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2022 | Buch

Einleitung Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Betriebsfestigkeit

Bauteile sicher auslegen!

verfasst von: Prof. Dr. Sebastian Götz, Prof. Dr. Klaus-Georg Eulitz

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses verständlich geschriebene Lehrbuch in praxisorientierter Darstellung schließt die Lücke zwischen Lehrbüchern zur Technischen Mechanik und Fachbüchern zur Betriebsfestigkeit. Zusätzlich werden die theoretischen Hintergründe zur aktuellen FKM-Richtlinie erläutert. Daher ist es auch für den praktisch tätigen Ingenieur in der Festigkeitsberechnung sehr nützlich. Zahlreiche durchgerechnete Beispiele sowie Verständnisfragen und Aufgaben in jedem Kapitel ermöglichen ein erfolgreiches Selbststudium. Es kann neben der Ausbildung im Fach Betriebsfestigkeit auch in den Fächern Maschinenelemente, Konstruktion, Werkstofftechnik, Stahlbau, experimentelle Mechanik und Leichtbau sehr gut eingesetzt werden. Die vorliegende Auflage wurde aktualisiert und korrigiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Der Festigkeitsnachweis von Konstruktionen und Bauteilen gehört zu den Grundaufgaben des Ingenieurs. Er muss nachweisen, ob ein Bauteil allen im Lebenszyklus auftretenden Belastungen mit ausreichender Sicherheit versagensfrei standhält. Dem gegenüber steht die ökonomische Forderung nach geringen Kosten bei der Herstellung und insbesondere im Automobilbau nach leichten Konstruktionen.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

Grundlagen

Frontmatter
Kapitel 2. Schwingfestigkeit
Zusammenfassung
Das Gebiet der Schwingfestigkeit beschäftigt sich mit der Festigkeit von Bauteilen unter zyklischer Beanspruchung mit konstanten Amplituden. Es bildet damit die Grundlage für die weiteren Themen der Betriebsfestigkeit. Dieses Kapitel stellt die wichtigsten Begriffe und Zusammenhänge dar, die im weiteren Verlauf des Buches benötigt werden.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 3. Einflüsse auf die Schwingfestigkeit und deren Abschätzung
Zusammenfassung
Der Betriebsfestigkeitsnachweis für Bauteile kann unter Verwendung einer experimentell ermittelten Bauteilwöhlerlinie oder einer abgeschätzten synthetischen Wöhlerlinie erfolgen. Im ersten Fall werden Bauteile möglichst im Einbauzustand und unter Einsatzbedingungen geprüft, so dass alle relevanten Einflüsse auf die Schwingfestigkeit enthalten sind. Bei der Abschätzung von Bauteilwöhlerlinien wird meist die statische Festigkeit des Werkstoffs, beispielsweise die Zugfestigkeit, als Ausgangspunkt verwendet.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 4. Statistische Grundlagen
Zusammenfassung
Aufgrund der Streuung der Schwingfestigkeit basieren die Methoden der Betriebsfestigkeit auf statistischen Verfahren. Die dafür erforderlichen Grundlagen werden im Folgenden erklärt, wobei diese Einführung auf das Notwendige beschränkt bleibt und auf Herleitungen sowie die Beschreibung der theoretischen Hintergründe weitgehend verzichtet wird. Für tiefer gehende Betrachtungen werden z. B. folgende Bücher empfohlen: [5, 11, 13, 39, 60, 61, 62].
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 5. Lastannahme
Zusammenfassung
Die Schwingfestigkeit in Kapitel 2 beinhaltet die Beanspruchbarkeit eines Werkstoffs oder Bauteils unter schwingender Beanspruchung, d. h. unter konstanter Amplitude. Allerdings ist eine rein schwingende Beanspruchung von Bauteilen eher die Ausnahme. Häufig treten, z. B. aufgrund verschiedener Betriebszustände einer Maschine, Beanspruchungen mit unterschiedlichen Amplituden auf.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 6. Bauteilbeanspruchung
Zusammenfassung
Die in diesem Buch vorgestellten spannungsbasierten Konzepte der Betriebsfestigkeit sind eng miteinander verwandt. Sie unterscheiden sich zum einen in der Ermittlung der Bauteilwöhlerlinie und zum anderen in der verwendeten Beanspruchungsgröße. Letzteres ist eher eine formale Unterscheidung, da sämtliche Spannungen elastisch berechnet werden und daher über einen Faktor ineinander umrechenbar sind.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

Festigkeitsnachweise

Frontmatter
Kapitel 7. Rechnerischer Statischer Festigkeitsnachweis
Zusammenfassung
Mit dem statischen Festigkeitsnachweis wird die Sicherheit statisch beanspruchter Bauteile gegen Gewaltbruch oder unzulässig große plastische Verformungen nachgewiesen. Er ist auch stets in Verbindung mit dem Betriebsfestigkeitsnachweis und beim Dauerfestigkeitsnachweis mit σm ≠ 0 zu führen. In diesem Fall dient er zur Absicherung gegen die Maximalspannung der Last-Zeit-Folge und wenn notwendig gegen Sonderlasten, Überlastfälle oder ungünstige Betriebszustände . Wird der statische Nachweis zusammen mit dem Betriebsfestigkeitsnachweis geführt, ist der Nachweis mit der höchsten Auslastung bzw. der geringsten Sicherheit entscheidend.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 8. Rechnerischer Dauerfestigkeitsnachweis
Zusammenfassung
Mit dem Dauerfestigkeitsnachweis wird ein variabel belastetes Bauteil für eine sehr große Lebensdauer ausgelegt. Dies unterscheidet ihn vom Zeit- und Betriebsfestigkeitsnachweis, denn dort erfolgt die Auslegung für eine bestimmte zu erreichende Lebensdauer. Der Dauerfestigkeitsnachweis ist damit im Bezug auf das Ergebnis dem statischen Festigkeitsnachweis ähnlich, da mit beiden die Festigkeit eines Bauteils formal ohne Lebensdauerbegrenzung nachgewiesen wird.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 9. Rechnerischer Betriebsfestigkeitsnachweis
Zusammenfassung
Das eigentliche Ziel der Betriebsfestigkeit ist die Lebensdauerabschätzung, also die Ermittlung der Lebensdauer eines Bauteils unter der Beanspruchung mit veränderlichen Amplituden. Als Grundlage dafür wird die Bauteilwöhlerlinie benötigt, welche die Lebensdauer eines Bauteils unter zyklischer Beanspruchung mit konstanten Amplituden abhängig von der Beanspruchungsamplitude angibt. Zur Bewertung von veränderlichen Amplituden bedarf es zusätzlich noch einer Hypothese zur Schadensakkumulation.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 10. Experimenteller Festigkeitsnachweis
Zusammenfassung
Die experimentelle Ermittlung von Bauteilwöhlerlinien oder auch der rein experimentelle Betriebsfestigkeitsnachweis ist nach wie vor von großer Bedeutung. Nur damit ist im Unterschied zu den bisher vorgestellten rechnerischen Verfahren eine abgesicherte Aussage über Mittelwert und Streuung der Festigkeit möglich. Dies ist insbesondere bei Großserien notwendig. Auch wenn im Entwicklungsprozess häufig nur der rechnerische Festigkeitsnachweis (z. B. beim Vergleich von Konstruktionsvarianten) zum Einsatz kommt, erfolgen am fertigen Produkt zumindest experimentelle Freigabeprüfungen.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz

Anhang

Frontmatter
Kapitel 11. Bruchmechanische Grundlagen
Zusammenfassung
Die nachfolgend dargestellten Zusammenhänge liefern nur einen groben Einblick in die Bruchmechanik, insoweit sie für das Verständnis der vorangegangenen Kapitel von Belang sind oder direkt daran anknüpfen. Von der zahlreichen Fachliteratur, die einen tiefergehenden Einblick in das Thema bieten, können z. B. die Bücher von Gross/Seeling [18] und Anderson [1] empfohlen werden. Einen besonderen Fokus auf Ermüdungsrisse haben die Bücher von Radaj/Vormwald [54] und Richard/Sander [56]. Außerdem wird bei Kuna [35] speziell auf die Anwendung der FEM für bruchmechanische Berechnungen eingegangen.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 12. Grundzüge des elastisch-plastischen Kerbgrundkonzepts
Zusammenfassung
Das Kerbgrundkonzept basiert auf dem Ermüdungsverhalten des Werkstoffs und verwendet nur Kennwerte aus einachsig beanspruchten Werkstoffproben, ohne dass Bauteilversuche notwendig sind. Für den Nachweis wird der elastisch-plastische Verlauf der Spannungen und Dehnungen am Nachweispunkt des nachzuweisenden Bauteils ermittelt und den ertragbaren Spannungen und Dehnungen des Werkstoffs gegenübergestellt. Dieser Beanspruchungsverlauf wird anhand einer konkreten Last-Zeit-Folge und des zyklischen Materialverformungsverhaltens berechnet.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 13. Erfahrungswerte zur Streuung der Schwingfestigkeit
Zusammenfassung
Erfahrungswerte zur Streuung der Schwingfestigkeit, Streuung der Zeitfestigkeit nach Haibach und Adenstedt.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Kapitel 14. Ergebnisse der Aufgaben
Zusammenfassung
Ergebnisse der Aufgaben.
Sebastian Götz, Klaus-Georg Eulitz
Backmatter
Metadaten
Titel
Betriebsfestigkeit
verfasst von
Prof. Dr. Sebastian Götz
Prof. Dr. Klaus-Georg Eulitz
Copyright-Jahr
2022
Electronic ISBN
978-3-658-38511-8
Print ISBN
978-3-658-38510-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-38511-8

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