Betriebsfestigkeit — Eine Einführung in die Begriffe und ausgewählte Bemessungsgrundlagen
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Cetin Morris Sonsino
Kurzfassung
Die moderne Betriebsfestigkeit wird nicht mehr im Gaßner'schen Sinne nur als das Festigkeitsverhalten unter zeitlich veränderlichen zyklischen Betriebsbelastungen bzw. -beanspruchungen definiert. Sie bezieht auch die Interaktion mit weiteren Belastungsarten ein, wie Sonderbelastungen mit bleibenden Verformungen, die die bestimmungsgemäße Einsatzdauer nicht beeinträchtigen, Missbrauch, Kriechen und Verschleiß. Für eine betriebsfeste Bemessung ist neben den klassischen Kennwerten Wöhler- und Gaßnerlinien auch die Kenntnis über die Formdehngrenze eines Bauteils, seines möglichen Bruchverhaltens unter schlagartiger Belastung (Missbrauch), des Kollektives, der anzusetzenden Schädigungshypothese zur Lebensdauerabschätzung und der geforderten rechnerischen Ausfallwahrscheinlichkeit erforderlich. Der Beitrag führt hierbei in die neuzeitlichen Begriffe der Betriebsfestigkeit und ausgewählte Bemessungsgrundlagen ein.
Abstract
The modern structural durability is not defined anymore in the sense of its founder Ernst Gaßner as the strength behaviour only under cyclic variable amplitude loading. It includes also the interaction between other loading types as special events with tolerable plastic deformations which do not affect the required life duration, misuse, creep and wear. For a structural durability design also the knowledge of the structural yield point of the component, of its possible fracture behaviour under an impact loading (misuse), of the load spectrum, the damage accumulation hypothesis to be applied and the required theoretical probability of survival are required beside the classical Woehler- and Gaßner-lines. The article gives a short overview on the modern terminology of structural durability and on selected basic principles.
Literatur
1 E.Gassner: Festigkeitsverhalten mit wiederholter Beanspruchung im Flugzeugbau, Luftwissen6 (1939), S. 61–64Suche in Google Scholar
2 V.Grubisˇic´: Criteria and methodology for lightweight design of vehicle components subjected to random loads, SAE Paper No. 850367 (1985), Warrendale, USA10.4271/850367Suche in Google Scholar
3 V.Grubisˇic´: Nutzfahrzeugräder aus Aluminium, Eigenschaften und Bemessungskriterien, 3. Int. Symposium “Alu-minium und Automobil” in Düsseldorf, Aluminium-Verlag, Düsseldorf (1988), S. 195–202Suche in Google Scholar
4 V.Grubisˇic´, G.Fischer, C. M.Sonsino: Das Bruchverhalten von Fahrwerkskomponenten, Materialprüfung34 (1992), Hefte 3 und 4, S. 53–57 und S. 91–93Suche in Google Scholar
5 V.Grubisˇic´: Determination of load spectra for design and testing, Journal of Vehicle Design15 (1994), 1/2, S. 8–26Suche in Google Scholar
6 Grubisˇic´: Bedingungen und Forderungen für einen zuverlässigen Betriebsfestigkeitsnachweis, DVM-Bericht125 (1998), S. 9–22Suche in Google Scholar
7 C. M.Sonsino: Einfluss der Werkstoffzähigkeit auf das Festigkeitsverhalten unter mehrachsiger Beanspruchung am Beispiel von Schweißverbindungen aus Stahl und Aluminium, Mat.-wiss. u. Werkstofftech.34 (2003), 2, S. 189–19610.1002/mawe.200390028Suche in Google Scholar
8 C. M.Sonsino: Lightweight design chances using high-stregth steels, Mat.-wiss. u. Werkstofftech.38 (2007), 1, S. 9–2210.1002/mawe.200600090Suche in Google Scholar
9 C. M.Sonsino, A.Berg, V.Grubisˇic´: Betriebsfestigkeit von Aluminium-Sicherheitsbauteilen – Stand der Technik, Materialprüfung47 (2005), Heft 7/8, S. 404–409Suche in Google Scholar
10 M.Hauke: Simulation des Missbrauchverhaltens von Gesamtfahrzeugen, Dissertation, TU München (2003)Suche in Google Scholar
11 V.Grubisˇic´, C. M.Sonsino: Influence of local strain distribution on low-cycle fatigue behaviour of thick walled structures, C. Amzallag, B. N. Leis, P. Rabbe (Eds.): Low-Cycle Fatigue and Life Prediction, ASTM STP770 (1982), S. 612–629Suche in Google Scholar
12 O.Buxbaum: Betriebsfestigkeit – Sichere und wirtschaftliche Bemessung schwingbruchgefährdeter Bauteile, 2. erweiterte Auflage, Verlag Stahleisen, Düsseldorf (1992)Suche in Google Scholar
13 E.Gassner, H.Pries: Zeit- und Dauerfestigkeitsschaubilder für stabartige Bauteile aus Cr-Mo-Stahl, Duraluminium, Hydronaluminium und Elektron, Luftwissen8 (1941), 3, S. 1–4Suche in Google Scholar
14 I.Marines, X.Bin, C.Bathias: An understanding of very high cycle fatigue of metals, Int. J. Fatigue25 (2003), S. 1101–110710.1016/S0142-1123(03)00147-6Suche in Google Scholar
15 C.Bathias, P. C.Paris: Gigacycle fatigue in mechanical practice, Marcel Dekker Publishing, New York (2006), ISBN-No. 0-8247-2313-9Suche in Google Scholar
16 C.Berger, B.Kaiser: Results of long-term fatigue tests on helical compression springs, Proceedings of 3rd Int. Conf. On Very High Cycle Fatigue, Kusatsu, Japan (2004), S. 342–349Suche in Google Scholar
17 C. M.Sonsino: Dauerfestigkeit – Eine Fiktion, Konstruktion4 (2005), S. 87–92Suche in Google Scholar
18 C. M.Sonsino: Course of SN-curves especially in the high-cycle regime with regard to component design and safety, Int. J. Fatigue (2007), demnächst10.1016/j.ijfatigue.2006.11.015Suche in Google Scholar
19 E.Haibach: Betriebsfestigkeit: Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung, Springer-Verlag, 2. erweiterte Auflage, Düsseldorf (2003)Suche in Google Scholar
20 P.Heuler, H.Klätschke: Generation and Use of Standardized Load Spectra and Load-Time Histories, Int. J. Fatigue27 (2005), 8, S. 974–99010.1016/j.ijfatigue.2004.09.012Suche in Google Scholar
21 L.Jung, H.Zenner: Einfluss von Überlasten und Kollektivänderungen auf die Lebensdauer von Schweißverbindungen, Schweißen und Schneiden47 (1995), 6, S. 488–493Suche in Google Scholar
22 C. M.Sonsino, H.Kaufmann, J.Foth, F.Jauch: Fatigue strength of driving shafts of automatic transmission gearboxes under operational torques, SAE Transact. Sect. 5, Journal of Materials and Manufacturing 106 (1997), S. 635–648Suche in Google Scholar
23 H.Kaufmann, C. M.Sonsino, G.Demofonti, S.Riscifuli: High-strength steels in welded state for light-weight constructions under high and variable stress peaks, Steel Research International (2008), demnächst10.1002/srin.200806142Suche in Google Scholar
24 C. M.Sonsino, R.Zinke, R.Heim, H.Hanselka: Fahrwerksbauteile aus EN-GJS-400-15 und EN-GJS-800-8 (ADI) unter quasistatischen, schlagartigen und zyklischen Betriebsbelastungen, Gießereiforschung57 (2005), 4, S. 26–32Suche in Google Scholar
25 C.Pohl, J.Laakmann, C. M.Sonsino, R.Heim, H.Hanselka: Betriebsfestigkeit von Magnesium-Gussbauteilen unter schlagartigen und zyklischen Beanspruchungen ohne und mit plastischen Vorverformungen infolge von Sonderbelastungen, Mat.-wiss. u. Werkstofftech.37 (2006), 10, S. 797–80510.1002/mawe.200600046Suche in Google Scholar
26 C.Pohl, J.Laakmann, C. M.Sonsino, R.Heim, H.Hanselka: Betriebsfestigkeit von Getriebelagerungen aus Magnesium-Pressgusslegierungen, ATZ109 (2007), S. 177–183Suche in Google Scholar
27 B.Hänel, E.Haibach, T.Seeger, G.Wirthgen, H.Zenner: FKM-Richtlinie – Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, FKM-Forschungsheft Nr. 183, 4. erweiterte Ausgabe, Frankfurt/M (2002)Suche in Google Scholar
28 T.Seeger: Grundlagen für Betriebsfestigkeitsnachweise. Stahlbauhandbuch – Band 1, Teil B, Stahlbau-Verlagsgesellschaft mbH, Köln (1996), S. 5–123Suche in Google Scholar
29 D.Radaj, C. M.Sonsino, W.Fricke: Fatigue Assessment of Welded Joints by Local Approaches, 2nd extended edition, Woodhead Publishing, Cambridge (2006)10.1201/9781439832806Suche in Google Scholar
30 D.Radaj, M.Vormwald: Ermüdungsfestigkeit – Grundlagen für Ingenieure, 3. erweiterte Auflage, Springer-Verlag, Berlin (2007)Suche in Google Scholar
31 K.-H.Schwalbe: Bruchmechanik metallischer Werkstoffe, Carl Hanser Verlag, München (1980)Suche in Google Scholar
32 C.Berger, J. G.Blauel, L.Hodulak, B.Wurm: FKM-Richtlinie – Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis, FKM-Forschungsheft Nr. 258, Frankfurt/M (2001)Suche in Google Scholar
33 J.Schijve: Fatigue of Structures and Materials, Kluwer Academic Publishers, AH Dordrecht (2001)Suche in Google Scholar
34 C. M.Sonsino: Principles of variable amplitude fatigue design and testing, P. C. McKeighan, N. Ranganathan (Eds.): Fatigue Testing and Analysis under Variable Amplitude Loading Conditions, ASTM STP1439 (2005), S. 3–2310.1520/STP11294SSuche in Google Scholar
35 C. M.Sonsino: Fatigue testing under variable amplitude loading, Int. J. Fatigue29 (2007), S. 1080–108910.1016/j.ijfatigue.2006.10.011Suche in Google Scholar
36 C. M.Sonsino: Limitations in the use of RMS-values and equivalent stresses in variable amplitude loading, Int. J. Fatigue11 (1989), 3, S. 142–15210.1016/0142-1123(89)90433-7Suche in Google Scholar
37 A.Wöhler: Über die Festigkeitsversuche mit Eisen und Stahl, Z. f. Bauwesen20 (1870), S. 73–106Suche in Google Scholar
38 D.Schütz, H.Lowak: Zur Verwendung von Bemessungsunterlagen aus Versuchen mit betriebsähnlichen Lastfolgen zur Lebensdauerabschätzung. Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit (LBF), Darmstadt, Bericht Nr. FB-109 (1976)Suche in Google Scholar
39 A.Palmgren: Die Lebensdauer von Kugellagern, VDI-Z.68 (1924), S. 339–341Suche in Google Scholar
40 M. A.Miner: Cumulative Damage in Fatigue, J. Applied Mechanics12 (1945), S. 159–16410.1115/1.4009458Suche in Google Scholar
41 J. L.Chaboche, P. M.Lesne: A non-linear continuous fatigue damage model, Fatigue and Fracture of Eng. Mat. and Structures11 (1988), 1, S. 1–710.1111/j.1460-2695.1988.tb01216.xSuche in Google Scholar
42 H.Zenner, J.Lui: Vorschlag zur Verbesserung der Lebensdauerabschätzung nach dem Nennspannungskonzept, Konstruktion44 (1992), S. 9–17Suche in Google Scholar
43 A.Fatemi, L.Yang: Cumulative fatigue damage and life prediction theories: AQ survey of the state of the art for homogeneous materials, Int. J. Fatigue20 (1998), 1, S. 9–3410.1016/S0142-1123(97)00081-9Suche in Google Scholar
44 W.Schütz, H.Zenner: Schadens-akkumulationshypothesen zur Lebensdauervorhersage bei schwingender Beanspruchung, Zeitschrift für Werkstofftechnik4 (1973), 1 und 2, S. 25–25 und S. 97–10210.1002/mawe.19730040211Suche in Google Scholar
45 K.-H.Eulitz, K. L.Kotte: Damage accumulation – Limitations and perspectives for fatigue life assessment, Proceedings of Materials Week 2000, Werkstoffwoche-Partnerschaft, Frankfurt (2000), URL: www.materialsweek.org/proceedingsSuche in Google Scholar
46 K.-G.Eulitz, P.Heuler, K. L.Kotte: Lebensdauerabschätzung von Schweißverbindungen unter variablen Amplituden – Berechnung und Experiment, Festigkeit gefügter Bauteile, DVS-Bericht Nr.236 (2005), S. 36–42Suche in Google Scholar
47 H.Ostermann: Kennzeichnung der Dauerfestigkeit durch Mittelwert und Streuung, Beispiele angewandter Forschung, Fraunhofer-Gesellschaft, München (1965), S. 33–40Suche in Google Scholar
48 R.Adenstedt: Streuung der Schwingfestigkeit, Dissertation, Universität Clausthal (2002)Suche in Google Scholar
49 V.Grubisˇic´: Verfahren zur optimalen Bemessung von Fahrzeugrädern. LBF-Bericht Nr. FB-86 (1970), Teil I und IISuche in Google Scholar
50 R. I.Stephens, A.Fatemi, R. R.Stephens, H. O.Fuchs: Metal Fatigue in Engineering, 2nd Edition, John Wiley & Sons Inc., New York (2001)Suche in Google Scholar
51 C. M.Sonsino: Versuchszeitverkürzung in der Betriebsfestigkeit, Materialprüfung45 (2003), 4, S. 133–144Suche in Google Scholar
52 A.Hobbacher: Recommendations for fatigue design of welded joints and components, International Institute of Welding (IIW), IIW-Doc. No. 1823-07, XIII-2151-07, XV-1254-07, 2007Suche in Google Scholar
53 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Division 1, Subsection NA, Article XIV-1212, Subsection NB-3352.4, New York (1984)Suche in Google Scholar
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Artikel in diesem Heft
- Inhalt/Contents
- Inhalt
- Vorwort/Editorial
- Zum Jubilar
- Fachbeiträge/Technical Contributions
- Wechselwirkungen zwischen Rad und Radnabe — Entwicklungen und Potenziale bei Nutzfahrzeugen
- Baugruppenerprobung für straßen- und schienengebundene Räder in der integrativen Simulationsumgebung ZWARP
- Hochfeste Kunststoffstrukturen — Fahrzeugräder aus Sheet Moulding Compound SMC
- Numerische Betriebsfestigkeitsanalyse von Rädern und Radnaben unter Berücksichtigung von Reifen, Verschraubung und Bremse
- Ein neuer Radsensor zur Ermittlung von Lastannahmen an schienengebundenen Nahverkehrsfahrzeugen
- Beanspruchungszustand von Motorradrädern unter „standardisierten‟ Lebensdauerprüfungen
- Kirchenglocken — Kulturgut, Musikinstrumente und hochbeanspruchte Komponenten
- Betriebsfestigkeit — Eine Einführung in die Begriffe und ausgewählte Bemessungsgrundlagen
- Fatigue Life Assessment of Cast Nodular Iron Disc Brakes for Railway Vehicles
- Vorschau/Preview
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