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
INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung 1. 1 Schrifttum zu Kapitel 1 1.4 2 Ermüdung metallischer Werkstoffe 2. 1 2.1 Phasen des Ermüdungsvorgangs, Lebensdauer 2. 1 2.2 Zyklisches Werkstoffverhalten in der Phase bis zum technischen Anriß 2. 6 2.2.1 Wechselverformungsverhalten normalisierter Stähle 2. 7 2.2.2 Wechsel verformungs verhalten vergüteter Stähle 2. 9 2.2.3 Zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve 2. 10 2.2.4 Verformungs verhalten bei Schwingbeanspruchung mit Mittelspannung a m * 0 2.11 2.2.5 Einfluß halbzeug- und fertigungsbedingter Gefügezustände 2. 13 2.3 Rißfortschrittsverhalten 2. 15 2.4 Bruchflächenanalyse 2. 16 2.5 Einflüsse auf die Ermüdung von Werkstoff und Bauteil 2.17 Schrifttum zu Kapitel 2 2.17 3 Konzepte einer Betriebsfestigkeitsrechnung 3. 1 3.1 Übersicht, Konzeptrahmen 3. 1 3.2 Lebensdauerrechnung bis zum technischen Anriß 3. 2 3.2.1 Anmerkungen zu den Rechenkonzepten 3. 2 3.2.2 Konzeptvarianten 3. 5 3.2.3 Ermittlung der Bauteillebensdauer für eine vorgegebene Ausfallwahrscheinlichkeit 3. 9 3.3 Aussagefähigkeit und Verwendbarkeit der Rechenergebnisse 3.11 Schrifttum zu Kapitel 3 3. 12 4 Ermittlung der betrieblichen Bauteilbelastungen und Bauteilbeanspruchungen 4. l 4.1 Anlagenbelastung und Bauteilbelastung 4. 1 4.2 Ermittlung der Bauteilbelastungen 4. 4 4.2.1 Messung der Bauteilbelastungen 4. 6 IX
4.2.2 Simulation der Bauteilbelastungen 4. 7 4.2.3 Einfache Abschätzung der Bauteilbelastungen 4. 9 4.3 Ermittlung der betrieblichen Bauteilbeanspruchungen 4. 9 4.3.1 Rechnerische Ermittlung der örtlichen Beanspruchungen 4. 10 4.3.2 Experimentelle Ermittlung der örtlichen Beanspruchungen und ihres zeitlichen Verlaufes 4.11 Schrifttum zu Kapitel 4 4. 12 5 Örtliche Spannungen, Formzahl und Kerbwirkung, Eigenspannungen 5. 1 5.1 Spannungen im kritischen Bauteilquerschnitt 5. 1 5.2 Formzahl 5. 3 5.3 Kerbwirkung, Stützwirkung 5. 5 5.4 Eigenspannungen 5. 8 Schrifttum zu Kapitel 5 5.11 6 Analyse der Beanspruchungs-Zeit-Funktion, Zählverfahren, Kollektive 6. l 6.1 Grundgedanke einer Kennzeichnung 6. 2 6.2 Forderungen an ein Kennzeichnungsverfahren, Aussagefähigkeit der Kennzeichnungsfunktion, Randbedingungen 6. 3 6.3 Einparametrische Zählverfahren 6. 5 6.3.1 Die Klassengrenzenüberschreitungszählung 6. 5 6.3.2 Das Klasengrenzenüberschreitungs-Kollektiv und seine Umsetzung in ein Amplitudenkollektiv 6. 8 6.3.3 Die Bereichspaarzählung 6.12 6.3.4 Das Bereichspaar-Kollektiv 6.14 6.3.5 Das Amplitudenkollektiv für die Lebensdauerrechnung, Mittelung der Kollektive 6.15 6.3.6 Anmerkungen zur Auftragung und Beschreibung von Amplitudenkollektiven 6.17 6.4 Zweiparametrische Zähl verfahren 6.17 6.4.1 Die Von-Bis-Zählung der Extrema in eine Übergangsmatrix 6. 19 6.4.2 Die Rainflowzählung und Rainflowmatrix 6.20 6.5 Ermittlung einparametrischer Zählergebnisse aus der Übergangs- und Rainflowmatrix 6. 24 X
6.5.1 Ermittlung der Klassengrenzenüberschreitungen aus der Übergangsmatrix der Extrema 6. 24 6.5.2 Ermittlung von Bereichspaarzählergebnissen aus der Rainflowmatrix 6. 25 6.6 Vergleich von Zähl verfahren (Beispiele) 6. 26 6.7 Empfehlungen für die Anwendung der Zähl verfahren 6. 32 6.8 Ermittlung des Bemessungskollektivs durch Extrapolation des Meßkollektivs auf die Nutzungszeit 6. 33 6.8.1 Extrapolation mit Hilfe des Kollektivhöchstwertes 6. 36 6.8.2 Anmerkungen zur Vorgehensweise bei Mischkollektiven 6. 38 Schrifttum zu Kapitel 6 6. 39 7 Standardisierte Lastfolgen und Kollektive (Belastungsstandards), Darstellung am Beispiel "Walzwerksstandard" 7. 1 7.1 Zweck einer Standardisierung 7. 1 7.2 Durchführung der Standardisierung am Beispiel des Walzwerksstandards WAWESTA 7. 2 Schrifttum zu Kapitel 7 7.6 Kennwerte und Kennfunktionen der Beanspruchbarkeit für die Berechnung der Bauteillebensdauer bis zum technischen Anriß nach dem Nennspannungskonzept 8. 1 8.1 Wöhlerversuch und Probenwöhlerlinie 8. 2 8.2 Zusammenfassende Darstellung von Ergebnissen aus Wöhlerversuchen 8. 10 8.3 Einflußgrößen auf die Wöhlerlinie 8.13 8.3.1 Werkstoff und Werkstoffzustand 8.15 8.3.2 Probengeometrie und-oberfläche 8.16 8.3.3 Beanspruchung 8. 17 8.3.4 Umgebungsbedingungen 8. 19 8.4 Betriebsfestigkeitsversuch und Lebensdauerlinie 8.20 8.4.1 Der Betriebsfestigkeitsversuch 8. 20 8.4.1.1 Zweck des Betriebsfestigkeitsversuchs 8.20 8.4.1.2 Versuchsarten 8.21 8.4.2 Die Lebensdauerlinie (Gaßnerlinie) 8.23 XI
8.5 Die Bauteilwöhlerlinie 8.26 8.5.1 Größeneinfluß und Oberflächeneinfluß 8.27 8.5.2 Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie für die Dimensionierung 8.36 8.5.2.1 Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie aus der statistisch abgesicherten Probenwöhlerlinie 8. 36 8.5.2.2 Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie aus statischen Werkstoffkennwerten / Synthetische Wöhlerlinien 8.40 Schrifttum zu Kapitel 8 8. 49 9 Berechnung der Bauteillebensdauer bis zum technischen Anriß nach dem Nennspannungskonzept 9. l 9.1 Aufbereitung des Kollektivs für die Schädigungsrechnung 9. 2 9.2 Gegenüberstellung von Kollektiv und Wöhlerlinie / Amplitudentransformation 9. 3 9.3 Die lineare Schadensakkumulationsrechnung (Miner-Regel) 9. 4 9.3.1 Lineare Schadensakkumulation 9. 4 9.3.2 Miner-Regel in der Originalform 9. 6 9.3.3 Miner-Regel in der elementaren Form 9. 7 9.3.4 Modifizierte Form der Miner-Regel nach Haibach 9. 7 9.3.5 Modifizierte Form der Miner-Regel nach Liu undzenner 9. 8 9.3.6 Konsequente Form der Miner-Regel 9. 9 9.3.7 Treffsicherheit der Ergebnisse 9. 9 9.4 Relative Miner-Regel 9. 11 9.5 Schadensakkumulation bei Nutzungsänderung einer Anlage 9.14 9.6 Ermittlung der Nutzungsdauer für eine vorgegebene Ausfall Wahrscheinlichkeit 9. 15 Schrifttum zu Kapitel 9 9.20 10 Berechnung der Bauteillebensdauer bis zum technischen Anriß nach dem Örtlichen Konzept 10. l 10.1 Voraussetzungen 10. 2 10.2 Last-Zeit-Funktion 10. 2 10.3 Beschreibung des Werkstoffverhaltens 10. 3 10.3.1 Zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve, Hysterese 10. 3 10.3.2 Dehnungswöhlerlinie, Kompatibilitätsbeziehungen 10. 4 xn
10.3.3 Uniform Material Law 10. 6 10.3.4 Masing-Verhalten 10. 7 10.3.5 Memory-Verhalten 10. 8 10.4 Lasten und Beanspruchungen am Bauteil / Bauteilverhalten 10.10 10.4.1 Bestimmung der örtlichen Beanspruchungskomponenten / Neuberregel / Last-Dehnungs- Beziehung (Bauteil-Fließkurve) 10. 10 10.4.2 Bauteilbeanspruchung bei zyklischer Belastung / Bauteil-Masing- und -Memoryverhalten 10.14 10.5 Schädigung und Bauteillebensdauer 10.15 10.5.1 Schädigungsparameter/ Schädigungsparameter-Wöhlerlinie 10. 15 10.5.2 Schadensakkumulation und Anrißlebensdauer 10.17 10.6 Zusätzliche Einflüsse 10.18 10.7 Beispiele 10. 19 10.8 Anmerkungen zur Treffsicherheit des Konzeptes / Vergleich mit dem Nennspannungskonzept / Einflüsse der zyklischen Werkstoffkennwerte auf das Ergebnis 10.21 Schrifttum zu Kapitel 10 10. 23 11 Dauerfeste Bauteilauslegung 11. 1 Schrifttum zu Kapitel 11 11.4 12 Bauteilverhalten in der Rißfortschrittsphase, Rißfortschritt und Restfestigkeit 12. 1 12.1 Fragestellung, Annahmen, allgemeine Hinweise 12. 1 12.2 Bruchmechanikkonzept 12. 2 12.2.1 Zügige (statische) Beanspruchung 12. 4 12.2.2 Schwingende Beanspruchung 12. 5 12.3 Berechnung der Restfestigkeit 12. 7 12.4 Berechnung des Rißfortschritts 12. 8 12.4.1 Bruchmechanische Dauerfestigkeit 12. 8 12.4.2 Rißfortschrittsrechnung bei Axialbeanspruchung und bei Biegung unter Betriebsbeanspruchung 12. 8 12.4.3 Rißfortschritt bei Torsion unter Betriebsbeanspruchung 12.11 Schrifttum zu Kapitel 12 12. 13 xm
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 13 1 3 4 4 5 7 7 8 11 11 12 14 15 Anhang I Wöhlerlinien-und Lebensdauerliniendaten A. l 1.1 Wöhlerliniendaten wichtiger Maschinenbauwerkstoffe A. 2 1.2 Lebensdauerlinien- und Wöhlerliniendaten für 42 CrMo 4 bei Torsionsbeanspruchung A. 8 1.3 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
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