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- Lebensdauer begrenzende Prozesse Ermüdung (schwingende Beanspruchung) Korrosion (Konstruktionen in Seewasser z.B. Spundwände) Verschleiß (Reibpaarungen, Zahnräder fressen, Bremsen, Kupplungen) Kriechen (Wachsen von Turbinenschaufeln unter Fliehkraft) Werkstoffaltern (Änderungen in der Kristallstruktur, Druckreaktor und Neutronenbeschuss)
- Bauteilauslegung ruhende Beanspruchung Auslegung gegen statische Kennwerte z.B. Zugfestigkeit, Dehngrenze Sicherheit gegen Verformungen oder Bruch z.B. Stahlbau schwingende Beanspruchung Auslegung gegen statische Kennwerte z.B. Zugfestigkeit, Dehngrenze Auslegung gegen dynamische Kennwerte z,B, Schwellfestigkeit betriebsfeste Bemessung Bauteil muss die schwingende Nutzungsdauer ohne Versagen ertragen können (N<2<10^6) z.B. Flugzeugstruktur dauerfeste Bemessung Bauteil muss schwingende Beanspruchung beliebig oft wiederholen können (N>2+10^6) z.B. Pleuelstange
- Gründe für den LEichtbau Erfüllung der Funktion: z.B. Fliegen beim Flugzeug: Ein dauerfestes Flugzeug ist nicht flugfähig Erhöhung der Nutzlast: Beim Flugzeug aber auch beim Nutzfahrzeug: Ein LKW mit Alumniumfelge hat ca 1t mehr Nutzlast Energieeinsparung: Betriebskosten senken, je mehr Masse zu beschleunigen ist, desto mehr Energie ist erforderlich Materialeinsparung: Herstellkosten senken, z.B. Stahlbau, weniger Material und Herstellkosten erforderlich wenn weniger Tröger erforderlich
- Wo betriebsfeste Auslegung? Flugzeuge Straßen- und Schienenfahrzeuge Schiffe (Decksaufbauten häufig aus Aluminium) Geräte, Maschinen und Anlagen Schwermaschinenbau
- Klassierung Die Schwingbreite der Beanspruchung wird in Klassen eingeteilt und die Anzahl der Spitzenwerte in den einzelnen Klassen gezählt Klassieren bedeutet eine erhebliche Datenreduktion Bei der Klassierung gehen Informationen verloren: Rehenfolge, Frequenz, Schwingungsform Die für die Lebensdauerbereuchung wichtegen Größen beiben erhalten: Mittelwert, Amplitude
- Wie oft kann ein Kellektiv auf gebracht werden bevor das Bauteil ausfällt? Das gegebene Kollektiv wird in Stufen geteilt Die Anzahl der Schwingspiele einer Beanspruchungsstufe h wird mit der Beanspruchbarkeit N (Wöhlerlinie) auf dieser Stufe in Beziehung gesetzt und man erhällt die Schädigung eines Kollektivdurchlaufs für diese Beanspruchungsstufe
- Vergleich von Versuch und Rechnung Häufig große Unterschiede Lebensdauerrechnung nur für relative Aussagen geeignet
- Modifikationen der Palmgreen-Miner-Regel zur Erhöhung der Treffsicherheit Berücksichtigung von Beanspruchungen Unterhalb der Dauerfestigkeit Anpassen der Neigung der Wöhlerlinie
- Dauerfeste Auslegung Alle Amplituden liegen unterhalb der Dauerfestigkeit Sicherheit: Verhältnis zwischen Dauerfestigkeit SaD und Keollektivhächstwert SaA
- Berücksichtigung von Streuung Sowohl Beanspruchung (z.B. verchiedene Fahrer) als auch die Beanspruchungbarkeit (Fertigungseinflüsse) streuen Im Schnittbereich beider Wahrscheinlichkeitsverteilungen kommt es zum Bauteilversagen, hohe Beanspruchung trifft schlechtes Bauteil Vorgabe der Ausfallwahrscheinlichkeit
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- Betriebsfeste Auslegung Amplituden oberhalb der Dauerfestigkeit Bei betriebsfester Auslegung liegen die Kennwerte in Form von Kennfunktionen vor Die Grüße des Überschneidungsbereiches beschreibt die Ausfallwahrscheinlichkeit
- Safe-Life- Concept (Fahrzeugbau) Auslegung sicherheitsrelevanter Teile (Fahrwerk), so dass Bauteillebensdauer größer Produktlebensdauer, da man Konsumenten nicht zuzr Inspektion zwingen kann Durch nicht vorhersehbare Ereignisse kann SChaden auftreten z.B. bei Überlasten Durch Deformation und nicht Bruch soll die Funktionsfähigkeit eingeschränkt erhalten bleiben und kein katastrophenartiges Versagen eintreten
- Fail Safe Consept (Flugzeugbau) Ausfallsicher: kein katastrophenartiges Versagen bei nicht bekannten Belastungen oder Strukturschäden Schaden kann eine Zeit lang (bis zum nöchsten Inspektionstermin) toleriert werden --mehrere Lastpfade: Flugzeugbau Flugzeugzelle aus mehreren Stringern, Fachwerkkonstruktionen, Drahtseil --oft nicht zu erfüllen z.B. Pleuel, Druckbehälter --Möglichkeit der Inspektion erforderlich --Schäden werden beobachtet und wenn z.B. kritische Risslänge n überschritten wird, austauschen, "mit Rissen leben" --Einsatz schadenstoleratner Werkstoffe (nicht kerbempfindlich, Risse werden verzögert)
- Fraktografie Analyse der Bruchfläche nach Schadensfällen
- Ermüdungs-oder statischer Bruch statische Brüche erfolgen bei duktilem Werkstoff in der Ebene der maximalen Schubspannung, d.h. unter 45° zur Zugrichtung als Gleitbruch (mit Verformung). Die Bruchfläche ist meist rua und kristallin Ermüdungsrisse entstehen als Mikrorisse in der Ebene der maximalen Schubspannung, das Weiterwachsen und Versagen erfolgt aber in der Ebene der größten Hauptsoannung, d.h. senkrecht zur Zugrichtung, als Trennbruch ("die Teile "passen" zusammen")
- Ort des Rissausgangs Ermüdungsriss in der Regel an der Oberfläche des Bauteils, dahier Werkstoffelement auf einer Seite nicht gestützt wird Unterhalb der Oberfläche kann der Anriss liegen wenn das Bauteil randschichtbehandelt ist und damit die Schwingfestigkeit der Oberfläche gesteigert wird -Einsatzhärten -Kugelstrahlen
- Oberflächenfehler Ein Oberflächenanrissn wird begünstigt durch: Ein Oberflächenanrissn wird begünstigt durch: Riefen senkrecht zur Beanspruchungsrichtung Schlag- oder Druckstellen (z.B. eingeschlagen oder angegeossene NummeR) Reibkorrosion durch Relativbewegung (rotes Eisenoxid, Welle-Narbe, Schraube, Niet) Korrosionsnarben Schweißnaht (Einbrandkerbe, Nahtwurzel)
- Beanspruchungsart Der Riss breitet sich solange aus, bis der tragende Querschnitt soweit geschwächt ist, dass bei den nächsten Belastung ein quasistatischer Bruch (Restbruch) eintritt Die Oberflche kann häufig in Dauerbruchfläche (matt, grau) und Restbruchfläche (rau, kristallin) unterschieden werden. Besonders auf Stahl gute Unterscheidung möglich, eher schlecht bei Alu oder Eisenguss-Flächen Das Verhältniss von Dauerbruch zu Restbruchfläche kann Auskunft über die Beanspruchungshöhe geben