Betriebsfestigkeit

Unter dem Begriff Betriebsfestigkeit versteht man die beanspruchungsgerechte Dimensionierung und Konstruktion von bau-, maschinen- und elektrotechnischen Komponenten für die eine gewisse Lebensdauer prognostiziert werden muß. Die Bauteile ermüden infolge zyklischer Belastungen. Zur Erkennung von Gefahren, die von derartigen Ermüdungsschäden ausgehen, stellt ISAFEM3D einen Betriebsfestigkeitsnachweis bereit, der gestattet, die Lebensdauer bzw. Dauerfestigkeit von Bauteilen sicher zu beurteilen.

Die Betriebsfestigkeitsnachweise werden in ISAFEM3D nach folgenden Vorschriften bzw. internationalen Codes erbracht :

FKM Richtlinie :

„Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“,

Forschungskuratorium Maschinenbau, VDMA Verlag, 6. erweiterte Ausgabe 2014

Bahnanwendungen – Betriebsfestigkeitsnachweis von Schienenfahrzeugstrukturen

DIN EN 17149, Entwurf, 2017

Eurocode 3 : Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten –

Teil 1-9 : Ermüdung

Empfehlungen zur Schwingfestigkeit geschweißter Verbindungen und Bauteile

IIW-Dokument XIII-1539-96 / XV-845-96

Krane : Grundsätze für Stahltragwerke Berechnung

DIN 15018

Klassifikations- und Bauvorschriften Schiffstechnik

Germanischer Lloyd

Zyklische Belastungen führen im Werkstoff der Struktur zu wechselnden Spannungsamplituden und Mittelspannungen. Diese Spannungsgrößen müssen in jedem Bauteilpunkt berechnet und analysiert werden, um daraus die schadensrelevanten Beanspruchungsgrößen zu erfassen. In ISAFEM3D werden diese Spannungsamplituden und Mittelspannungen aus einzelnen Lastfällen ermittelt unter Beachtung der Tatsache, daß die Spannungshauptachsen sich ändern.

Die zyklischen Belastungen werden zu Lastkollektiven zusammengefasst. Diese Lastkollektive bilden die Basis der Auswertung der Ermüdungsfestigkeit. Beliebig viele Lastfälle können definiert und kombiniert werden. Die Ergebnisse können aus einer linearen oder nichtlinearen Berechnung nach Theorie I., II. oder II. Ordnung stammen.

Der konventionelle Spannungsnachweis ermittelt aus einem mehrdimensionalen Spannungszustand eine Vergleichsspannung nach v. Mises oder nach Tresca. Dieser skalare richtungslose Wert wird an jeder Bauteilstelle mit einer zulässigen Spannung verglichen. Im Gegensatz dazu ist im Betriebsfestigkeitsnachweis der Auslastungsgrad maßgebend. Der Auslastungsgrad hängt von einer ganzen Reihe von Parametern ab. Der Auslastungsgrad ist örtlich verschieden und muss stets kleiner Eins sein.

Der Betriebsfestigkeitsnachweis ist nicht auf Eisenmetalle oder Stähle beschränkt, sondern kann auch für NE Metalle wie Aluminium, Magnesium oder für Kunststoffe geführt werden.

Die wesentlichen Merkmale der FKM Richtlinie sind

- Automatische Übernahme der Berechnungsergebnisse aus ISAFEM3D.

- Schwingspiele können aus mehreren Lastfällen zusammengesetzt sein und frei gewählt werden.

- Für die Spannungstransformation stehen mehrere Methoden zur Verfügung.

- Anwendung von parametrisierten P- und Q-Wert Lastkollektiven.

- Statischer Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen

- Unterstützung von stab-, flächen- und volumenförmigen Bauteilen.

- Amplitudentransformation nach Haibach und Goodman.

- Schadensakkumulation nach unterschiedlichen Miner Regeln.

- Programmunterstützte Ermittlung elastischer-plastischer Formzahlen auf der Basis linearen oder nichtlinearen Werkstoffkennlinien.

- Definition der Kennzahlen der FKM Richtlinie und Bestimmung des Auslastungsgrades.

Die DIN 15018 gilt als veraltet. Diese Norm ist dennoch ein wertvolles Hilfsmittel zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit insbesondere von Schweißnähten. Der Ablauf des Nachweises ist einfacher als in der FKM Richtlinie.

- Automatische Übernahme der Berechnungsergebnisse aus ISAFEM3D.

- Explizite Berücksichtigung von Werkstoffen, Schwingbeiwert und Kerbfällen.

- Die Standardwerkstoffe S235 und S355 stehen zur Verfügung. Andere Werkstoffe sind durch Vorgabe der Wechselfestigkeit, Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie der Steigung der Wöhlerlinie gekennzeichnet.

- Definition von Schweißnähten und deren Festigkeitseigenschaften. Für Schweißnähte sind fünf Kerbfälle definiert.

- Erweiterung des zweidimensionalen Spannungszustandes in der DIN 15018 ins Dreidimensionale in ISAFEM3D.

 

Der Nutzen eines rechnerischen Nachweises der Betriebsfestigkeit wird am Beispiel eines Zugankers geführt. Für die Zulassung der Zuganker ist ein Betriebsfestigkeitsnachweis erforderlich. Für jedes Bauteil der Bauteilreihe einen experimentellen Dauerfestigkeitsnachweis zu erbringen, bedeutet einen hohen Zeit- und Kostenaufwand. Mit ISAFEM3D wurden alle Zuganker der Bauteilreihe durchgerechnet und der Nachweis der Betriebsfestigkeit erbracht. Nur ein Bauteil wurde experimentell untersucht. Die gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und Versuch gestattete der Genehmigungsbehörde allen Bauteilen die Zulassung zu erteilen.

Die Darstellung der Betriebsfestigkeit kann in Form des DIN, SMITH oder HAIG/FKM Diagramms erfolgen. Es wird die Ober-, Unter- und Mittelspannung bestimmt. Zu diesem Zweck gibt es fünf Möglichkeiten :

  1. Ermittlung der Schwingspiele aus den maximalen und minimalen Hauptnormalspannungen.
  2. Projektion der Hauptspannungen.
  3. Vorzeichengerechte Vergleichsspannung.
  4. Bildung des Mittelspannungs- und des Amplitudentensors.
  5. Berechnung der Schwingspiele aus den maximalen und minimalen Hauptschubspannungen.
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