Richard / Sander Ermüdungsrisse
2009
ISBN: 978-3-8348-9232-4
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Erkennen, sicher beurteilen, vermeiden
E-Book, Deutsch, 256 Seiten, eBook
ISBN: 978-3-8348-9232-4
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
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.
Zielgruppe
Professional/practitioner
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1;Vorwort;5
2;Inhaltsverzeichnis;7
3;1 Auslegung von Bauteilen und Strukturen nach Festigkeitskriterien;12
3.1;1.1 Belastungen von Bauteilen und Strukturen;12
3.2;1.3 Statischer Festigkeitsnachweis;19
3.3;1.4 Dauerfestigkeitsnachweis;27
3.4;1.5 Betriebsfestigkeitsnachweis;32
3.5;1.6 Sonstige Nachweise;33
3.6;1.7 Grenzen der klassischen Bauteilauslegung;33
3.7;Literatur zu Kapitel 1;34
4;2 Schäden durch Risswachstum;35
4.1;2.1 Rissentstehung und Risswachstum;37
4.2;2.2 Stabiles und instabiles Risswachstum;39
4.3;2.3 Schadensanalyse / Bruchflächenanalyse;40
4.4;2.4 Ermüdungsrisswachstum beim ICE-Radreifen;44
4.5;2.5 Risswachstum in einem Pressenkörper;45
4.6;2.6 Ermüdungsrisswachstum im Verschlusskörper einer Innenhochdruckumformmaschine;46
4.7;2.7 Bruch der Antriebswelle eines Oldtimer-Autos;47
4.8;2.9 Prinzipielle Rissverläufe und Rissformen in Bauteilen und Strukturen;49
4.9;2.10 Risse erkennen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren;57
4.10;Literatur zu Kapitel 2;59
5;3 Grundlagen der Bruchmechanik;62
5.1;3.1 Risse und Rissbeanspruchungsarten;62
5.2;3.2 Spannungsverteilungen an Rissen;64
5.3;3.3 Verschiebungsfelder in der Rissumgebung;72
5.4;3.4 Spannungsintensitätsfaktoren;73
5.5;3.5 Lokale Plastizität an der Rissspitze;88
5.6;3.6 Energiefreisetzungsrate und J-Integral;93
5.7;3.7 Ermittlung der Spannungsintensitätsfaktoren und anderer bruchmechanischer Größen;95
5.8;3.8 Konzepte zur Vorhersage des instabilen Risswachstums;100
5.9;3.9 Risszähigkeiten;106
5.10;3.10 Bewertung von Bauteilen mit Rissen mit bruchmechanischen Methoden;107
5.11;3.11 Zusammenwirken von Festigkeitsberechnung und Bruchmechanik;111
5.12;Literatur zu Kapitel 3;114
6;4 Ermüdungsrisswachstum bei zyklischer Belastung mit konstanter Amplitude;117
6.1;4.1 Zusammenhang zwischen Bauteilbelastung und zyklischer Spannungsintensität;117
6.2;4.2 Zusammenhang zwischen Rissgeschwindigkeit und zyklischem Spannungsintensitätsfaktor bei Mode I;123
6.3;4.3 Rissausbreitungskonzepte bei Mode I;135
6.4;4.4 Risswachstum bei Mode II-, Mode III- und Mixed-Mode- Beanspruchung;141
6.5;4.5 Vorgehensweise bei der Bewertung des Ermüdungsrisswachstums;145
6.6;4.6 Zusammenwirken von Dauerfestigkeitsberechnung und Bruchmechanik;149
6.7;Literatur zu Kapitel 4;151
7;5 Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte;154
7.1;5.1 Kritischer Spannungsintensitätsfaktor und Risszähigkeit;154
7.2;5.2 Thresholdwerte und Rissgeschwindigkeitskurven;162
7.3;5.3 Werkstoffkennwerte für das Mode I-Risswachstum;175
7.4;5.4 Werkstoffkennwerte bei Mode II- und Mixed Mode- Beanspruchung;181
7.5;Literatur zu Kapitel 5;185
8;6 Ermüdungsrisswachstum bei Betriebsbelastung;188
8.1;6.1 Lastspektren und -kollektive;188
8.2;6.2 Reihenfolgeeffekte und ihre Wirkung;191
8.3;6.3 Rissfortschrittskonzepte bei Belastung mit variabler Amplitude;204
8.4;6.4 Mixed-Mode-Beanspruchung;217
8.5;Literatur zu Kapitel 6;219
9;7 Simulationen des Ermüdungsrisswachstums;223
9.1;7.1 Analytische Risswachstumssimulationen;223
9.2;7.2 Numerische Risswachstumssimulationen;225
9.3;7.3 Bestimmung der Wirkung von Belastungswechseln mittels Finite-Elemente-Analysen;231
9.4;Literatur zu Kapitel 7;235
10;8 Praxisbeispiele;238
10.1;8.1 Leck in einer Rohrleitung;238
10.2;8.2 Untersuchung des Ermüdungsrisswachstums im ICERadreifen;241
10.3;8.3 Simulation des Ermüdungsrisswachstums in einem Pressenkörper;248
10.4;8.4 Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen, Anlagen und Strukturen;251
10.5;Literatur zu Kapitel 8;254
11;9 Wichtige Formelzeichen;256
12;Sachwortverzeichnis;262
Auslegung von Bauteilen und Strukturen nach Festigkeitskriterien.- Schäden durch Risswachstum.- Grundlagen der Bruchmechanik.- Ermüdungsrisswachstum bei zyklischer Belastung mit konstanter Amplitude.- Experimentelle Ermittlung bruchmechanischer Werkstoffkennwerte.- Ermüdungsrisswachstum bei Betriebsbelastung.- Simulationen des Ermüdungsrisswachstums.- Praxisbeispiele.
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].
