: Hans Albert Richard, Manuela Sander
: Ermüdungsrisse Erkennen, sicher beurteilen, vermeiden
: Vieweg+Teubner (GWV)
: 9783834892324
: 1
: CHF 24.00
:
: Maschinenbau, Fertigungstechnik
: German
: 256
: DRM
: PC/MAC/eReader/Tablet
: PDF
Das Fachbuch Ermüdungsrisse beschäftigt sich mit der Auslegung von Bauteilen nach Festigkeitskriterien sowie der Analyse von Schäden durch Risswachstum bei Belastung mit konstanter Amplitude und bei Betriebsbelastung. Die Ermittlung und Darstellung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte und -kennfunktionen wird behandelt. Selbsterklärende Abbildungen zu charakteristischen Anwendungsbeispielen aus der Praxis visualisieren überzeugend die dargestellten Sachverhalte.

Prof. Dr.-Ing. habil. Hans Albert Richard leitet die Fachgruppe Angewandte Mechanik der Universität Paderborn und lehrt u.a. Technische Mechanik und Strukturmechanik.
Prof. Dr.-Ing. habil. Manuela Sander leitet den Lehrstuhl für Strukturmechanik an der Universität Rostock und lehrt u. a. Technische Mechanik und Betriebsfestigkeit.
6 Ermüdungsrisswachstum bei Betriebsbelastung (S. 177-178)

Risswachstumssimulationen und Lebensdauervorhersagen berücksichtigen häufig nur einstufige Belastungen, wie es im Kapitel 4 beschrieben ist. Während der Einsatzzeit ist ein Bauteil jedoch einer Betriebsbelastung ausgesetzt, die sich aus unterschiedlichen Belastungswechseln, wie z. B. Über- und Unterlasten, Blocklasten oder Änderungen der Belastungsrichtungen, zusammensetzt. Im Allgemeinen treten diese nicht regelmäßig auf, sondern entstehen zufällig aus der gesamten Nutzungssituation. Durch diese Betriebsbelastung kommt es zu so genannten Reihenfolgeeffekten, die sowohl zu einer Lebensdauerverlängerung als auch zu einer Lebensdauerverminderung führen können.

Das heißt, dass die Lebensdauervorhersagen auf der Grundlage einer konstanten Amplitudenbelastung ein hohes Potential an Unsicherheit beinhalten. Da die Vorhersage des Ermüdungsrisswachstums jedoch so genau wie möglich sein sollte, ergibt sich daraus – insbesondere vor dem Hintergrund der sicherheitstechnischen und ökonomischen Konsequenzen – eine komplexe Fragestellung. Aus ökonomischen Gesichtspunkten ist eine optimale Ausnutzung des Werkstoffs anzustreben, so dass zu konservative Vorhersagen vermieden werden müssen. Wesentlicher ist jedoch die Frage hinsichtlich der Ausfallsicherheit eines Bauteils oder einer Struktur. Um weder Mensch noch Umwelt zu gefährden, dürfen die Prognosen in keinem Fall nicht-konservativ sein, d. h. das Bauteil darf nicht bereits vor der prognostizierten Lebensdauer versagen. Aus diesem Grund sind entsprechende Konzepte unter Berücksichtigung der Betriebsbelastung erforderlich.

6.1 Lastspektren und -kollektive

Für eine sichere Vorhersage der Lebensdauer eines Bauteils, einer Maschine oder Anlage, ist die Kenntnis der Belastung bzw. der Beanspruchung von Bedeutung. Bei einer Betriebsbelastung, die durch eine Belastungs- bzw. Beanspruchungs-Zeit-Funktion beschrieben werden kann, ist die Kenntnis einerseits der Amplituden und zugehörigen Mittelspannungen sowie andererseits die zeitliche Abfolge der Belastung unbedingt erforderlich.

6.1.1 Bestimmung von Betriebsbelastungen

Die Ableitung und Generierung von Belastungs-Zeit-Funktionen für die Berechnung oder die experimentelle Ermittlung der Lebensdauer von Bauteilen und Strukturen basiert im Allgemeinen auf einer quantitativen und einer qualitativen Analyse [6-1, 6-2]. Durch die quantitative Analyse wird zunächst das Einsatzprofil eines Bauteils oder einer Struktur definiert, durch das die voraussichtliche Nutzung der betreffenden Konstruktion sowie die Häufigkeit, Verteilung und Reihenfolge der einzelnen Lastfälle festgeschrieben wird. Beispielsweise muss für einen PKW festgelegt werden, welche Fahrstrecke, wie oft und wie lange durchschnittlich befahren wird, oder welchen Einfluss der Fahrer auf die Belastung hat [6-1].

Bei der quantitativen Analyse werden die Bauteilbelastungen unter realen Belastungsbedingungen in Abhängigkeit der entsprechenden Lastfälle ermittelt. Die Möglichkeiten der Ermittlung der Bauteilbelastungen im Rahmen einer quantitativen Analyse sind sehr vielfältig. Grundsätzlich stehen die Betriebslastmessung, die rechnerische Simulation, die analytische Simulation oder die Abschätzung zur Verfügung, die je nach Entwicklungs- und Konstruktionsphase Anwendung finden. Neben der sehr häufig eingesetzten Betriebslastmessung, bei der die Aufzeichnung mit Messelementen, wie z. B. Dehnungsmessstreifen, erfolgt, findet auch immer mehr die rechnerische bzw. numerische Simulation Anwendung. Dies führt beispielsweise dazu, dass die Straßenfahrt eines Gesamtfahrzeugs unter Verwendung entsprechender Reifenmodelle, der numerischen Abbildung eines Straßenprofils und eines Fahrermodells virtuell simuliert werden kann [6-3].
Vorwort5
Inhaltsverzeichnis7
1 Auslegung von Bauteilen und Strukturen nach Festigkeitskriterien12
1.1 Belastungen von Bauteilen und Strukturen12
1.3 Statischer Festigkeitsnachweis19
1.4 Dauerfestigkeitsnachweis27
1.5 Betriebsfestigkeitsnachweis32
1.6 Sonstige Nachweise33
1.7 Grenzen der klassischen Bauteilauslegung33
Literatur zu Kapitel 134
2 Schäden durch Risswachstum35
2.1 Rissentstehung und Risswachstum37
2.2 Stabiles und instabiles Risswachstum39
2.3 Schadensanalyse / Bruchflächenanalyse40
2.4 Ermüdungsrisswachstum beim ICE-Radreifen44
2.5 Risswachstum in einem Pressenkörper45
2.6 Ermüdungsrisswachstum im Verschlusskörper einer Innenhochdruckumformmaschine46
2.7 Bruch der Antriebswelle eines Oldtimer-Autos47
2.9 Prinzipielle Rissverläufe und Rissformen in Bauteilen und Strukturen49
2.10 Risse erkennen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren57
Literatur zu Kapitel 259
3 Grundlagen der Bruchmechanik62
3.1 Risse und Rissbeanspruchungsarten62
3.2 Spannungsverteilungen an Rissen64
3.3 Verschiebungsfelder in der Rissumgebung72
3.4 Spannungsintensitätsfaktoren73
3.5 Lokale Plastizität an der Rissspitze88
3.6 Energiefreisetzungsrate und J-Integral93
3.7 Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren und anderer bruchmechanischer Größen95
3.8 Konzepte zur Vorhersage des instabilen Risswachstums100
3.9 Risszähigkeiten106
3.10 Bewertung von Bauteilen mit Rissen mit bruchmechanischen Methoden107
3.11 Zusammenwirken von Festigkeitsberechnung und Bruchmechanik111
Literatur zu Kapitel 3114
4 Ermüdungsrisswachstum bei zyklischer Belastung mit konstanter Amplitude117
4.1 Zusammenhang zwischen Bauteilbelastung und zyklischer Spannungsintensität117
4.2 Zusammenhang zwischen Rissgeschwindigkeit und zyklischem Spannungsintensitätsfaktor bei Mode I123
4.3 Rissausbreitungskonzepte bei Mode I135
4.4 Risswachstum bei Mode II-, Mode III- und Mixed-Mode- Beanspruchung141
4.5 Vorgehensweise bei der Bewertung des Ermüdungsrisswachstums145
4.6 Zusammenwirken von Dauerfestigkeitsberechnung und Bruchmechanik149
Literatur zu Kapitel 4151
5 Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte154
5.1 Kritischer Spannungsintensitätsfaktor und Risszähigkeit154
5.2 Thresholdwerte und Rissgeschwindigkeitskurven162
5.3 Werkstoffkennwerte für das Mode I-Risswachstum175
5.4 Werkstoffkennwerte bei Mode II- und Mixed Mode- Beanspruchung181
Literatur zu Kapitel 5185
6 Ermüdungsrisswachstum bei Betriebsbelastung188
6.1 Lastspektren und -kollektive188
6.2 Reihenfolgeeffekte und ihre Wirkung191
6.3 Rissfortschrittskonzepte bei Belastung mit variabler Amplitude204
6.4 Mixed-Mode-Beanspruchung217
Literatur zu Kapitel 6219
7 Simulationen des Ermüdungsrisswachstums223
7.1 Analytische Risswachstumssimulationen223
7.2 Numerische Risswachstumssimulationen225
7.3 Bestimmung der Wirkung von Belastungswechseln mittels Finite-Elemente-Analysen231
Literatur zu Kapitel 7235
8 Praxisbeispiele238
8.1 Leck in einer Rohrleitung238
8.2 Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums im ICERadreifen241
8.3 Simulation des Ermüdungsrisswachstums in einem Pressenkörper248
8.4 Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen, Anlagen und Strukturen251
Literatur zu Kapitel 8254
9 Wichtige Formelzeichen256
Sachwortverzeichnis262