Ermüdungsrisse (eBook)

Erkennen, sicher beurteilen, vermeiden

Hans Albert Richard, Manuela Sander (Autoren)

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2009 | 2009
XII, 256 Seiten
Vieweg & Teubner (Verlag)
978-3-8348-9232-4 (ISBN)

Infos

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.

Inhalt

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
1 Auslegung von Bauteilen und Strukturen nach Festigkeitskriterien 12
1.1 Belastungen von Bauteilen und Strukturen 12
1.3 Statischer Festigkeitsnachweis 19
1.4 Dauerfestigkeitsnachweis 27
1.5 Betriebsfestigkeitsnachweis 32
1.6 Sonstige Nachweise 33
1.7 Grenzen der klassischen Bauteilauslegung 33
Literatur zu Kapitel 1 34
2 Schäden durch Risswachstum 35
2.1 Rissentstehung und Risswachstum 37
2.2 Stabiles und instabiles Risswachstum 39
2.3 Schadensanalyse / Bruchflächenanalyse 40
2.4 Ermüdungsrisswachstum beim ICE-Radreifen 44
2.5 Risswachstum in einem Pressenkörper 45
2.6 Ermüdungsrisswachstum im Verschlusskörper einer Innenhochdruckumformmaschine 46
2.7 Bruch der Antriebswelle eines Oldtimer-Autos 47
2.9 Prinzipielle Rissverläufe und Rissformen in Bauteilen und Strukturen 49
2.10 Risse erkennen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren 57
Literatur zu Kapitel 2 59
3 Grundlagen der Bruchmechanik 62
3.1 Risse und Rissbeanspruchungsarten 62
3.2 Spannungsverteilungen an Rissen 64
3.3 Verschiebungsfelder in der Rissumgebung 72
3.4 Spannungsintensitätsfaktoren 73
3.5 Lokale Plastizität an der Rissspitze 88
3.6 Energiefreisetzungsrate und J-Integral 93
3.7 Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren und anderer bruchmechanischer Größen 95
3.8 Konzepte zur Vorhersage des instabilen Risswachstums 100
3.9 Risszähigkeiten 106
3.10 Bewertung von Bauteilen mit Rissen mit bruchmechanischen Methoden 107
3.11 Zusammenwirken von Festigkeitsberechnung und Bruchmechanik 111
Literatur zu Kapitel 3 114
4 Ermüdungsrisswachstum bei zyklischer Belastung mit konstanter Amplitude 117
4.1 Zusammenhang zwischen Bauteilbelastung und zyklischer Spannungsintensität 117
4.2 Zusammenhang zwischen Rissgeschwindigkeit und zyklischem Spannungsintensitätsfaktor bei Mode I 123
4.3 Rissausbreitungskonzepte bei Mode I 135
4.4 Risswachstum bei Mode II-, Mode III- und Mixed-Mode- Beanspruchung 141
4.5 Vorgehensweise bei der Bewertung des Ermüdungsrisswachstums 145
4.6 Zusammenwirken von Dauerfestigkeitsberechnung und Bruchmechanik 149
Literatur zu Kapitel 4 151
5 Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte 154
5.1 Kritischer Spannungsintensitätsfaktor und Risszähigkeit 154
5.2 Thresholdwerte und Rissgeschwindigkeitskurven 162
5.3 Werkstoffkennwerte für das Mode I-Risswachstum 175
5.4 Werkstoffkennwerte bei Mode II- und Mixed Mode- Beanspruchung 181
Literatur zu Kapitel 5 185
6 Ermüdungsrisswachstum bei Betriebsbelastung 188
6.1 Lastspektren und -kollektive 188
6.2 Reihenfolgeeffekte und ihre Wirkung 191
6.3 Rissfortschrittskonzepte bei Belastung mit variabler Amplitude 204
6.4 Mixed-Mode-Beanspruchung 217
Literatur zu Kapitel 6 219
7 Simulationen des Ermüdungsrisswachstums 223
7.1 Analytische Risswachstumssimulationen 223
7.2 Numerische Risswachstumssimulationen 225
7.3 Bestimmung der Wirkung von Belastungswechseln mittels Finite-Elemente-Analysen 231
Literatur zu Kapitel 7 235
8 Praxisbeispiele 238
8.1 Leck in einer Rohrleitung 238
8.2 Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums im ICERadreifen 241
8.3 Simulation des Ermüdungsrisswachstums in einem Pressenkörper 248
8.4 Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen, Anlagen und Strukturen 251
Literatur zu Kapitel 8 254
9 Wichtige Formelzeichen 256
Sachwortverzeichnis 262

Textauszug

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].

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 8.2.2009
• Zusatzinfo: XII, 256 S. 181 Abb.
• Verlagsort: Wiesbaden
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: analytische Risswachstumssimulation • Betriebsbelastung • Betriebsfestigkeit • Bruchmechanik • Ermüdung • Ermüdungsrisswachstum • Festigkeit • Lastspektrum • Mechanik • Mixed-Mode-Beanspruchung • Reihenf • Rissgeschwindigkeitskurve • Risswachstum • Schäden durch Risswachstum • Simulation • statischer Festigkeitsnachweis • Werkstoff
• ISBN-10: 3-8348-9232-7 / 3834892327
• ISBN-13: 978-3-8348-9232-4 / 9783834892324