6 Ermüdungsrisswachstum bei Betriebsbelastung (S. 177-178)

Risswachstumssimulationen und Lebensdauervorhersagen berücksichtigen häufig nur einstufige Belastungen, wie es im Kapitel 4 beschrieben ist. Während der Einsatzzeit ist ein Bauteil jedoch einer Betriebsbelastung ausgesetzt, die sich aus unterschiedlichen Belastungswechseln, wie z. B. Über- und Unterlasten, Blocklasten oder Änderungen der Belastungsrichtungen, zusammensetzt. Im Allgemeinen treten diese nicht regelmäßig auf, sondern entstehen zufällig aus der gesamten Nutzungssituation. Durch diese Betriebsbelastung kommt es zu so genannten Reihenfolgeeffekten, die sowohl zu einer Lebensdauerverlängerung als auch zu einer Lebensdauerverminderung führen können.

Das heißt, dass die Lebensdauervorhersagen auf der Grundlage einer konstanten Amplitudenbelastung ein hohes Potential an Unsicherheit beinhalten. Da die Vorhersage des Ermüdungsrisswachstums jedoch so genau wie möglich sein sollte, ergibt sich daraus – insbesondere vor dem Hintergrund der sicherheitstechnischen und ökonomischen Konsequenzen – eine komplexe Fragestellung. Aus ökonomischen Gesichtspunkten ist eine optimale Ausnutzung des Werkstoffs anzustreben, so dass zu konservative Vorhersagen vermieden werden müssen. Wesentlicher ist jedoch die Frage hinsichtlich der Ausfallsicherheit eines Bauteils oder einer Struktur. Um weder Mensch noch Umwelt zu gefährden, dürfen die Prognosen in keinem Fall nicht-konservativ sein, d. h. das Bauteil darf nicht bereits vor der prognostizierten Lebensdauer versagen. Aus diesem Grund sind entsprechende Konzepte unter Berücksichtigung der Betriebsbelastung erforderlich.

6.1 Lastspektren und -kollektive

Für eine sichere Vorhersage der Lebensdauer eines Bauteils, einer Maschine oder Anlage, ist die Kenntnis der Belastung bzw. der Beanspruchung von Bedeutung. Bei einer Betriebsbelastung, die durch eine Belastungs- bzw. Beanspruchungs-Zeit-Funktion beschrieben werden kann, ist die Kenntnis einerseits der Amplituden und zugehörigen Mittelspannungen sowie andererseits die zeitliche Abfolge der Belastung unbedingt erforderlich.

6.1.1 Bestimmung von Betriebsbelastungen

Die Ableitung und Generierung von Belastungs-Zeit-Funktionen für die Berechnung oder die experimentelle Ermittlung der Lebensdauer von Bauteilen und Strukturen basiert im Allgemeinen auf einer quantitativen und einer qualitativen Analyse [6-1, 6-2]. Durch die quantitative Analyse wird zunächst das Einsatzprofil eines Bauteils oder einer Struktur definiert, durch das die voraussichtliche Nutzung der betreffenden Konstruktion sowie die Häufigkeit, Verteilung und Reihenfolge der einzelnen Lastfälle festgeschrieben wird. Beispielsweise muss für einen PKW festgelegt werden, welche Fahrstrecke, wie oft und wie lange durchschnittlich befahren wird, oder welchen Einfluss der Fahrer auf die Belastung hat [6-1].

Bei der quantitativen Analyse werden die Bauteilbelastungen unter realen Belastungsbedingungen in Abhängigkeit der entsprechenden Lastfälle ermittelt. Die Möglichkeiten der Ermittlung der Bauteilbelastungen im Rahmen einer quantitativen Analyse sind sehr vielfältig. Grundsätzlich stehen die Betriebslastmessung, die rechnerische Simulation, die analytische Simulation oder die Abschätzung zur Verfügung, die je nach Entwicklungs- und Konstruktionsphase Anwendung finden. Neben der sehr häufig eingesetzten Betriebslastmessung, bei der die Aufzeichnung mit Messelementen, wie z. B. Dehnungsmessstreifen, erfolgt, findet auch immer mehr die rechnerische bzw. numerische Simulation Anwendung. Dies führt beispielsweise dazu, dass die Straßenfahrt eines Gesamtfahrzeugs unter Verwendung entsprechender Reifenmodelle, der numerischen Abbildung eines Straßenprofils und eines Fahrermodells virtuell simuliert werden kann [6-3].