Ermüdungsrisse: erkennen, sicher beurteilen, vermeiden
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Wiesbaden
Springer Vieweg
2012
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VII
INHALTSVERZEICHNIS
1 AUSLEGUNG VON BAUTEILEN UND STRUKTUREN NACH FESTIGKEITSKRITERIEN 1 1.1
BELASTUNGEN VON BAUTEILEN UND STRUKTUREN 1
1.2 SPANNUNGEN UND SPANNUNGSZUSTAENDE IN BAUTEILEN UND STRUKTUREN 4
1.2.1 EBENER SPANNUNGSZUSTAND 5
1.2.2 RAEUMLICHER SPANNUNGSZUSTAND 6
1.2.3 HAUPTSPANNUNGEN 6
1.2.4 EBENER SPANNUNGS- ODER EBENER VERZERRUNGSZUSTAND 8
1.3 STATISCHER FESTIGKEITSNACHWEIS 8
1.3.1 VERGLEICHSSPANNUNG 8
1.3.2 ZULAESSIGE BEANSPRUCHUNG 9
1.3.3 ABLAUF EINES FESTIGKEITSNACHWEISES 9
1.3.4 BERUECKSICHTIGUNG DER KERBWIRKUNG 11
1.3.5 KERBFAKTOREN 12
1.3.6 MATERIALKENNWERTE UND SICHERHEITSFAKTOREN 14
1.4 DAUERFESTIGKEITSNACHWEIS 16
1.4.1 WIRKSAME UND ZULAESSIGE SPANNUNGEN 16
1.4.2 WERKSTOFFKENNWERTE 18
1.4.3 OBERFLAECHEN- UND GROESSENBEIWERTE 19
1.4.4 DAUERFESTIGKEITSNACHWEIS BEI GEKERBTEN BAUTEILEN 21
1.5 BETRIEBSFESTIGKEITSNACHWEIS 21
1.6 SONSTIGE NACHWEISE 22
1.7 GRENZEN DER KLASSISCHEN BAUTEILAUSLEGUNG 22
LITERATUR ZU KAPITEL 1 23
2 SCHAEDEN DURCH RISSWACHSTUM 24
2.1 RISSENTSTEHUNG UND RISSWACHSTUM 26
2.2 STABILES UND INSTABILES RISSWACHSTUM 28
2.3 SCHADENSANALYSE / BRUCHFLAECHENANALYSE 29
2.4 ERMUEDUNGSRISSWACHSTUM BEIM ICE-RADREIFEN 33
2.5 RISSWACHSTUM IN EINEM PRESSENKOERPER 34
2.6 ERMUEDUNGSRISSWACHSTUM IM VERSCHLUSSKOERPER EINER
INNENHOCHDRUCKUMFORMMASCHINE 35
2.7 BRUCH DER ANTRIEBSWELLE EINES OLDTIMERS 36
2.8 WEITERE SCHADENSEREIGNISSE 36
2.9 PRINZIPIELLE RISSVERLAEUFE UND RISSFORMEN IN BAUTEILEN UND STRUKTUREN
38 2.9.1 RISSVERLAEUFE BEI GRUNDLEGENDEN SPANNUNGSZUSTAENDEN 38
2.9.2 RISSVERLAEUFE UND RISSFORMEN IN WELLEN 40
2.9.3 SYSTEMATISIERUNG DER RISSARTEN IN BAUTEILEN UND STRUKTUREN 42
2.10 RISSERKENNUNG MIT ZERSTOERUNGSFREIEN PRUEFVERFAHREN 46
LITERATUR ZU KAPITEL 2 48
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IMAGE 2
VIII
INHALTSVERZEICHNIS
3 GRUNDLAGEN DER BRUCHMECHANIK 51
3.1 RISSE UND RISSBEANSPRUCHUNGSARTEN 51
3.1.1 M O D E L 52
3.1.2 M O D E L L 53
3.1.3 MODE III 53
3.1.4 MIXED MODE 53
3.2 SPANNUNGSVERTEILUNGEN AN RISSEN 53
3.2.1 ELASTIZITAETSTHEORETISCHE LOESUNGEN FUER RISSPROBLEME 53
3.2.2 SPANNUNGSVERTEILUNGEN BEI EBENEN RISSPROBLEMEN 55
3.2.3 SPANNUNGSVERTEILUNGEN BEI RAEUMLICHEN RISSPROBLEMEN 59
3.3 VERSCHIEBUNGSFELDER IN DER RISSUMGEBUNG 61
3.4 SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN 62
3.4.1 SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN FUER DIE RISSMODEN I, II UND III 62
3.4.2 SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN FUER GRUNDLEGENDE RISSPROBLEME 63
3.4.3 UEBERLAGERUNG VON SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN,
VERGLEICHSSPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN 73
3.5 LOKALE PLASTIZITAET AN DER RISSSPITZE 77
3.5.1 ABSCHAETZUNG DER PLASTISCHEN ZONE 78
3.5.2 RISSLAENGENKORREKTUR 82
3.5.3 BEDEUTUNG DER PLASTISCHEN ZONE BEI DER ERMUEDUNGSRISSAUSBREITUNG 82
3.6 ENERGIEFREISETZUNGSRATE UND J-INTEGRAL 82
3.6.1 ENERGIEFREISETZUNGSRATE 82
3.6.2 ./-INTEGRAL 83
3.7 ERMITTLUNG DER SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN UND ANDERER
BRUCHMECHANISCHER GROESSEN 84
3.7.1 ERMITTLUNG VON SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN AUS DEM SPANNUNGSFELD
IN DER RISSUMGEBUNG 85
3.7.2 ERMITTLUNG DER SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN AUS DEM
VERSCHIEBUNGSFELD IN DER RISSUMGEBUNG 86
3.7.3 ERMITTLUNG BRUCHMECHANISCHER GROESSEN MIT DEM J-INTEGRAL 86
3.7.4 ERMITTLUNG BRUCHMECHANISCHER GROESSEN MIT DEM
RISSSCHLIESSUNGSINTEGRAL.. 86 3.8 KONZEPTE ZUR VORHERSAGE DES INSTABILEN
RISSWACHSTUMS 89
3.8.1 K-KONZEPT FUER MODE I 89
3.8.2 .K-KONZEPT FUER MODE II-, MODE III- UND
MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNGEN.. 90 3.8.3 KRITERIUM DER ENERGIEFREISETZUNG
94
3.8.4 ./-KRITERIUM 95
3.9 RISSZAEHIGKEITEN 95
3.10 BEWERTUNG VON BAUTEILEN MIT RISSEN MIT BRUCHMECHANISCHEN METHODEN
96 3.10.1 ABLAUF EINES BRUCHMECHANISCHEN NACHWEISES 96
3.10.2 ANWENDUNGEN DES BRUCHKRITERIUMS UND DES BRUCHMECHANISCHEN
NACHWEISES AUF MODE I-RISSPROBLEME 97
3.10.3 ANWENDUNGEN DES BRUCHKRITERIUMS UND DES BRUCHMECHANISCHEN
NACHWEISES AUF MODE II-, MODE III- UND MIXED-MODE-PROBLEME 99 3.11
ZUSAMMENWIRKEN VON FESTIGKEITSBERECHNUNG UND BRUCHMECHANIK 100 LITERATUR
ZU KAPITEL 3 103
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS IX
4 ERMUEDUNGSRISSWACHSTUM BEI ZYKLISCHER BELASTUNG MIT KONSTANTER
AMPLITUDE 106 4.1 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN BAUTEILBELASTUNG UND ZYKLISCHER
SPANNUNGSINTENSITAET.. 106 4.1.1 SPANNUNGSFELD BEI ZEITLICH
VERAENDERLICHER MODE I-BEANSPRUCHUNG 106 4.1.2 ZYKLISCHER
SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOR BEI MODE 1 108
4.1.3 /Z-VERHAELTNIS 109
4.1.4 RISSAUSBREITUNGSVORGANG 109
4.1.5 SPANNUNGSFELD BEI ZEITLICH VERAENDERLICHER MODE II-, MODE III- UND
MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 109
4.1.6 ZYKLISCHER SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOR FUER MODE II 110
4.1.7 ZYKLISCHER SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOR FUER MODE III 111
4.1.8 EBENE MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 111
4.1.9 RAEUMLICHE MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 112
4.2 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN RISSGESCHWINDIGKEIT UND ZYKLISCHEM
SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOR BEI MODE 1 112
4.2.1 GRENZEN DER ERMUEDUNGSRISSAUSBREITUNG BEI MODE I 113
4.2.2 EINFLUSSFAKTOREN AUF DIE RISSGESCHWINDIGKEITSKURVE 114
4.2.3 RISSSCHLIESSVERHALTEN BEIM ERMUEDUNGSRISSWACHSTUM 115
4.2.4 THRESHOLDWERT UND SCHWELLENWERTVERHALTEN 119
4.3 RISSAUSBREITUNGSKONZEPTE BEI MODE 1 124
4.3.1 PARIS-GERADE 124
4.3.2 ERDOGAN/RATWANI-GESETZ 124
4.3.3 FORMAN/METTU-GLEICHUNG 125
4.3.4 VERGLEICH DER RISSFORTSCHRITTSGLEICHUNGEN 126
4.3.5 BESTIMMUNG DER RESTLEBENSDAUER 127
4.4 RISSWACHSTUM BEI MODE II-, MODE III- UND MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG
130 4.4.1 RISSWACHSTUM BEI MODE II-BEANSPRUCHUNG AM AUSGANGSRISS 131
4.4.2 RISSWACHSTUM BEI MODE III-BEANSPRUCHUNG AM AUSGANGSRISS 132 4.4.3
RISSWACHSTUM BEI EBENER MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 132
4.4.4 RISSWACHSTUM BEI RAEUMLICHER MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 133 4.5
VORGEHENSWEISE BEI DER BEWERTUNG DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS 134 4.5.1
BRUCHMECHANISCHE BEWERTUNG DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS 134
4.5.2 ERMITTLUNG DER RISSLAENGE, AB DER ERMUEDUNGSRISSWACHSTUM MOEGLICH
IST.... 135 4.5.3 SICHERHEIT GEGEN DAS AUFTRETEN DES
ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS 137 4.5.4 BEREICH DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS 137
4.5.5 FESTLEGUNG VON INSPEKTIONSINTERVALLEN 137
4.6 ZUSAMMENWIRKEN VON DAUERFESTIGKEITSBERECHNUNG UND BRUCHMECHANIK 138
LITERATUR ZU KAPITEL 4 140
5 EXPERIMENTELLE ERMITTLUNG BRUCHMECHANISCHER WERKSTOFFKENNWERTE 143 5.1
KRITISCHER SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOR UND RISSZAEHIGKEIT 143
5.1.1 ERMITTLUNG DER RISSZAEHIGKEIT NACH ASTM E 399 144
5.1.2 VERSUCHSDURCHFUEHRUNG BEI DER RISSZAEHIGKEITSBESTIMMUNG 147 5.1.3 K
L C ODER KQ? - AUSWERTUNG DER VERSUCHE 148
5.2 THRESHOLDWERTE UND RISSGESCHWINDIGKEITSKURVEN 151
5.2.1 ERMITTLUNG DER THRESHOLDWERTE UND RISSGESCHWINDIGKEITSKURVEN NACH
ASTM E 647 151
5.2.2 METHODEN DER THRESHOLDWERTBESTIMMUNG 154
5.2.3 METHODEN DER RISSLAENGENMESSUNG 157
IMAGE 4
X
INHALTSVERZEICHNIS
5.2.4 RISSGESCHWINDIGKEITSERMITTLUNG 161
5.2.5 AUSWERTUNG DER THRESHOLDWERT- UND DER
RISSFORTSCHRITTSKURVENVERSUCHE 162 5.3 WERKSTOFFKENNWERTE FUER DAS MODE
I-RISSWACHSTUM 164
5.3.1 RISSZAEHIGKEITSWERTE 164
5.3.2 SCHWELLENWERTE DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS 167
5.3.3 RISSGESCHWINDIGKEITSKURVEN 168
5.4 WERKSTOFFKENNWERTE BEI MODE II- UND MIXED MODE-BEANSPRUCHUNG 170
5.4.1 MODE II-BEANSPRUCHUNG 170
5.4.2 EBENE MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 171
5.4.3 RAEUMLICHE MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 173
LITERATUR ZU KAPITEL 5 174
6 ERMUEDUNGSRISSWACHSTUM BEI BETRIEBSBELASTUNG 177
6.1 LASTSPEKTREN UND -KOLLEKTIVE 177
6.1.1 BESTIMMUNG VON BETRIEBSBELASTUNGEN 177
6.1.2 KLASSIER- UND ZAEHLVERFAHREN 178
6.1.3 STANDARDLASTSPEKTREN 179
6.2 REIHENFOLGEEFFEKTE UND IHRE WIRKUNG 180
6.2.1 UEBERLASTEN 181
6.2.2 UNTERLASTEN 185
6.2.3 KOMBINATIONEN AUS UEBER- UND UNTERLASTEN 186
6.2.4 UEBERLASTSEQUENZEN 186
6.2.5 BLOCKLASTEN 188
6.2.6 BETRIEBSBELASTUNGEN 190
6.3 RISSFORTSCHRITTSKONZEPTE BEI BELASTUNG MIT VARIABLER AMPLITUDE 193
6.3.1 GLOBALE ANALYSEN 194
6.3.2 LINEARE SCHADENSAKKUMULATION 195
6.3.3 FLIESSZONENMODELLE 195
6.3.4 RISSSCHLIESSMODELLE 203
6.3.5 FLIESSSTREIFENMODELLE 203
6.4 MIXED-MODE-BEANSPRUCHUNG 206
6.4.1 RISSWACHSTUM BEIM WECHSEL DER BELASTUNGSRICHTUNG BZW. DER LOKALEN
BEANSPRUCHUNG AM RISS 207
6.4.2 EINFLUSS VON MIXED-MODE-UEBERLASTEN AUF DAS ERMUEDUNGSRISSWACHSTUM.
207 LITERATUR ZU KAPITEL 6 208
7 SIMULATIONEN DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS 212
7.1 ANALYTISCHE RISSWACHSTUMSSIMULATIONEN 212
7.1.1 NASGRO UND ESACRACK 212
7.1.2 AFGROW 214
7.2 NUMERISCHE RISSWACHSTUMSSIMULATIONEN 214
7.2.1 GRUNDLEGENDE VORGEHENSWEISE MITTELS DER FINITE-ELEMENTE-METHODE
215 7.2.2 PROGRAMMSYSTEM FRANC/FAM FUER EBENE
RISSAUSBREITUNGSSIMULATIONEN 218
7.2.3 PROGRAMMSYSTEM ADAPCRACK3D FUER RAEUMLICHE
RISSAUSBREITUNGSSIMULATIONEN 219
7.3 BESTIMMUNG DER WIRKUNG VON BELASTUNGSWECHSELN MITTELS
FINITE-ELEMENTE-ANALYSEN 220
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS XI
LITERATUR ZU KAPITEL 7 224
8 RISSENTSTEHUNG BEI ZYKLISCHER BELASTUNG 227
8.1 MODELLE ZUR BESCHREIBUNG DER RISSENTSTEHUNG 228
8.1.1 SCHWELLENWERTKURVENKONZEPT 228
8.1.2 KONZEPT DES KRITISCHEN ABSTANDS 231
8.1.3 ERMUEDUNGSRISSWIDERSTANDSKURVENKONZEPT 232
8.1.4 VAREA-KONZEPT 234
8.2 KURZRISSWACHSTUM 236
LITERATUR ZU KAPITEL 8 236
9 PRAXISBEISPIELE 239
9.1 LECK IN EINER ROHRLEITUNG 239
9.1.1 SPANNUNGEN IM ROHR 239
9.1.2 SPANNUNGSINTENSITAETSFAKTOREN FUER DEN VORLIEGENDEN RISS 240
9.1.3 SICHERHEIT GEGEN INSTABILE RISSAUSBREITUNG 241
9.1.4 RISSLAENGE, BEI DER INSTABILE RISSAUSBREITUNG EINTRITT 241
9.2 UNTERSUCHUNG DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS IM ICE-RADREIFEN 242 9.2.1
AUFBAU UND BELASTUNG GUMMIGEFEDERTER RAEDER 242
9.2.2 RECHNERISCHE SPANNUNGSANALYSE 243
9.2.3 SCHADENSANALYSE DES RADREIFENBRUCHES 245
9.2.4 BRUCHMECHANISCHE CHARAKTERISIERUNG DES RADREIFENWERKSTOFFS 245
9.2.5 NUMERISCHE SIMULATION DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS 245
9.2.6 EXPERIMENTELLE SIMULATION DES RISSWACHSTUMS 247
9.3 SIMULATION DES ERMUEDUNGSRISSWACHSTUMS IN EINEM PRESSENKOERPER 249 9.4
VERMEIDUNG DES RISSWACHSTUMS IN EINEM KOLBEN 252
9.5 UNTERSUCHUNG DES RISSWACHSTUMS IN EINER FLUGZEUGSTRUKTUR 254
9.6 PARAMETERSTUDIE EINES OBERFLAECHENRISSES IN EINER
UMLAUFBIEGEBEANSPRUCHTEN WELLE 256
9.6.1 EINFLUSS DES KOLLEKTIVS 258
9.6.2 EINFLUSS DER PRESSSPANNUNG UND DER KERBWIRKUNG 259
9.6.3 EINFLUSS DER ANFANGSRISSTIEFE UND -GEOMETRIE AUF DIE
RESTLEBENSDAUERSIMULATION 260
9.7 SANIERUNGSMASSNAHME EINER PRESSE 261
9.7.1 MODELLIERUNG DER RISSGEOMETRIE IM VERSCHLUSSDECKEL 262
9.7.2 SPANNUNGSANALYSE FUER DEN DECKEL 263
9.7.3 ERGEBNISSE DER FE-ANALYSEN FUER DEN ANGERISSENEN VERSCHLUSSDECKEL
263 9.7.4 BRUCHMECHANISCHE AUSWERTUNG DER FE-ERGEBNISSE 263
9.7.5 FOLGERUNGEN FUER DEN WEITERBETRIEB DER MASCHINE 264
9.8 MASSNAHMEN ZUR VERLAENGERUNG DER LEBENSDAUER VON MASCHINEN UND ANLAGEN
265 9.8.1 WEITERBETRIEB EINER MASCHINE ODER ANLAGE NACH EINER
RISSDETEKTION 265 9.8.2 OPTIMIERUNGSMASSNAHMEN BEI EINER NEUKONSTRUKTION
267
LITERATUR ZU KAPITEL 9 268
10 WICHTIGE FORMELZEICHEN 270
SACHWORTVERZEICHNIS 276
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