly (life factors of ∼5 to ∼11 depending on the applied model). The weld design was assessed by the ENSC to be safe.

Kurzfassung

Im vorliegenden Beitrag werden örtliche Konzepte für die Auslegung von Bauteilen diskutiert. Es wird insbesondere auf das Kurzrissmodell, das örtliche Konzept und das Konzept der effektiven Kerbspannung eingegangen. Ihre Robustheit wird am Beispiel einer Lkw-Fahrerhauskonsole mit komplexer Geometrie (geometrische Kerben, Schweißkerben mit Nahtanfang und -ende) und Betriebsbelastung (zusammengesetzte Lasten mit Mittelspannungen und variablen Amplituden) demonstriert. Die parametrischen Studien decken zwei Werkstoffe ab. Die nach dem Kurzrissmodell und dem örtlichen Konzept (unterstützt vom P _SWT-Parameter) errechneten Anrisslebensdauern unterscheiden sich — je nach Werkstoff — um einen Lebensdauerfaktor von 3 bis 6,7. Dies zeigt den großen Einfluss von Last-Reihenfolgeeffekten auf die Betriebslebensdauer und die Leistungsfähigkeit des Kurzrissmodells bei ihrer Erfassung. Die Wahl des Werkstoffes beeinflusst die Anrisslebensdauer — je nach Konzept — um Lebensdauerfaktoren ∼5 bis ∼11. Die Schweißkerben wurden nach dem Konzept der effektiven Kerbspannung als ermüdungssicher bewertet.