Sicherheit und Betriebsfestigkeit von Maschinen und Anlagen (eBook)

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Liste der Formelzeichen 9
Kapitel 1 Einleitung 15
Kapitel 2 Konzepte zur festigkeitsgerechten und bruchsicheren Gestaltung 18
2.1 Belastungs- und Beanspruchungs-Zeit-Funktionen 20
2.2 Statischer Festigkeitsnachweis 27
2.3 Dauerfestigkeitsnachweis 28
2.4 Konzepte der klassischen Betriebsfestigkeit 38
2.5 Konzepte der klassischen Bruchmechanik 60
Kapitel 3 Zusammenwirken von Betriebsfestigkeit und Bruchmechanik bei der Lebensdauervorhersage 91
3.1 Entstehung von Ermüdungsrissen 91
3.2 Kurzrisswachstumskonzepte 113
3.3 Gesamtlebensdauerkonzepte 136
Kapitel 4 Ultra high cycle fatigue 142
4.1 Rissinitiierung bei sehr hohen Lastwechselzahlen 143
4.2 Wöhlerkurve im Bereich hoher Lastwechselzahlen 149
4.3 Auslegungskonzept (Lebensdauerkonzept) nach Murakami 151
4.4 Lebensdauerberechnung im fish-eye 152
4.5 Bruchmechanische Lebensdaueransätze 155
Kapitel 5 Bewertung, Vergleich und Anwendung der Konzepte 157
5.1 Experimentelle Untersuchungen 157
5.2 Numerische Untersuchungen 166
5.3 Analytische Ermittlung von Rissfortschrittswöhlerlinien 168
5.4 Betriebsfestigkeits- und kombinierte Konzepte 170
5.5 Konzepte der Rissinitiierung 193
5.6 Bruchmechanische Konzepte 198
Literaturverzeichnis 207
Sachwortverzeichnis 221

"Kapitel 1 Einleitung (S. 1-2)

Aufgrund katastrophaler Unfälle der Vergangenheit, wie z.B. des ICE-Unglücks von Eschede oder des Aloha-Unglücks von Hawaii, werden Fragen hinsichtlich der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bauteilen und Strukturen insbesondere vor dem Hintergrund der sicherheitstechnischen und ökonomischen Konsequenzen immer bedeutender. Aus sicherheitstechnischen Gründen muss ein Bauteil in jedem Fall zuverlässig sein, d.h. es darf während einer definierten Zeitdauer unter angegebenen Funktions- und Umgebungsbedingungen nicht ausfallen.

Eine Verbesserung der strukturmechanischen Zuverlässigkeit von Bauteilen und somit von Maschinen und Anlagen führt im Allgemeinen zwar zu einer Senkung der Instandhaltungskosten, aber verursacht ihrerseits erneut Kosten, die umso höher sind, je höher das angestrebte Zuverlässigkeitsniveau ist [169]. Unter ökonomischen Gesichtspunkten ist also ein Kostenminimum zu finden, bei dem trotzdem in jedem Fall Sicherheit für Mensch und Umwelt gewährleistet wird.

Um ein möglichst hohes Maß an Zuverlässigkeit bei minimalen Kosten zu erreichen, sind bereits in der Produktentwicklungsphase geeignete Auslegungskriterien sowie Methoden und Konzepte zur Lebensdauervorhersage für Bauteile und Strukturen unter zyklischer Belastung notwendig. Die Auslegungskriterien sind je nach Anwendungsgebiet sehr unterschiedlich. So werden in der Luft- und Raumfahrt, aber auch anderen technischen Bereichen, zwei Auslegungskonzepte verfolgt:

Das „Safe- life""-Kriterium und das Schadenstoleranz-(damage tolerant)-Konzept. Nach dem „Safe-life""-Kriterium ist ein Bauteil oder eine Struktur so auszulegen, dass es während der gesamten Einsatzzeit unter dem zu erwartenden Belastungsspektrum nicht versagt. Bei einer derartigen Auslegung ist zu beachten, dass Werkstoffkennwerte variieren oder aber sich das Einsatzprofil verändern kann. Die Berücksichtigung dieser Risiken erfolgt sehr häufig durch entsprechende Sicherheitsfaktoren, die zu konservativen und damit unter Umständen zu ökonomisch uninteressanten Auslegungen führen.

Die Wahl des Sicherheitsfaktors hängt sehr entscheidend vom Einsatzgebiet der Maschine, der Anlage oder des Verkehrsmittels ab. Die FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile"" [67] definiert einen Sicherheitsfaktor in Abhängigkeit des Werk stoffs, der Durchführung regelmäßiger Inspektionen und der Schadensfolge, die sich durch den Ausfall eines Bauteils oder einer Struktur für Mensch und Umwelt ergibt. Nach der DIN EN-50126 wird in der Eisenbahntechnik die Gefahren- oder Risikostufe nach der Häufigkeit eines Gefahrenfalls eingeteilt. Bei einer Konstruktion nach dem „Safe-life""-Prinzip ist rein theoretisch keine Inspektion des Bauteils oder der Maschine vorzunehmen.

Allerdings treten in der Praxis immer wieder unvorhersehbare Ereignisse, wie z.B. Umgebungseinflüsse oder Nutzungsänderungen auf, die eine Inspektion unverzichtbar machen. In diesem Zusammenhang ist der Begriff „safety by inspection"" geprägt worden [68]. Alternativ zum „Safe-life""-Prinzip wurden Maschinen, Anlagen und Verkehrsmittel zunächst nach dem „Fail-Safe""-Kriterium ausgelegt, bei dem für sicherheitsrelevante Bauteile strukturelle Redundanz vorgeschlagen wird. Falls ein Bauteil versagt, überträgt ein anderes die Belastung. Da dies jedoch im Allgemeinen eine sehr kostenintensive Vorgehensweise ist, geht das Schadenstoleranz- Konzept davon aus, dass während des Betriebs in einem Bauteil Fehler auftreten, die unter Überwachung kontrolliert wachsen. Mittels entsprechender Inspektionen wird gewährleistet, dass die Fehler und Risse eine kritische Größe mit einer gewissen Sicherheit nicht überschreiten und so eine Redundanz überflüssig wird."