Leitfaden. Betriebsfestigkeitsrechnung

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Gerrit Koenig
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1 Leitfaden für eine Betriebsfestigkeitsrechnung Empfehlung zur Lebensdauerabschätzung von Maschinenbauteilen 4. Auflage aktualisiert und erweitert von H. Gudehus und H. Zenner Herausgegeben vom Verein zur Förderung der Forschung und der Anwendung von Betriebsfestigkeits-Kenntnissen in der Eisenhüttenindustrie (VBFEh) im Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) Düsseldorf

2 INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung 1. 1 Schrifttum zu Kapitel Ermüdung metallischer Werkstoffe Phasen des Ermüdungsvorgangs, Lebensdauer Zyklisches Werkstoffverhalten in der Phase bis zum technischen Anriß Wechselverformungsverhalten normalisierter Stähle Wechsel verformungs verhalten vergüteter Stähle Zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve Verformungs verhalten bei Schwingbeanspruchung mit Mittelspannung a m * Einfluß halbzeug- und fertigungsbedingter Gefügezustände Rißfortschrittsverhalten Bruchflächenanalyse Einflüsse auf die Ermüdung von Werkstoff und Bauteil 2.17 Schrifttum zu Kapitel Konzepte einer Betriebsfestigkeitsrechnung Übersicht, Konzeptrahmen Lebensdauerrechnung bis zum technischen Anriß Anmerkungen zu den Rechenkonzepten Konzeptvarianten Ermittlung der Bauteillebensdauer für eine vorgegebene Ausfallwahrscheinlichkeit Aussagefähigkeit und Verwendbarkeit der Rechenergebnisse 3.11 Schrifttum zu Kapitel Ermittlung der betrieblichen Bauteilbelastungen und Bauteilbeanspruchungen 4. l 4.1 Anlagenbelastung und Bauteilbelastung Ermittlung der Bauteilbelastungen Messung der Bauteilbelastungen 4. 6 IX

3 4.2.2 Simulation der Bauteilbelastungen Einfache Abschätzung der Bauteilbelastungen Ermittlung der betrieblichen Bauteilbeanspruchungen Rechnerische Ermittlung der örtlichen Beanspruchungen Experimentelle Ermittlung der örtlichen Beanspruchungen und ihres zeitlichen Verlaufes 4.11 Schrifttum zu Kapitel Örtliche Spannungen, Formzahl und Kerbwirkung, Eigenspannungen Spannungen im kritischen Bauteilquerschnitt Formzahl Kerbwirkung, Stützwirkung Eigenspannungen 5. 8 Schrifttum zu Kapitel Analyse der Beanspruchungs-Zeit-Funktion, Zählverfahren, Kollektive 6. l 6.1 Grundgedanke einer Kennzeichnung Forderungen an ein Kennzeichnungsverfahren, Aussagefähigkeit der Kennzeichnungsfunktion, Randbedingungen Einparametrische Zählverfahren Die Klassengrenzenüberschreitungszählung Das Klasengrenzenüberschreitungs-Kollektiv und seine Umsetzung in ein Amplitudenkollektiv Die Bereichspaarzählung Das Bereichspaar-Kollektiv Das Amplitudenkollektiv für die Lebensdauerrechnung, Mittelung der Kollektive Anmerkungen zur Auftragung und Beschreibung von Amplitudenkollektiven Zweiparametrische Zähl verfahren Die Von-Bis-Zählung der Extrema in eine Übergangsmatrix Die Rainflowzählung und Rainflowmatrix Ermittlung einparametrischer Zählergebnisse aus der Übergangs- und Rainflowmatrix X

4 6.5.1 Ermittlung der Klassengrenzenüberschreitungen aus der Übergangsmatrix der Extrema Ermittlung von Bereichspaarzählergebnissen aus der Rainflowmatrix Vergleich von Zähl verfahren (Beispiele) Empfehlungen für die Anwendung der Zähl verfahren Ermittlung des Bemessungskollektivs durch Extrapolation des Meßkollektivs auf die Nutzungszeit Extrapolation mit Hilfe des Kollektivhöchstwertes Anmerkungen zur Vorgehensweise bei Mischkollektiven Schrifttum zu Kapitel Standardisierte Lastfolgen und Kollektive (Belastungsstandards), Darstellung am Beispiel "Walzwerksstandard" Zweck einer Standardisierung Durchführung der Standardisierung am Beispiel des Walzwerksstandards WAWESTA 7. 2 Schrifttum zu Kapitel Kennwerte und Kennfunktionen der Beanspruchbarkeit für die Berechnung der Bauteillebensdauer bis zum technischen Anriß nach dem Nennspannungskonzept Wöhlerversuch und Probenwöhlerlinie Zusammenfassende Darstellung von Ergebnissen aus Wöhlerversuchen Einflußgrößen auf die Wöhlerlinie Werkstoff und Werkstoffzustand Probengeometrie und-oberfläche Beanspruchung Umgebungsbedingungen Betriebsfestigkeitsversuch und Lebensdauerlinie Der Betriebsfestigkeitsversuch Zweck des Betriebsfestigkeitsversuchs Versuchsarten Die Lebensdauerlinie (Gaßnerlinie) 8.23 XI

5 8.5 Die Bauteilwöhlerlinie Größeneinfluß und Oberflächeneinfluß Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie für die Dimensionierung Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie aus der statistisch abgesicherten Probenwöhlerlinie Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie aus statischen Werkstoffkennwerten / Synthetische Wöhlerlinien 8.40 Schrifttum zu Kapitel Berechnung der Bauteillebensdauer bis zum technischen Anriß nach dem Nennspannungskonzept 9. l 9.1 Aufbereitung des Kollektivs für die Schädigungsrechnung Gegenüberstellung von Kollektiv und Wöhlerlinie / Amplitudentransformation Die lineare Schadensakkumulationsrechnung (Miner-Regel) Lineare Schadensakkumulation Miner-Regel in der Originalform Miner-Regel in der elementaren Form Modifizierte Form der Miner-Regel nach Haibach Modifizierte Form der Miner-Regel nach Liu undzenner Konsequente Form der Miner-Regel Treffsicherheit der Ergebnisse Relative Miner-Regel Schadensakkumulation bei Nutzungsänderung einer Anlage Ermittlung der Nutzungsdauer für eine vorgegebene Ausfall Wahrscheinlichkeit Schrifttum zu Kapitel Berechnung der Bauteillebensdauer bis zum technischen Anriß nach dem Örtlichen Konzept 10. l 10.1 Voraussetzungen Last-Zeit-Funktion Beschreibung des Werkstoffverhaltens Zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve, Hysterese Dehnungswöhlerlinie, Kompatibilitätsbeziehungen xn

6 Uniform Material Law Masing-Verhalten Memory-Verhalten Lasten und Beanspruchungen am Bauteil / Bauteilverhalten Bestimmung der örtlichen Beanspruchungskomponenten / Neuberregel / Last-Dehnungs- Beziehung (Bauteil-Fließkurve) Bauteilbeanspruchung bei zyklischer Belastung / Bauteil-Masing- und -Memoryverhalten Schädigung und Bauteillebensdauer Schädigungsparameter/ Schädigungsparameter-Wöhlerlinie Schadensakkumulation und Anrißlebensdauer Zusätzliche Einflüsse Beispiele Anmerkungen zur Treffsicherheit des Konzeptes / Vergleich mit dem Nennspannungskonzept / Einflüsse der zyklischen Werkstoffkennwerte auf das Ergebnis Schrifttum zu Kapitel Dauerfeste Bauteilauslegung Schrifttum zu Kapitel Bauteilverhalten in der Rißfortschrittsphase, Rißfortschritt und Restfestigkeit Fragestellung, Annahmen, allgemeine Hinweise Bruchmechanikkonzept Zügige (statische) Beanspruchung Schwingende Beanspruchung Berechnung der Restfestigkeit Berechnung des Rißfortschritts Bruchmechanische Dauerfestigkeit Rißfortschrittsrechnung bei Axialbeanspruchung und bei Biegung unter Betriebsbeanspruchung Rißfortschritt bei Torsion unter Betriebsbeanspruchung Schrifttum zu Kapitel xm

7 13 Hinweise zur Lebensdauerabschätzung bei zusammengesetzter Beanspruchung 1 1 Anwendbarkeit der Festigkeitshypothesen bei Schwingbeanspruchung 2 Wahl des Rechenkonzeptes, Versagensbedingung 3 Zusammengesetzte Einstufenbeanspruchung 3.1 Phasengleiche Wechselbeanspruchung mit konstanten Amplituden 3.2 Phasengleiche Beanspruchung mit konstanten Amplituden und Mittelspannungen 3.3 Einstufenbeanspruchung mit konstanten Hauptspannungsrichtungen 3.4 Kombinierte statisch-wechselnde Beanspruchung mit den Komponenten a und x 3.5 Einstufenbeanspruchung mit nicht-phasengleichen Komponenten 4 Allgemeiner Fall proportionaler Beanspruchung 4.1 Vorgehensweise mit Hilfe der Vergleichsspannung 4.2 Mehrachsigkeits-Schwingfestigkeitsdiagrarnm für Biegung und Torsion 5 Allgemeine Betriebsbeanspruchung Schrifttum zu Kapitel Anhang I Wöhlerlinien-und Lebensdauerliniendaten A. l 1.1 Wöhlerliniendaten wichtiger Maschinenbauwerkstoffe A Lebensdauerlinien- und Wöhlerliniendaten für 42 CrMo 4 bei Torsionsbeanspruchung A Schrifttumshinweise zu Wöhlerlinien für Schweißverbindungen aus Baustählen A. 13 Anhang II Kennwerte für das Bauteilverhalten in der Rißfortschrittsphase A. 15 Anhang III Grundwissen aus der Technischen Mechanik A. 19 III. 1 Grundlagen zur Beschreibung des Beanspruchungszustandes A. 20 III.2 Grundlagen zur Behandlung zusammengesetzter Beanspruchung A. 25 XTV

8 Anhang IV Statistische Grundlagen - Erläuterung von Grundbegriffen und Anleitung zur Ausweitung von Meßdaten A. 31 Anhang V Ergänzung zur standardisierten Lastfolge WAWESTA A. 43 Anhang VI Ergänzung zum Problem der Schadensakkumulation bei Nutzungsänderung einer Anlage A. 49 Anhang VII Beispiele zur Berechnung der Lebensdauer bis zum technischen Anriß A. 53 Anhang VIII Beispiel zur Berechnung der Lebensdauer bis zum technischen Anriß bei zusammengesetzter Beanspruchung A. 69 Anhang IX Übersicht über Programme zur Berechnung der Lebensdauer A. 77 Anhang X Anmerkungen zu den Auflagen 1 bis 4 A. 83 Anhang XI Veröffentlichungen des VBFEh A. 87 Erläuterung der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen A. 93 Stichwortverzeichnis A. 99 XV

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