A simulation-based approach to the fluid-structure interaction inside fatigue cracks in hydraulic components

Ermüdungsbelastungen spielen eine wichtige Rolle bei der Dimensionierung hydraulischer Bauelemente. Zyklische Belastungen führen zu Risswachstum, welches die Lebensdauer der Bauelemente limitiert. Bei Neuentwicklungen sind aufwendige Versuche notwendig, um die gewünschte Lebensdauer sicherzustellen.
Nach dem Prinzip der linearen Schadensakkumulation wird davon ausgegangen, dass die Schädigung unabhängig von dem zeitlichen Verlauf der Beanspruchung auftritt. Versuche mit hydraulischen Bauteilen haben jedoch gezeigt, dass der zeitliche Verlauf der Belastung einen Einfluss auf das Ermüdungsverhalten hat. ... mehrIn bisherigen Versuchen wurden zwei konkurrierende Mechanismen als Ursache ermittelt.
Aufgrund des Öldruckes werden die Rissflanken durch das eindringende Öl zusätzlich belastet. Das hochviskose Öl fließt bei Lastwechseln jedoch nur mit Verzögerung aus dem Riss, wodurch bei schnellen zyklischen Lastenwechseln die effektive Schädigungsamplitude verringert wird. Bisherige Untersuchungen konnten den Einfluss der beiden Mechanismen nicht abschließend quantifizieren und voneinander abgrenzen.
Diese Arbeit untersucht den Ölfluss innerhalb von Rissen und dessen Einfluss auf die Schädigungsamplitude. Die Strömung im Riss wird mit einer Dünnfilmströmung modelliert und mit einem Fließstreifenmodell der Rissöffnung gekoppelt. Während zyklischer Druckbelastung wird der Ölfluss im Riss über die Bauteildehnung ermittelt und die Simulationsmodelle validiert.
Die Ergebnisse verbessern das Verständnis der Fluid-Struktur-Interaktion und deren Einfluss auf das Ermüdungsverhalten in Rissen. Angepasste Simulationsmethoden können die Anzahl der notwendigen Versuche verringern, um Entwicklungsprozesse schneller und kosteneffizienter zu gestalten.

Fatigue plays an important role in the dimensioning of hydraulic components. Cyclic loads lead to crack growth, limiting the components' service life, and new developments require extensive testing to ensure the desired service life.
The principle of linear damage accumulation assumes that the damage is independent of the progression over time. Only the number and amplitude of the load cycles are relevant. However, experiments on hydraulic components indicated that the temporal gradient of the applied load pressure influences fatigue crack growth.
Previous studies have raised two competing mechanisms. ... mehrOn the one hand, the hydraulic pressure causes an additional load on the crack faces as the oil penetrates the crack. On the other hand, a highly viscous fluid cannot flow out of the crack during rapid load changes, which reduces the effective damage amplitude. Previous empirical studies did not differentiate between these mechanisms or quantify their impact.
This work investigates the oil flow within a crack and its influence on the damage amplitude. Due to the small crack sizes, measuring the fluid flow within fatigue cracks is difficult. Instead, the flow in the crack is modeled with an averaged thin-film flow and coupled with a mechanical model of the crack opening to a dynamic simulation of the fluid-structure interaction. Strain measurements during cyclic pressure pulsations permit reconstruction of the oil flow and validation of the simulation.
The simulation method is able to simulate the oil flow in the crack and the crack opening displacement during rapid load changes, providing a better understanding of the fluid-structure interaction in fatigue cracks and its impact on fatigue crack growth. Adapted simulations can reduce the number of necessary tests and thus make development processes faster and more cost-effective.