Dauerschwingfestigkeit bei hohen Mittelspannungen

FKM 1999
Heft Nummer 246
Vorhaben Nr. 210

Kurzfassung:

Zahlreiche Bauteile sind einer hohen statischen Belastung ausgesetzt, wobei zusätzlich dynamische Belastungen kleinerer Amplitude zu ertragen sind. Das Technische Regelwerk, das nach dem Nennspannungskonzept vorgeht, begrenzt die Oberspannung durch die statische Berechnung gegen eine Formdehngrenze. Diese stellt, gleichgültig wie sie definiert ist, eine sehr konservative Bemessungsgrenze dar. Daher wird gegenwärtig der Festigkeitsnachweis von Komponenten im Maschinen- und Fahrzeugbau im Bereich hoher Mittelspannungen experimentell durchgeführt. Ein abgesichertes Berechnungsverfahren steht nicht zur Verfügung. In der neuen Fassung der FKM-Richtlinie wurde die Formdehngrenze, aufgrund einiger experimenteller Befunde, um den Faktor 10 heraufgesetzt. Basierend auf einem umfangreichen Versuchsprogramm an den Werkstoffen X 22 CrMoV 12 1 und GGG 40 wird der Einfluß von Zugmittelspannungen auf die Schwingfestigkeit und auf das zyklische Werkstoff verhalten untersucht. In insgesamt 16 Versuchsreihen wird im Treppenstufenverfahren die Dauerfestigkeit unterschiedlich gekerbter Proben bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen unter axialer Beanspruchung ermittelt. Ergebnis der Dauerfestigkeitsversuche sind Haigh-Diagramme für beide Werkstoffe, die für die unterschiedlichen Formzahlen über einen weiten Bereich abgedeckt sind. Die experimentellen Untersuchungen werden durch Versuche mit eingestreuten Grundlastspielen, die An- und Abfahrvorgänge von Maschinenanlagen simulieren, abgerundet. Neben den Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten wird das zyklische Kriechverhalten bestimmt. In den begleitenden theoretischen Untersuchungen wird ein Ansatz zur Beschreibung des zyklischen Kriechens in Abhängigkeit von der Schwingspielzahl und Beanspruchung entwickelt. Das Modell wird in das Finite-Elemente-Programm ABAQUS implementiert und erfolgreich an den untersuchten Probengeometrien getestet. Auf dieser Grundlage wird ein Bemessungsvorschlag, der die Schwingermüdungsschädigung und die Kriechschädigung überlagert, vorgestellt. Der Vergleich von Rechnung mit diesem Teilschädigungsmodell und Versuchen zeigt gute übereinstimmung. Mit den vorgelegten Ergebnissen kann die dauerfest ertragbare Spannungsamplitude bei hohen Mittelspannungen für metallische Werkstoffe abgeschätzt werden, so daß eine Auslegung in den vom Technischen Regelwerk nicht erfaßten Bereichen möglich ist. Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht. 148 Seiten inkl. Bilder und Tabellen 01.07.1996 30.06.1998 BMWi / AiF-Nr. 10682 Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit (IMAB) Technische Universität Clausthal (TUC) Leitung:
Prof. Dr.-Ing. H. Zenner Dipl.-Ing. S. Narberhaus (IMAB) Dr.-Ing. H. Kern, Siemens KWU, Mülheim Prof. Dr.-Ing. H. Kipphan, Heidelberger Druckmaschinen, Heidelberg