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

13 1 Einführung und Übersicht 1.1 Einführung Maschinen, Apparate, Fahrzeuge und Bauwerke versucht man ohne unnötigen Aufwand an Werkstoff und Arbeit grundsätzlich so zu bemessen, dass sie den zugemuteten, erwarteten oder möglichen Beanspruchungen auf die Dauer oder für eine vorgesehene Zeit widerstehen. Die Lösung dieser in der Praxis vielfältig abgewandelten Aufgabe gelingt umso sicherer, je klarer die Beanspruchungsverhältnisse erkundet sind, je genauer das Verhalten der Werkstoffe bei solchen Beanspruchungen bekannt ist, je zweckmäßiger die Beanspruchung und die im Werkstoff darstellbare Widerstandsfähigkeit an den entscheidenden Stellen aufeinander abgestimmt wurden und je besser diese Voraussetzungen im fertigen Gegenstand erfüllt sind. M. Pfender [1] Problemstellung der Betriebsfestigkeit Schwingbeanspruchte Bauteile können durch Schwingbruch oder auch schon durch Schwinganriss versagen. Das Erscheinungsbild solcher Schwingbruchschäden aus Praxis und Labor ist ebenso vielfältig wie die Ursachen und Einflüsse, die das Bauteilversagen bestimmen [1, 2]. Entsprechend zahlreich sind auch heute noch Schadensfälle an schwingbeanspruchten Bauteilen [1 9, 11, 12], die im normalen Betrieb unerwartet auftreten und nicht selten ein folgenschweres Ausmaß annehmen, Abb und sowie Tabelle Die Problemstellung der Betriebsfestigkeit ergibt sich aus der technischen, wirtschaftlichen und haftungsrechtlichen Notwendigkeit, Schwingbruchschäden durch eine geeignete Gestaltung, Bemessung, Fertigung und Qualitätssicherung der Bauteile zu vermeiden. Schon im Zuge der Entwicklung muss unter Einsatz geeigneter Methoden, Verfahren und Werkzeuge auf ihr befriedigendes Betriebsfestigkeitsverhalten konsequent hingewirkt werden. Eine schwingbruchsichere Bemessung der Bauteile ist insbesondere dann geboten, wenn als mögliche Folgen eines Schwinganrisses oder Schwingbruchs Gefahren für Menschen, Gefahren für die Umwelt oder Schäden auf

14 2 1 Einführung und Übersicht a (Quelle: KM-Press) c (Quelle: Fraunhofer-Institut LBF) b Abb a, b, c. 101 Menschen starben, als der ICE Wilhelm Conrad Röntgen am 3. Juni 1998 bei Eschede entgleiste und eine Brücke zum Einsturz brachte a; Ursache war der Schwingbruch eines zu stark abgefahrenen bzw. abgedrehten Radreifens, der sich aufgrund seiner elastischen Bettung auf Gummielementen unter der Radlast örtlich übermäßig abflachte und damit auf der Innenseite unzulässige Biegezugspannungen erfuhr b, c [3, 4]

15 1.1.1 Problemstellung der Betriebsfestigkeit 3 a b Abb a, b. 123 Menschen verloren im Jahr 1980 ihr Leben, als die halbtauchende Bohrplattform Alexander L. Kielland durch den Schwingbruch einer Strebe kenterte. a Schwingbruchfläche der horizontalen Strebe, ausgehend von einem als Hydrophonhalter eingeschweißten Stutzen, b Stabwerk mit Lage der Strebe und der Säule D, die als Folge des Schwingbruchs seitlich ausbog [5]

16 4 1 Einführung und Übersicht Tabelle Auswertungen über Schwingbruchschäden Nach einer Auswertung der Allianz-Versicherung für die Jahre 1968 bis 1970 veröffentlicht im Allianz-Handbuch der Schadensverhütung [6], waren die häufigsten Schadensbilder an Achsen und Wellen entstanden als umlaufend oder einseitig erzeugte Biegeschwingbrüche sowie Torsionsschwingbrüche, vereinzelt auch als überlagerte Biege- und Torsionsschwingbrüche; Gewaltbrüche waren hingegen selten. Die Schadensursachen verteilten sich wie folgt: 60% Produktfehler 80% Konstruktive Kerben 30% Betriebsfehler oder: 15% Korrosionsstellen 10% Fremdeinflüsse 5% Sonstige Stellen. Schwingbruch-Schäden in Hüttenwerksanlagen wurden im Auftrag des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute erfasst. Einer ersten Auswertung, veröffentlicht 1975 [7], lagen nahezu 200 Schadensfälle zugrunde, die in den Jahren 1970 bis 1974 in acht Hüttenwerken auftraten. Die betroffenen Bauteile hatten Einsatzzeiten von 0,7 bis 11 Jahren und mehr als Arbeitsspiele erreicht. 54 dieser Schadensfälle wurden ausführlich erfasst und sie betrafen zu 50% Bauteile von Walzwerks- und Kranantrieben bzw. 85% rotierende Bauteile mit einer wechselnden oder schwellenden Verdrehbeanspruchung oder mit einer überlagerten Biege- und Verdreh- Schwingbeanspruchung, und hierbei 45% Wellen von 70 bis 700 mm Durchmesser 45% Gelenkwellen mit 600 bis 1070 mm Außendurchmesser 10% Zahnräder stirnverzahnt mit Modul 6 bis 16 mm bzw. pfeilverzahnt mit Modul 16 bis 24 mm und Breiten von bis mm. Eine zweite Auswertung für die Jahre 1979 bis 1981 erfasste insgesamt 355 Schwingbruch- Schäden in Hüttenwerksanlagen [8]. 69 dieser Schadensfälle hat man ausführlich dokumentiert. Als vornehmliche Schadensursachen wurden mangelhafte konstruktive Bauteilgestaltung, nicht berücksichtigte dynamische Belastungen oder eine rein statisch angelegte Bemessung erkannt. Die Instandsetzungskosten lagen im Schadensfall damals im Mittel bei 50000, DM ( 25000). Die Schadenshäufigkeiten lieferten ein der ersten Auswertung vergleichbares Gesamtbild: 45% Walzwerksanlagen 30% Wellen 42% Krananlagen oder: 14% Verzahnungen 13% Stahlwerksanlagen 38% Schweißverbindungen 18% Sonstige Elemente. In einer Sammlung und Analyse von Schwingbruch-Schäden, die innerhalb von 15 Jahren an 27 Flugzeugmustern im Betrieb auftraten, wurden insgesamt 529 Schadensfälle analysiert mit dem Ziel, Schwachstellen der Konstruktionen und Gründe für den vorzeitigen Schwinganriss aufzuzeigen und mit typischen Beispielen zu erläutern [9]. Schadensbestimmend waren zu 64% Verbindungen 9% Ausschnitte 17% Beschläge 2% Offene Bohrungen 8% Sonstige Elemente. Vornehmliche Ursachen der Schwingbruch-Schäden waren (Nennung mit abnehmender Häufigkeit: 1. Spannung zu hoch 4. Scharfe Kerben 2. Zwangsverformung 5. Offene Bohrungen 3. Zusatz-Biegung 6. Fertigungsfehler. Nach einer neueren Studie des amerikanischen Energieministeriums sind sogar 90% aller Versagensfälle von Bauteilen auf Schwingbruch-Schäden zurückzuführen [10].

17 1.1.1 Problemstellung der Betriebsfestigkeit 5 A D D Abb Typische Ausbildung einer Schwingbruchfläche mit submikroskopischer Anrissbildung an der Bruchausgangsstelle A, einer durch Rissfortschritt erzeugten Schwingbruchfläche D und einer als Gewaltbruch G entstandenen Restbruchfläche [1] G wirtschaftlichem Gebiet zu bedenken sind. Darüber hinaus ist sie als Qualitätsmerkmal technischer Erzeugnisse allgemein bedeutsam. Kennzeichen eines Schwingbruchs ist, dass er nicht wie der Gewaltbruch als Folge einer einmaligen extremen Beanspruchung auftritt, sondern im Verlauf der Zeit unter der schwingend einwirkenden Betriebsbeanspruchung entsteht. Die bis Bruch oder Anriss ertragene Einwirkungszeit der Schwingbeanspruchung wird als die Lebensdauer des Bauteils bezeichnet. Die typische Ausbildung einer Schwingbruchfläche weist auf drei Phasen eines Schwingbruchs hin: Die Phase einer zunächst submikroskopischen und dann mikroskopischen Rissbildung geht über in die Phase eines makroskopischen Rissfortschritts, bis in der Phase des Restbruchs ein Gewaltbruch des Restquerschnitts auftritt, Abb Vergl. auch Abb c. Der Begriff Betriebsfestigkeit steht heute für eine neuzeitliche, lebensdauerorientierte Auslegung schwingbeanspruchter Bauteile und Konstruktionen, die den gesetzmäßig fassbaren Zusammenhang zwischen Lebensdauer und Größe der Schwingbeanspruchung berücksichtigt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumeist zufallsartig in unterschiedlicher Größe und Häufigkeit auftretenden Betriebsbeanspruchungen wirklichkeitsnah angesetzt werden.

18 6 1 Einführung und Übersicht die Konstruktion auf eine endliche Lebensdauer ausgelegt wird, die sich aus ihrer vorgesehenen Nutzungsdauer ableitet, die geforderte Lebensdauer über eine statistisch begründete Sicherheitszahl mit einem Grenzwert der Ausfallwahrscheinlichkeit verknüpft wird und alle maßgeblichen Einflüsse werkstofflicher, konstruktiver, fertigungsbedingter, betrieblicher und umgebungsbezogener Art beachtet werden, die das Schwingfestigkeitsverhalten der Bauteile bestimmen [13]. Gegen Ende der dreißiger Jahre für den Flugzeugbau entwickelt [14 16], hat diese Betrachtungsweise der Betriebsfestigkeit über die zurückliegenden mehr als 60 Jahre außer im Flugzeugbau auch im Straßen- und Schienenfahrzeugbau, im Kran- und Brückenbau, im Schiffbau und in der Meerestechnik, sowie im Maschinen- und Anlagenbau als Grundlage einer sicheren und zugleich wirtschaftlichen Auslegung schwingbeanspruchter Bauteile breite Anerkennung erlangt und in einschlägigen Normen, Vorschriften, Richtlinien und Empfehlungen ihren Niederschlag gefunden, Abb Vor allem in der Art und Weise, wie die betrieblich auftretende Beanspruchung wirklichkeitsnah berücksichtigt wird, geht die Betrachtungsweise der Betriebsfestigkeit über die bis dahin bekannten Betrachtungen zur Dauer- Abb Technikbereiche, in denen Betrachtungen zur Betriebsfestigkeit von Bedeutung sind (nach Seeger)

19 1.1.2 Abriss der Zusammenhänge 7 festigkeit oder Zeitfestigkeit hinaus: diese sind jedoch als Sonderfälle unter dem Begriff Betriebsfestigkeit eingeschlossen, wie nach Abschn erkennbar wird. Das Ziel einer Bauteilauslegung nach Grundsätzen der Betriebsfestigkeit ist in zweifacher Hinsicht vorgegeben: Zum einen gilt es, ein vorzeitiges Bauteil- Versagen durch Schwingbruch oder gefährlichen Schwinganriss mit der gebotenen Sicherheit auszuschließen, zum anderen soll diese vorrangige Forderung ohne Überbemessen der Querschnitte und ohne unnötigen Fertigungsaufwand auf wirtschaftliche Weise erfüllt werden. Nach E. Gaßner, Begründer und Bahnbrecher der Lehre von der Betriebsfestigkeit, handelt es sich dabei um die Aufgabe, unter Anwendung neuzeitlicher Methoden der rechnerischen und experimentellen Spannungs- und Dehnungsanalyse und der Techniken des Betriebsfestigkeits-Versuchs, ausgehend von einer bekannten oder als repräsentativ angenommenen Beanspruchungs-Zeit- Funktion, die betrachtete Konstruktion durch eine fallbezogene Kombination von Werkstoff, Formgebung und Fertigung so zu optimieren, dass bei kleinstem Raum-, Werkstoff- und Herstellungsaufwand ein Höchstmaß an Ausfallsicherheit gegen Schwinganriss oder Schwingbruch erreicht wird [17]. Dieses Konzept einer wirtschaftlich optimalen und zugleich ausfallsicheren Auslegung schwingbeanspruchter Bauteile nach den Grundsätzen der Betriebsfestigkeit hat sich mittlerweile in der Praxis vielfältig bewährt. Die Entwicklung zu seinem heutigen Erkenntnis- und Anwendungsstand dokumentiert sich in einem umfangreichen Schrifttum, wie aus den hier gegebenen Schrifttumshinweisen [1 445] und aus den Schrifttumsverzeichnissen der Übersichten [24 26, 28, 29, 32, 35, 37, 38] und den Regelwerken [39 50] zu ersehen. In seiner Gesamtheit ist dieses Schrifttum nur noch datenbankweise erfassbar und erschließbar. Zunehmend ist der erreichte Erkenntnisstand in praktischen Anwendungen nur noch mit hochentwickelten Rechnerprogrammen nutzbar [51] Abriss der Zusammenhänge Die grundlegenden Begriffe und Zusammenhänge und der Gültigkeitsbereich einer Bauteilauslegung nach Gesichtspunkten der Betriebsfestigkeit lassen sich ausgehend von Abb erläutern: Aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve des Werkstoffs (a) sind die Zugfestigkeit R m und die Streckgrenze R e als obere Grenzwerte der Beanspruchung zu entnehmen. Im Sinne des allgemeinen Maximalspannungs-Nachweises würde ihr einmaliges Überschreiten ein Versagen des Bauteils bedeuten. Die Dauerfestigkeit S D liefert einen Beanspruchungsgrenzwert, bis zu dessen Höhe eine schwingende Beanspruchung (b) beliebig oft ohne Bruch ertragbar ist. Eine Schwingbeanspruchung oberhalb der Dauerfestigkeit (c) führt nach einer endlichen Anzahl von Schwingspielen zum Bruch, wobei der Bruch

20 8 1 Einführung und Übersicht Abb Begriffe und Zusammenhänge der Betriebsfestigkeit (dargestellt für den Fall der Schwellbeanspruchung) umso eher eintritt, je höher die Beanspruchung ist. Für eine Schwingbeanspruchung mit gleichbleibenden Amplituden wird diese Abhängigkeit dargestellt durch die Zeitfestigkeitslinie, dem geneigten Teil der Wöhlerlinie im Bereich der Zeitfestigkeit. Die vollständige Wöhlerlinie erstreckt sich von der Zugfestigkeit über die Zeitfestigkeitslinie bis zur Dauerfestigkeitsgrenze. Tritt die Schwingbeanspruchung nicht mit gleichbleibenden Amplituden auf, sondern bei gleichem Höchstwert wie im Fall (c) mit einer mehr oder weniger zufallsartigen Folge unterschiedlich großer Amplituden (d), so wird die ertragbare Schwingspielzahl die Zeitfestigkeitslinie überschreiten. Ein Beanspruchungsablauf dieser Art ist für die Betriebsbeanspruchung der meisten Bauteile kennzeichnend und mit Verfahren und Werten der Betriebsfestigkeit zu beurteilen. Mit der Gaßner schen Lebensdauerlinie besteht dabei eine der Zeitfestigkeitslinie entsprechende Abhängigkeit zwischen der Beanspruchungshöhe und der endlichen Lebensdauer, ausgedrückt in Zahl der Schwingspiele. Die Lebensdauerlinie kann experimentell in Betriebsfestigkeits-Versuchen durch Simulation des zufallsartigen Beanspruchungsablaufs ermittelt werden, Kap. 2, sie lässt sich aber auch, ausgehend von der Wöhlerlinie, mit Hilfe einer Schädigungsakkumulations-Hypothese rechnerisch gewinnen, Abschn. 3.2 oder 3.3. In welchem Maße sich die Lebensdauerlinie von der Wöhlerlinie nach höheren Schwingspielzahlen absetzt, ergibt sich aus den Eigenschaften der betrachteten Beanspruchungs-Zeit-Funktion. Sie kommen in der Form des Beanspruchungskollektivs zum Ausdruck, Abb Bei dem Beanspruchungskollektiv handelt es sich um eine Darstellung der Häufigkeiten, mit denen Schwingbeanspruchungswerte einer bestimmten Größe in der betrachteten Beanspruchungs-Zeit-Funktion enthalten sind. Für die Wöhlerlinie treffen Beanspruchungs-Zeit-Funktionen zu, bei denen alle

21 1.1.2 Abriss der Zusammenhänge 9 a b c Abb a c. Beanspruchungskollektiv als Darstellung der Größe und Häufigkeit von Schwingbeanspruchungswerten in einer Beanspruchungs-Zeit-Funktion. Schwingbeanspruchungswerte a alle von gleicher Größe, b relativ viele große, relativ wenige kleine, c relativ wenige große, relativ viele kleine; jeweils dargestellt für den Fall der Schwellbeanspruchung Schwingbeanspruchungswerte gleiche Größe haben (Fall a und b in Abb bzw. Abb a). Für Beanspruchungs-Zeit-Funktionen, die neben großen auch kleinere Schwingbeanspruchungswerte mit zunehmendem Häufigkeitsanteil enthalten, Abb b oder c, sind die betreffenden Lebensdauerlinien gegenüber der Wöhlerlinie in zunehmendem Maße nach höheren Schwingspielzahlen versetzt. Die Wöhlerlinie erweist sich somit als unterer Grenzfall aller möglichen Lebensdauerlinien. Die Frage, wie die Häufigkeitsverteilung der Schwingbeanspruchungswerte zur Darstellung des Beanspruchungskollektivs zu gewinnen ist, führt auf den Problemkreis der dazu anwendbaren statistischen Zählverfahren, Abschn Wegen ihres statistischen Charakters gehen mit der Kollektivdarstellung allerdings Informationen darüber verloren, in welcher Reihenfolge die unterschiedlichen Schwingbeanspruchungswerte in der betreffenden Beanspruchungs-Zeit-Funktion aufeinanderfolgen. Um entsprechende Reihenfolgeeinflüsse zu berücksichtigen, die die Lage der Lebensdauerlinie in gewissen Grenzen zusätzlich verändern können und nur bei der Wöhlerlinie vom Grundsatz her ausgeschlossen sind, erweist sich deshalb die Kollektivdarstellung für sich alleine als unzureichend. Um den Reihenfolgeeinflüssen Rechnung tragen zu können, muss deshalb die Beanspruchungs-Zeit-Funktion auf andere Art ausführlicher beschrieben werden, Abschn Eine weitere Bestimmungsgröße für die Lebensdauerlinie ist mit einer statischen Vorspannung gegeben, die z. B. aus dem Eigengewicht entsteht und der sich die Schwingbeanspruchungswerte überlagern. Als Folge einer solchen Vorspannung verengt sich der Bereich der Zeit- und Betriebsfestigkeit, weil die Dauerfestigkeit (als Oberspannung) näher an die Streckgrenze heranrückt und im Grenzfall sogar mit ihr zusammenfallen kann, Abb c. Das heißt aber auch, dass mit einer höheren Vorspannung die Erfordernisse des statischen Festigkeits-Nachweises gegenüber denen des Betriebsfestigkeits-Nachweises an Bedeutung gewinnen. Neben den beanspruchungsabhängigen Einflüssen bestehen die unter dem Begriff der Gestaltfestigkeit bekannten Einflüsse des Werkstoffs, der konstruktiven Gestaltung und der Fertigungsart auf die Höhe der Dauer-, Zeit-

22 10 1 Einführung und Übersicht a b c Abb Ausweitung des Bereichs der Zeit- und Betriebsfestigkeit durch Einflüsse, die den Abstand der Dauerfestigkeit von der Streckgrenze bestimmen. (KZF = Kurzzeitfestigkeit, ZF = Zeitfestigkeit, BF = Betriebsfestigkeit, DF = Dauerfestigkeit, VS = statische Vorspannung) und Betriebsfestigkeitswerte. Durch ungünstige Einflüsse dieser Art wird die Dauer-, Zeit- und Betriebsfestigkeit relativ zur Streckgrenze erniedrigt, womit der Betriebsfestigkeits-Nachweis an Bedeutung gewinnt, Abb a. Durch günstige Einflüsse auf die Gestaltfestigkeit wird hingegen die Dauerfestigkeit angehoben und der Bereich der Zeit- und Betriebsfestigkeit eingeengt, Abb b. Schließlich stellen sich experimentell ermittelte Wöhler- und Lebensdauerlinien wegen einer aus Werkstoff- und Fertigungseinflüssen bedingten Streuung der Versuchsergebnisse nicht als Linien sondern, wie in Abb angedeutet, mit einem Streuband dar. Statistische Verfahren sind deshalb ein Abb Aufgrund von Streueinflüssen bedingte Betrachtung der Wöhler- und Lebensdauerlinien sowie der kennzeichnenden Beanspruchungshöhe als Streubänder

23 1.1.3 Kenngrößen und Grenzfälle der Betriebsfestigkeit 11 unabdingbarer Bestandteil jeder qualifizierten Betriebsfestigkeits-Untersuchung, um Wöhler- und Lebensdauerlinien nach Mittelwert und Streubreite zu belegen. Wird in gleicher Weise auch die durch Messung, Rechnung oder Simulation ermittelte Höhe der kennzeichnenden Betriebsbeanspruchung mit ihrer Streuung bzw. ihrer statistischen Unsicherheit in Ansatz gebracht, Abb , dann lassen sich die in einem Betriebsfestigkeits-Nachweis anzusetzenden Sicherheitszahlen statistisch begründet als Funktion der zu erwartenden Ausfallwahrscheinlichkeit ableiten, Abschn Kenngrößen und Grenzfälle der Betriebsfestigkeit Als Kenngrößen der Betriebsfestigkeit dienen, Abb : der Dauerfestigkeitswert, die Zeitfestigkeitslinie, beschrieben durch ihre Neigung und die Schwingspielzahl an ihrem (idealisierten) Abknickpunkt in die Dauerfestigkeit, die Lebensdauerlinie, beschrieben durch eine ihren S-förmigen Verlauf bereichsweise ausmittelnde Neigung sowie die Spannung und Schwingspielzahl an einem zu definierenden Bezugspunkt, z.b. bei 10 7 Schwingspielen, in Abhängigkeit von den Eigenschaften der betreffenden Beanspruchungs- Zeit-Funktion, die maximal zulässige Beanspruchung im Sinne des statischen Festigkeits- Nachweises. Als Grenzfälle der Betriebsfestigkeit werden erkennbar: Der Dauerfestigkeitswert als beliebig oft ertragbare Beanspruchung Tritt der Höchstwert der Beanspruchung innerhalb der geforderten Lebensdauer mit großer Häufigkeit auf, z.b. mehrere Millionen mal, so muss die Bemessung des Bauteiles sicherstellen, dass dieser Beanspruchungswert eindeutig unter dem Dauerfestigkeitswert bleibt. Bei dieser Art der Bemessung ergibt sich eine unbegrenzte Lebensdauer. Die Zeitfestigkeitslinie als Untergrenze der ertragbaren Häufigkeit Ist die Beanspruchungs-Häufigkeit geringer als die ertragbare Schwingspielzahl, die sich bei dem Höchstwert der Beanspruchung von der Zeitfestigkeitslinie ablesen lässt, Abb c, so erübrigt sich ein weitergehender Betriebsfestigkeits-Nachweis und zwar unabhängig von den Eigenschaften der Beanspruchungs-Zeit-Funktion bzw. der Form des Beanspruchungskollektivs. Die statische Festigkeitsgrenze als maximal zulässige Beanspruchung Für schwingbeanspruchte Bauteile ist grundsätzlich eine ausreichende Bemessung gegenüber dem Maximalwert der auftretenden Beanspruchung im

24 12 1 Einführung und Übersicht Sinne des statischen Festigkeits-Nachweises oder des Stabilitäts-Nachweises vorauszusetzen. Wird dazu die maximal zulässige Beanspruchung aus der Streckgrenze des Werkstoffs abgeleitet, so ergibt sich daraus eine notwendige Abgrenzung gegen den Bereich der Kurzzeitfestigkeit. Denn für die Kurzzeitfestigkeit ist weniger die einwirkende Spannung als vielmehr die elastisch-plastische Wechselverformung des Werkstoffs bestimmend und dementsprechend eine elastisch-plastische Beanspruchungsanalyse, Abschn. 3.3, eventuell sogar unter Einbeziehung von Kriechvorgängen, erforderlich. Eine an der Streckgrenze orientierte statische Bemessung beinhaltet zugleich den Betriebsfestigkeits-Nachweis für einen gewissen Mindestwert der Lebensdauer, der sich bei der maximal zulässigen Beanspruchungshöhe von der Lebensdauerlinie für das zutreffende Beanspruchungskollektiv ablesen lässt, Punkt e in Abb Genügt dieser Wert der geforderten Lebensdauer, so kann die statische Bemessung den Betriebsfestigkeits-Nachweis erübrigen. Erweist sich dieser Lebensdauerwert als unzureichend, so muss die Beanspruchung gemäß der Lebensdauerlinie abgemindert werden, z.b. auf den Wert nach Punkt d in Abb , oder die Schwingfestigkeit des Bauteils muss verbessert werden. Es darf aber nicht übersehen werden, dass die mit dem statischen Festigkeits-Nachweis entsprechend Punkt e nachgewiesene Lebensdauer eine beachtliche Abhängigkeit von der Form des Beanspruchungskollektivs, von der Höhe einer etwaigen Vorspannung, von der Streckgrenze des Werkstoffs und von den Einflussgrößen der Gestaltfestigkeit aufweist. Die Wöhlerlinie als Grundlage des Betriebsfestigkeits-Nachweises Eine Bemessung nach der Wöhlerlinie, bei der in vereinfachender Weise der Höchstwert der Beanspruchung für die Gesamtheit der auftretenden Schwingspiele in Ansatz kommt, bedeutet eine stets auf der sicheren Seite liegende Art der Bemessung. In vielen Fällen erweist sich diese einfache Handhabung jedoch als unvertretbar weit auf der sicheren Seite liegend und deshalb mit den Grundsätzen eines wirtschaftlichen Leichtbaus unvereinbar. Früher wurde vielfach versucht, aufgrund der Erfahrung und gestützt auf eine Auswertung von Schadensfällen zu einem vereinbarten Nennwert der Beanspruchung geeignete Beiwerte und Sicherheitszuschläge zu bestimmen, um diese unrealistische Bemessungsweise mit den Erfordernissen in Einklang zu bringen. Rückblickend belegt eine Vielzahl von Beispielen, dass es sich dabei um ein wenig erfolgversprechendes Konzept handelte, weil allein durch empirische Beiwerte den Besonderheiten des jeweiligen Einzelfalles wohl kaum angemessen Rechnung getragen werden kann. Neuerdings erfährt diese Betrachtungsweise jedoch eine Wiederbelebung, indem dabei der dominante Einfluss der Kollektivform auf dem Weg einer Schädigungsakkumulations-Rechnung berücksichtigt wird,abschn und

25 1.1.4 Nachweis der Betriebsfestigkeit Nachweis der Betriebsfestigkeit Um das Konzept der Betriebsfestigkeit praktisch umzusetzen, bieten sich, alternativ oder in zweckmäßiger Kombination, zwei Wege an: der Weg des experimentellen Betriebsfestigkeits-Nachweises, der vornehmlich bei Bauteilen einer Serienfertigung, wie z.b. im Kraftfahrzeugbau, bei extremem Leichtbau, wie z.b. im Flugzeugbau, wie auch ganz allgemein bei besonderen Anforderungen an die Schwingbruchsicherheit oder zu einer letztgültigen Abklärung in wichtigen Einzelfällen beschritten wird, oder der Weg des rechnerischen Betriebsfestigkeits-Nachweises, der für Bauteile der Einzelfertigung, insbesondere für die großen und teuren Bauteile des Schwermaschinenbaus, der Anlagentechnik, des Brückenbaus usw., der einzig gangbare Weg ist, aber auch in der Konstruktionsphase derjenigen Bauteile zumindest orientierend durchlaufen wird, für die anschließend ein experimenteller Nachweis ansteht. Dabei bestehen als Möglichkeiten, den rechnerischen Betriebsfestigkeits- Nachweis anhand von Nennspannungen, d.h. nach dem Nennspannungs-Konzept, anhand von Strukturspannungen, d.h. nach dem Strukturspannungs-Konzept, anhand von Kerbspannungen, d.h. nach dem Kerbspannungs-Konzept, anhand der elastisch-plastischen Kerbbeanspruchung, d. h. nach dem Kerbgrund-Konzept, oder anhand von Spannungsintensitätsfaktoren und Rissfortschrittsdaten nach dem Bruchmechanik-Konzept durchzuführen, Abschn. 3.1 bis 3.4 und insbesondere Aus methodischer Sicht erfordert ein Betriebsfestigkeits-Nachweis, einerlei ob er experimentell oder rechnerisch geführt werden soll, die in Tabelle in Form einer Leitlinie aufgelisteten Teilaufgaben abzuhandeln. Diese Teilaufgaben werden in Kap. 4 ausführlich erörtert, nachdem in den Kap. 2 und 3 die zu ihrer Abhandlung relevanten Sachfragen und Vorgehensweisen klargelegt worden sind. Der bereits sachkundige Leser kann sich auch sogleich dem Kap. 4 zuwenden und im Bedarfsfall den Rückverweisen auf die Kap. 2 und 3 nachgehen. Aus den abzuhandelnden Teilaufgaben wird ersichtlich, dass sich der Betriebsfestigkeits-Nachweis als eine fachlich anspruchsvolle Aufgabe erweist, zu deren Lösung die Arbeitsmethoden aus verschiedenen Fachgebieten eingesetzt werden. Beispielsweise sind gefragt: Methoden der Statik, der Dynamik und der Schwingungstechnik, Methoden der Festigkeitslehre und Beanspruchungsanalyse, Methoden der Werkstofftechnik und der Werkstoffmechanik, speziell der Schwingfestigkeit, der Gestaltfestigkeit und der Schwingbruchmechanik, Methoden der Statistik, der Qualitätssicherung und der Technischen

26 14 1 Einführung und Übersicht Tabelle Abzuhandelnde Teilaufgaben im Konzept der Betriebsfestigkeit Teilaufgabe 1: Ist über die Notwendigkeit eines Betriebsfestigkeits-Nachweises im Grundsatz befunden, so sind dazu als Anforderungen die nachzuweisende Lebensdauer bei bezifferter Ausfallwahrscheinlichkeit für die gleichfalls vorzugebenden Betriebsbedingungen festzulegen. Sodann bleibt über die geeignete Vorgehensweise zu entscheiden. Teilaufgabe 2: Im Einzelfall gilt es, mit hoher Verlässlichkeit alle schwingbruchgefährdeten Querschnitte der betrachteten Konstruktion zu erkennen. Teilaufgabe 3: Für jeden schwingbruchkritischen Querschnitt sind die einwirkenden Betriebslasten nach Größe, Häufigkeit und Wirkungsrichtung zu bestimmen. Teilaufgabe 4: Ausgehend von den einwirkenden Betriebslasten sind die im betreffenden Querschnitt erzeugten Beanspruchungszustände in einer für die Schwingfestigkeit kennzeichnenden Weise zu errechnen. Teilaufgabe 5: Für die so bezeichneten Beanspruchungsbedingungen, und abhängig von den vorliegenden konstruktiven, werkstofflichen, fertigungstechnischen und umgebungsbestimmten Gegebenheiten, ist die ertragbare Beanspruchungshöhe zu ermitteln. Teilaufgabe 6: Aus einer Betrachtung der verschiedenartigen Streueinflüsse gilt es, eine jeweils angemessene Sicherheitszahl für den Vergleich der einwirkenden und der ertragbaren Beanspruchung abzuleiten. Teilaufgabe 7: Der damit erstellbare Nachweis ist gemäß den Anforderungen zu beurteilen, sofern gefordert experimentell zu bestätigen, und erforderlichenfalls ist über Möglichkeiten einer Verbesserung oder Optimierung zu befinden. Teilaufgabe 8: Der erstellte Nachweis ist zu dokumentieren, die zu seiner Absicherung einzuhaltenden Bedingungen sind in den Fertigungsunterlagen zu vermerken, notwendig erachtete Maßnahmen der Fertigungskontrolle oder einer späteren Überwachung im praktischen Betrieb sind zu bezeichnen. Zuverlässigkeit, Erfahrungen im beanspruchungsgerechten Konstruieren, sowie unternehmerische und organisatorische Entscheidungen. Insofern empfiehlt sich eine enge Zusammenarbeit der jeweiligen Fachleute, um die betreffenden Teillösungen ohne Schnittstellen-Problematik nach den speziellen Methoden der Betriebsfestigkeit zu der gewünschten Gesamtlösung zu verknüpfen. Allerdings können die Fragen der Betriebsfestigkeit wie auch die Verfahren und Vorgehensweisen, die zu ihrer Behandlung im Rahmen des Konstruktionsprozesses zur Verfügung stehen, nicht allein aus technisch-wissenschaftlicher Sicht betrachtet werden. Durch das Einbeziehen von Gesichtspunkten

27 1.2.1 Anliegen und Gliederung dieses Buches 15 einer Kosten-Nutzen-Analyse, Abschn , wird die Vielschichtigkeit der Problematik und die sich daraus ergebende Verschiedenartigkeit des jeweils optimalen Lösungsweges erkennbar. Das heißt mit anderen Worten, dass es auch kein universelles Lösungsverfahren für Betriebsfestigkeits-Fragen geben kann. Mögen in einem Falle extreme Anforderungen an die Aussage-Genauigkeit des Lösungsverfahrens im Vordergrund stehen, so mögen im anderen Fall nur einfache, kostengünstige Lösungsverfahren in Betracht kommen, selbst wenn die damit erzielbaren Aussagen mit gewissen Unsicherheiten behaftet sind und größere Sicherheitszuschläge erforderlich machen. Die in diesem Spektrum der Möglichkeiten zu treffende Auswahl des Lösungsweges muss schließlich auch noch den technisch wie betriebswirtschaftlich nicht erfassbaren Gesichtspunkt des verbleibenden Risikos bewerten. Sie wird damit zu einer unternehmerischen Entscheidung. 1.2 Übersicht Anliegen und Gliederung dieses Buches Anliegen dieses Buches ist es, die experimentellen Grundlagen der Betriebsfestigkeit nach heutigem Erkenntnisstand sowie erprobte und neuere Rechenverfahren der Betriebsfestigkeit vor ihrem theoretischen Hintergrund und in ihrer sachlichen Verknüpfung darzustellen. Dazu wird mit einer Erörterung der Teilaufgaben nach Tabelle sowie mit Hinweisen auf die vorhandene Datenbasis dargelegt, wie die bewährten Methoden der Betriebsfestigkeit in der Konstruktionspraxis für einen rechnerischen Betriebsfestigkeits-Nachweis genutzt werden können. Zu den einzelnen Verfahren, und insbesondere zu den Rechenverfahren der Schädigungsakkumulation, werden jeweils ausführliche Herleitungen und kritisch bewertende Stellungnahmen aufgrund eigener Erfahrung gegeben, um deutlich zu machen, unter welchen Voraussetzungen und mit welchem Grad der Verlässlichkeit sie anwendbar sind. Zur Gliederung dieses darzubietenden Stoffes stehen verschiedene Möglichkeiten zur Wahl. Eine der Möglichkeiten wäre eine Gliederung im Sinne der abzuhandelnden Teilaufgaben nach Tabelle Ihr augenscheinlicher Vorteil würde aber nur bei rezeptartiger Beschränkung auf eine bestimmte Vorgehensweise zutage treten. Wenn hingegen Lösungswege nach unterschiedlichem Verfahren aufzuzeigen beabsichtigt ist, kehrt sich dieser Vorteil in einen Nachteil um, weil dann die sachbezogene Zuordnung nicht mehr offensichtlich ist, die zwischen den Verfahren zur Beschreibung der im Betrieb auftretenden Beanspruchung und den davon ausgehenden Verfahren zur Bestimmung der ertragbaren Beanspruchung besteht und die beachtet werden muss.

28 16 1 Einführung und Übersicht Aufgrund dieser Überlegungen fiel die Entscheidung zugunsten einer methodischen Gliederung. Bei ihr lässt sich die Art, in der die auftretende und die ertragbare Beanspruchung für die Belange eines Betriebsfestigkeits-Nachweises zu ermitteln sind, als eine verfahrensbedingt untrennbare Einheit darstellen und innerhalb des gleichen Abschnitts abhandeln. Der Leser wird unschwer diese sachliche Gliederung erkennen, weil sie nicht nur einem leichteren Verständnis, sondern auch einer anwendungsgerechten Zuordnung der Verfahren dienlich ist. Davon unbeschadet dürften auch andersartige Leserinteressen dadurch berücksichtigt sein, dass die gewählte Gliederung durch zahlreiche Querverweise und durch ein ausführliches Sachverzeichnis ergänzt ist. Mit Kap. 2 werden zunächst die experimentellen Grundlagen der Betriebsfestigkeit aufgezeigt, wie sie sich in Verbindung mit Wöhler-Versuchen, Abschn. 2.1, mit Blockprogramm-Versuchen, Abschn. 2.2, mit Zufallslasten- Versuchen, Abschn. 2.3, oder mit Einzelfolgen-Versuchen, Abschn. 2.4, darstellen. Daraus wird erkennbar, wie betriebliche Beanspruchungs-Zeit-Funktionen der unterschiedlichsten Art in ihrer auftretenden und in ihrer ertragbaren Beanspruchungshöhe zu kennzeichnen sind, und auf welche Art von Daten sich ein rechnerischer Betriebsfestigkeits-Nachweis abstützen kann. Wie die Übertragbarkeit experimentell gewonnener Betriebsfestigkeitswerte einzuschätzen ist, wird im Abschn. 2.5 dargelegt. Die Ausführungen in Kap. 3 gelten den rechnerischen Verfahren der Betriebsfestigkeit, die sich anbieten, um die Einflussgrößen der Gestaltfestigkeit beim Abschätzen einer Bauteilwöhlerlinie zu berücksichtigen, Abschn. 3.1, um Schädigungsakkumulations-Rechnungen auf der Grundlage von Nennspannungen durchzuführen, Abschn. 3.2, um Einflüsse des Werkstoffs und der Bauteilform bei der Schädigungsakkumulations-Rechnung über die elastischplastische Kerbgrundbeanspruchung zu erfassen, Abschn. 3.3, um die Lebensdauer unter Rissfortschritt zu bestimmen, Abschn. 3.4, und um den statistischen Zusammenhang zwischen Sicherheitszahl und Ausfallwahrscheinlichkeit zu quantifizieren, Abschn In Kap. 4 wird die praktische Umsetzung des Konzeptes der Betriebsfestigkeit abgehandelt. Die Teilaufgaben nach Tabelle bieten dazu eine Leitlinie des sachgemäßen Vorgehens, Abschn. 4.1, wie auch eine Leitlinie bei der Suche nach Maßnahmen, um das Betriebsfestigkeits-Verhalten eines Bauteils bei Bedarf zu verbessern, Abschn Betrieblich gilt es, den Betriebsfestigkeits-Nachweis in den Konstruktionsprozess einzubinden, Abschn. 4.3, und das nutzbringende Umsetzen von Erkenntnissen der Betriebsfestigkeit durch geeignete Management-Entscheidungen zu unterstützen, Abschn Auf eine ausführliche Abhandlung zurückliegender Entwicklungen des heutigen Erkenntnisstandes wird verzichtet. Sachfragen werden nach verantwortungsbewusster Einschätzung und nach persönlicher Erfahrung dargestellt um zu vermeiden, dass widersprüchliche Ansichten und Befunde unbewertet nebeneinander stehen und den Leser verwirren.