Erwin Haibach. Betriebsfestigkeit

Transkript

1 Erwin Haibach Betriebsfestigkeit

2 Erwin Haibach Betriebsfestigkeit Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung 3., korrigierte und ergänzte Auflage Mit 409 Abbildungen 3

3 Prof. Dr.-Ing. Erwin Haibach Augustastr Wiesbaden Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York ISBN Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.com Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989, 2002 und 2006 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: medionet AG, Berlin Satzherstellung: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020/M

4 Vorwort zur dritten Auflage Die anhaltend rege Nachfrage des Buchs Betriebsfestigkeit Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung erfordert seine dritte Auflage. Dabei bleiben Inhalt und Gliederung des Buchs gegenüber der zweiten Auflage weitestgehend unverändert. Wesentliche sachliche Veränderungen wurden nach eingehender Prüfung nicht für erforderlich gehalten. Die vorgenommenen Änderungen beschränken sich auf einige kurze Nachträge zur Aktualisierung sowie auf drucktechnische Korrekturen. Dem Springer-Verlag danke ich für die einvernehmliche Entscheidung, diese dritte Auflage des Buchs in dieser Form in Druck zu geben. Wiesbaden, im Herbst 2005 Erwin Haibach

5 Vorwort zur zweiten Auflage Das Buch Betriebsfestigkeit Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung erscheint in seiner zweiten Auflage beim Springer-Verlag, der zwischenzeitlich die Fachbuch-Sparte des VDI-Verlags übernommen hat. Für diese zweite Auflage hat der Inhalt des Buchs eine kritische Sichtung und eine Überarbeitung auf den aktuellen Stand der Entwicklung und eine entsprechende Ergänzung bei den Schrifttumshinweisen erfahren. Die Grundlagen der bekannten Verfahren bleiben dabei in ihrer bisherigen Abhandlung weitestgehend gültig. Ausführungen über einige wenige Verfahren konnten entfallen, weil diese keine praktische Bedeutung erlangten oder überholt sind. Neuere Erkenntnisse und Ergebnisse sind ergänzend aufgenommen. Sie beziehen sich zum einen auf die bisher bereits abgehandelten Verfahren, zum anderen auf neu aufgenommene Verfahren mit Darstellung ihrer grundlegenden Ansätze und mit Ausführungen zur Vorgehensweise. Die Entwicklung und Anwendung dieser neueren Verfahren wurde durchweg erst mit dem Einsatz leistungsfähiger Rechner möglich. Es würde deshalb wenig Sinn machen, die zumeist sehr anspruchsvollen Berechnungsalgorithmen im Detail zu beschreiben, da entsprechende kommerzielle Programme mit anwendungsfreundlicher Bediener-Oberfläche verfügbar sind und ein Anwender wohl keine eigene Programmieurng beabsichtigen dürfte. Zudem sind Details von den Programm-Anbietern verständlicherweise auch nur mit Einschränkungen offen gelegt. Als weitaus wichtiger für den interessierten Anwender werden deshalb Hinweise erachtet, die dem sachlichen Verständnis und dem zweckmäßigen Einsatz der Programme dienen, wie sie in den Kap. 3 und 4 für die praktische Umsetzung des Betriebsfestigkeits- Konzeptes dargeboten werden. Wiederum habe ich zahlreichen Kollegen für sachdienliche Informationen zu danken. Namentlich gilt mein besonderer Dank den Herren Dr.-Ing G. Bitsch, LMS Deutschland GmbH, Dr.-Ing. T. Bruder, LMS Deutschland GmbH, Dr. K. Dreßler, LMS Deutschland GmbH, Dr.-Ing. A. Esderts, Deutsche Bundesbahn AG, Forschungs- und Technologie-Zentrum, Dr.-Ing. K.-G. Eulitz, Technische Universität Dresden, Prof. Dr.-Ing. W. Fricke, Universität Hamburg, Dr. M. Hack, LMS Deutschland GmbH, Dr.-Ing. M. Hoffmann, Mechanical Dynamics GmbH, Dr.-Ing. B. Hänel, IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Prof. Dr.-Ing. A. Hobbacher, Fachhochschule

6 VIII Vorwort zur zweiten Auflage Wilhelmshafen, Prof. Dr.-Ing. K. L. Kotte, Technische Universität Dresden, Dipl.-Ing. W. Lieven, ncode International Ltd, Prof. Dr.-Ing. H. Petershagen, Universität Hamburg, Dipl.-Ing. K. Rother, CADFEM, Dipl.-Ing. L. Seeger, ncode International Ltd, Prof. Dr.-Ing. T. Seeger, Technische Universität Darmstadt, Prof. Dr.-Ing. C. Sonsino, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit, Dr. M. Speckert, LMS Deutschland GmbH, Dipl.-Ing. J. Steinbeck, MSC.Software GmbH, Dipl.-Ing. M. Steininger, MTS Systems GmbH, Dipl.- Ing. B. Unger, Technologie Zentrum Speyr, Prof. Dr.-Ing. M. Vormwald, Bauhaus-Universität Weimar, Dipl. Ing. G. Wirthgen, IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Prof. Dr.-Ing. H. Zenner, Technische Universität Clausthal. Und nicht zuletzt danke ich dem Springer-Verlag für seine Unterstützung bei der redaktionellen Bearbeitung dieser zweiten Auflage. Wiesbaden, im Herbst 2002 Erwin Haibach

7 Vorwort zur ersten Auflage 50 Jahre liegen die Anfänge der Betriebsfestigkeitsforschung zurück. Seitdem wird bei Ingenieurtagungen und in Fachausschüssen über die Möglichkeiten einer Auslegung schwingbeanspruchter Bauteile nach Gesichtspunkten der Betriebsfestigkeit berichtet und über diesbezügliche Erfordernisse diskutiert. Im Flugzeugbau und im Kraftfahrzeugbau kennzeichnet diese Auslegungsweise den Stand der Technik. Für den Kranbau und den Eisenbahnbrückenbau, ebenso wie für den Schiffbau und die Meerestechnik ist ein Nachweis der Betriebsfestigkeit durch Normen, Vorschriften oder Richtlinien eingeführt. Darüber hinaus wird in bestimmten Sparten des Maschinenbaus, des Stahlbaus und der Anlagentechnik ein Nachweis der Betriebsfestigkeit mit der Auftragsvergabe gefordert. Der Begriff Betriebsfestigkeit steht dabei häufig als Oberbegriff. Er schließt dann die Begriffe Dauerfestigkeit und Zeitfestigkeit als Sonderfälle ein. Ein geforderter Nachweis der Betriebsfestigkeit kann demnach unter entsprechenden Gegebenheiten des Einzelfalles auch als ein Nachweis der Dauerfestigkeit oder als ein Nachweis der Zeitfestigkeit erbracht werden. Neben einer Vielzahl vorliegender Veröffentlichungen zu meist recht speziellen Einzelfragen der Dauerfestigkeit, Zeitfestigkeit und Betriebsfestigkeit fehlte bislang jedoch eine in sich geschlossene Darstellung zu diesem Themenbereich, welche neben dem traditionellen Nennspannungs-Konzept auch die neueren Betrachtungsweisen nach dem Kerbgrund-Konzept oder dem Bruchmechanik-Konzept anwendungsorientiert für die Belange der Konstruktionspraxis abhandelt. So entstand dieses Buch aus dem Anliegen, die experimentellen Grundlagen der Betriebsfestigkeit nach heutigem Erkenntnisstand sowie erprobte und neuere Rechenverfahren der Betriebsfestigkeit vor ihrem theoretischen Hintergrund und in ihrer sachlichen Verknüpfung für eine ingenieurmäßige Anwendung darzustellen. Dabei wird die Art, in der die auftretende Beanspruchung und die ertragbare Beanspruchung für die Belange eines Betriebsfestigkeits-Nachweises zu ermitteln sind, als eine verfahrensbedingt untrennbare Einheit gesehen und jeweils innerhalb des gleichen Abschnitts abgehandelt. Diese Darbietung sollte nicht nur dem leichteren Verständnis sondern auch einer anwendungsgerechten Zuordnung der Verfahren dienlich sein. Zu den angeführten Rechenverfahren der Schadensakkumulation sind ausführliche Herleitungen und jeweils kritisch bewertende Stellungnahmen

8 X Vorwort zur ersten Auflage aufgrund eigener Erfahrung gegeben. Dies insbesondere, um einer verbreiteten Verunsicherung der Anwender durch widersprüchliche Wertungen der Rechenverfahren im Schrifttum dadurch entgegenzutreten, dass anhand statistisch aufbereiteter Daten dargelegt wird, in welchen Grenzen die betreffenden Verfahren als verlässlich angesehen werden dürfen. So wird erkennbar, ob das in Betracht gezogene Verfahren im vorliegenden Anwendungsfall geeignet ist bzw. mit welchem Sicherheitsfaktor seine Unzulänglichkeiten abgedeckt werden können. Schließlich werden Hinweise gegeben, wie das Konzept eines Betriebsfestigkeits-Nachweises in die Konstruktionspraxis umzusetzen ist. Diese Hinweise orientieren sich an einer in dieser Form erstmalig aufgezeigten Leitlinie der abzuhandelnden Teilaufgaben sowie an den Erfordernissen der neuzeitlichen Konstruktionsmethodik. Inhalt und Form des Buches lassen in vielfältiger Weise die Anleitung, den Rat und die Unterstützung erkennen, die mir in Ausbildung und Beruf durch meine Lehrer, durch meine Fachkollegen und durch meine Mitarbeiter zuteil wurden. All ihnen gilt mein Dank. Bochum, im Mai 1989 Erwin Haibach Korrekturen, Nachträge und allgemeine Hinweise zum Buch sind zu finden unter

9 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Übersicht Einführung Problemstellung der Betriebsfestigkeit Abriss der Zusammenhänge Kenngrößen und Grenzfälle der Betriebsfestigkeit Nachweis der Betriebsfestigkeit Übersicht Anliegen und Gliederung dieses Buches Begriffe und Formelzeichen Experimentelle Grundlagen der Betriebsfestigkeit Wöhler-Versuche Kennzeichnung der Schwingbeanspruchung Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung Darstellung der Ergebnisse durch Wöhlerlinien Darstellung der Ergebnisse im Dauerfestigkeits-Schaubild Statistische Belegung der Zeitfestigkeitslinie Statistische Belegung des Dauerfestigkeitswertes Normierte Wöhlerlinien Kritik des Wöhler-Versuchs Blockprogramm-Versuche Betriebsbeanspruchung und Beanspruchungskollektiv Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung Einfluss der Kollektivform Normverteilung als Einheitskollektiv Amplitudenkollektiv, Mittelspannung, Spannungsverhältnis Überlagerte Schwingungen unterschiedlicher Frequenz Umlaufend beanspruchte Teile Einflüsse des Werkstoffs und der Bauteileigenschaften Kritik des Blockprogramm-Versuchs Zufallslasten-Versuche Unterscheidung von Beanspruchungs-Zeit-Funktionen

10 XII Inhaltsverzeichnis Beschreibung stochasticher Beanspruchungsvorgänge Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung Betriebslastennachfahr-Versuche Digitale Aufbereitung gemessener Beanspruchungs-Zeit- Funktionen Analoge Erzeugung stochastischer Beanspruchungs-Zeit- Funktionen Digitale Erzeugung stochastischer Beanspruchungs-Zeit- Funktionen Standard-Lastfolgen mit Gauß scher Häufigkeitsverteilung Kritik des Zufallslasten-Versuchs Einzelfolgen-Versuche und spezielle Versuchstechniken Beanspruchungs-Zeit-Funktionen mit veränderlicher Mittelspannung Standard-Lastfolge Twist Lebensdauer bei verändertem Kollektiv der Standard-Lastfolge Experimentelle Ermittlung der Kerbgrundbeanspruchung Experimentelle Ermittlung des Rissfortschritts Kritik des Einzelfolgen-Versuchs Übertragbarkeit von Betriebsfestigkeits-Werten Übereinstimmung von Lebensdauerwerten aus Labor und Betrieb Schrifttumsauswertungen zum Reihenfolge-Einfluss Rechnerische Verfahren der Betriebsfestigkeit Berechnen der auftretenden und ertragbaren Spannungen Nennspannung, Formzahl, bezogenes Spannungsgefälle Spannungen aus Finite-Element- oder Randelement- Berechnungen Rechnerische Abschätzung der Wöhlerlinien gekerbter Bauteile Rechnerische Abschätzung der Wöhlerlinien geschweißter Bauteile Rechnerische Behandlung des Eigenspannungseinflusses Rechnerische Behandlung einer mehrachsigen Schwingbeanspruchung Kritik der Verfahren zur Spannungsberechnung Lebensdauerberechnung anhand der Nennspannungen Miner-Regel (Hypothese der linearen Schädigungsakkumulation)

11 Inhaltsverzeichnis XIII Elementare Form der Miner-Regel Völligkeitsgrad und Schädigungsfunktion eines Kollektivs Schädigungsgleiches Rechteck-Ersatzkollektiv Sinnvolle Festlegung der Kollektivtreppung Amplitudentransformation auf ein Kollektiv mit R i = Original-Form der Miner-Regel Modifizierte Form der Miner-Regel Konsequente Form der Miner-Regel Schädigungsäquivalente Spannungsamplitude Überprüfung der Miner-Regel an Versuchsergebnissen Folgerungen für die praktische Anwendung Kritik der Miner Regel Lebensdauerberechnung anhand der Kerbgrundbeanspruchung Dehnungskontrollierte Wöhler-Versuche Experimentell ermittelte Kerbgrundbeanspruchung und Lebensdauer Rechnerische Ermittlung der Kerbgrundbeanspruchung Rainflow-Verfahren Lebensdauerberechnung anhand der Kerbgrundbeanspruchung Lebensdauerberechnung mittels Amplituden-Transformation Lebensdauerberechnung ausgehend von Finite-Element- Berechnungen Kerbgrundbeanspruchung und normierte Wöhlerlinie Kritik des Kerbgrund-Konzeptes Lebensdauerberechnung anhand des Rissfortschritts Spannungsfeld eines Risses Rissfortschrittsgesetz bei Schwingbeanspruchung Rissfortschritt bei konstanter Schwingbreite der Spannung Wöhlerlinie eines Bauteils mit Anfangsriss Normierte Wöhlerlinie für Risse in hochbeanspruchten Bauteilen Rissfortschritt bei veränderlicher Schwingbreite der Spannung Rissfortschritt und Miner-Regel Berücksichtigung von Reihenfolgeeinflüssen Rissfortschrittsverhalten kurzer Risse Rissmodell sowie Bauteil- und Werkstoffeigenschaften Kritik des Bruchmechanik-Konzeptes Berechnen der Sicherheitszahl und Ausfallwahrscheinlichkeit Lebensdauer, Ausfallwahrscheinlichkeit, Sicherheitszahl Extrapolation auf niedrige Ausfallwahrscheinlichkeiten Streuung der betrieblichen Beanspruchungshöhe Abdeckung der Zufälligkeiten weniger Einzelversuche Anzusetzende Streuspannen und abzudeckende Streueinflüsse 526

12 XIV Inhaltsverzeichnis Statistischer Größeneinfluss Kritik der anzusetzenden Sicherheitszahl Praktische Umsetzung des Betriebsfestigkeits-Konzeptes Abzuhandelnde Teilaufgaben als Leitlinie des Vorgehens Festlegen der Anforderungen und der Vorgehensweise Erkennen der schwingbruchkritischen Querschnitte Bestimmen der einwirkenden Betriebslasten Berechnen der kennzeichnenden Beanspruchung Ermitteln der ertragbaren Beanspruchungshöhe Ableiten der angemessenen Sicherheitszahl Erstellen und Beurteilen des Nachweises Dokumentieren des Nachweises Maßnahmen bei unbefriedigendem Betriebsfestigkeits- Nachweis Maßnahmen bei unbefriedigendem Ergebnis des Nachweises Maßnahmen bei Schwingbrüchen im Betrieb Betriebsfestigkeit und methodisches Konstruieren Wesen des methodischen Konstruierens Knotenpunkte zur Betriebsfestigkeit Gewinnen der erforderlichen Informationen Bewertungskriterien zur Lösungsauswahl Betriebsfestigkeit und unternehmerische Entscheidungen Gesichtspunkte einer Kosten-Nutzen-Analyse Neuzeitliche Konzepte der Betriebsfestigkeit Elemente eines Gesamtkonzeptes Unternehmerische Entscheidungen Anhang Daten zu statistischen Verfahren Typisierte Kollektive und Standard-Lastfolgen Approximationsformeln für Formzahlen Ältere Vorschläge zur Abschätzung der Dauerfestigkeit Kurzfassung des Berechnungsablaufs nach der FKM-Richtlinie Hinweise auf Daten zur Betriebsfestigkeit Schrifttumshinweise Verwendete Formelzeichen Sachverzeichnis