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Sicherheit und Betriebsfestigkeit von Maschinen und Anlagen

Konzepte und Methoden zur Lebensdauervorhersage

AutorManuela Sander
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2008
Seitenanzahl217 Seiten
ISBN9783540777335
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis100,00 EUR

Das Buch fasst die aktuellsten Methoden und Konzepte zur festigkeitsgerechten und bruchsicheren Gestaltung von Maschinen und Anlagen prägnant zusammen. Darüber hinaus werden Untersuchungen über das Zusammenwirken von Betriebsfestigkeit und Bruchmechanik dargestellt und mittels eigener numerischer, analytischer und experimenteller Untersuchungen bewertet und verglichen. Zudem wird das zunehmend bedeutende Thema des Ultra-high-cycle-fatigue-Bereichs behandelt.

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Leseprobe
"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."
Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhaltsverzeichnis7
Liste der Formelzeichen9
Kapitel 1 Einleitung15
Kapitel 2 Konzepte zur festigkeitsgerechten und bruchsicheren Gestaltung18
2.1 Belastungs- und Beanspruchungs-Zeit-Funktionen20
2.2 Statischer Festigkeitsnachweis27
2.3 Dauerfestigkeitsnachweis28
2.4 Konzepte der klassischen Betriebsfestigkeit38
2.5 Konzepte der klassischen Bruchmechanik60
Kapitel 3 Zusammenwirken von Betriebsfestigkeit und Bruchmechanik bei der Lebensdauervorhersage91
3.1 Entstehung von Ermüdungsrissen91
3.2 Kurzrisswachstumskonzepte113
3.3 Gesamtlebensdauerkonzepte136
Kapitel 4 Ultra high cycle fatigue142
4.1 Rissinitiierung bei sehr hohen Lastwechselzahlen143
4.2 Wöhlerkurve im Bereich hoher Lastwechselzahlen149
4.3 Auslegungskonzept (Lebensdauerkonzept) nach Murakami151
4.4 Lebensdauerberechnung im fish-eye152
4.5 Bruchmechanische Lebensdaueransätze155
Kapitel 5 Bewertung, Vergleich und Anwendung der Konzepte157
5.1 Experimentelle Untersuchungen157
5.2 Numerische Untersuchungen166
5.3 Analytische Ermittlung von Rissfortschrittswöhlerlinien168
5.4 Betriebsfestigkeits- und kombinierte Konzepte170
5.5 Konzepte der Rissinitiierung193
5.6 Bruchmechanische Konzepte198
Literaturverzeichnis207
Sachwortverzeichnis221

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