Fatigue strength of materials, components and structures

Abstract

Fatigue of materials is playing a key role in light weight structures. All applications are affected that are exposed to oscillating loads. The lecture will present the most important methods for analyzing the fatigue strength under service load conditions. This starts with the conventional assessment of a components endurance limit and ends with the application of the damage tolerance philosophy.

Objective

Ziele der Vorlesung Die wichtigsten Begriffe und Phänomene der Betriebsfestigkeit und der Materialermüdung sollen eingeführt und an Beispielen aus der Praxis veranschaulicht werden. Die Methoden zur Berechnung der Rissinitiation und des Risswachstums werden diskutiert. Die Vorlesung soll aufziegen wie die Probleme in der Praxis gelöst werden. Die Beispiele der ICE Katastrophe bei Eschede oder die Probleme des Combino Trams zeigen, dass das Thema hoch aktuell ist. Leichtbaustrukturen müssen im Flug- und Fahrzeugbereich auf Ermüdung dimensioniert werden. Die statische Auslegung genügt heute nicht mehr und führt sehr oft zu Überraschungen im Betrieb mit hohen Kostenfolgen. Primärbauteile moderner Flugzeuge wie der Airbus A380 oder A400M sind heute auf Risswachstum mittels Schadenstoleranz Philosophie ausgelegt. Die Betriebsfestigkeit und Materialermüdung erfordert ein breites Wissen über Werkstoffe, Betriebslasten, Fertigung sowie Analyse und Test Verfahren. Es ist ein hoch interdisziplinäres Arbeitsgebiet. Hierzu sollen die wichtigsten Werkzeuge und Verfahren vermittelt werden.

Content

1. EINFÜHRUNG, ÜBERSICHT, MOTIVATION 1.1 Einleitung (Allgemeines und Historisches) (Schijve; Chapter 1) 1.2 Normen und Richtlinien 1.3 Beispiele • Comet-Absturz (Druckzyklen, Spannungskonzentration) • Aloha-Vorfall auf Hawaii (Multiple site damage) • Riederalp-Unfall (Reibkorrosion an Antriebswelle) • ICE-Unfall (Radreifenbruch) 1.4 Vorführungen: • DVD "MTW Materialermüdung (1995, 21')", • DVD "F/A-18 Full Scale Fatigue Test (2004, 12')", • DVD "Sicherheit von Seilbahnen (1996, 7')" mit anschl. Diskussion 2. BEANSPRUCHUNG 2.1 Bedeutung von Betriebsbeanspruchungen 2.2 Zeitliche Verläufe (Schijve; Chapter 9) 2.3 Begriffsdefinitionen (Schijve; Chapter 9) 2.4 Erfassung von Betriebsbeanspruchungen (Schijve; Chapter 9) 2.5 Zählverfahren (Schijve; Chapter 9) 2.6 Häufigkeitsverteilungen oder Kollektive (Schijve; Chapter 9) 2.7 Einfluss der Kollektivform 2.8 Design Spektren (Schijve; Chapter 13) Übung 1: Analyse einer Flugsequenz am Hauptholm des A380 nach dem Rainflow- Verfahren (Ermittlung von Übergangsmatrix und Amplitudenkollektiv) 3. WERKSTOFF 3.1 Kennwertermittlung im Schwingversuch (Schijve; Chapter 13) 3.2 Schwingfestigkeitskennwerte (Schijve; Chapter 6) 3.3 Wöhler-Diagramm (Schijve; Chapter 6, 7) 3.4 Streuung von Schwingfestigkeitskennwerten (Schijve; Chapter 12) 3.5 Mittelspannungseinfluss (Schijve; Chapter 6) 3.6 Versagensmechanismen (Schijve; Chapter 2) 3.7 Umgebungsbedingungen (Schijve; Chapter 16, 17) 3.8 Schwingfestigkeitskennwerte (Schijve; Chapter 6) Übung 2: Diskussion zur Materialwahl für ein Bauteil. Datensatz mit Wöhlerversuchen auf 4 Niveaus bei einem Spannungsverhältnis R=-1, Bestimmung der Wöhlerlinie für Pü=10%, 50% und 90% sowie der Dauerfestigkeit. Konstruktion eines Smith- Diagrammes. 4. BAUTEIL 4.1 Kerben (Schijve; Chapter 3, 7) 4.2 Eigenspannungen (Schijve; Chapter 4) 4.3 Grösseneinfluss 4.4 Oberflächenbeschaffenheit und Randschichten (Schijve; Chapter 7, 14) 4.5 Reibkorrosion (Fretting) (Schijve; Chapter 15) 4.6 Verfahren zur Steigerung der Schwingfestigkeit (Schijve; Chapter 14) Übung 3: Ermittlung von Form- und Kerbwirkungszahl am Beispiel eines Flugzeugbauteils 5. SICHERHEITSBEIWERT (Schijve; Chapter 19) 6. BETRIEBSFESTIGKEITSNACHWEIS 6.1 Konzepte zur Lebensdauervorhersage 6.2 Dauerfestigkeitsnachweis Übung 4: Dauerfestigkeitsnachweis an einem einfachen Bauteil. 6.3 Nennspannungskonzept (Schijve; Chapter 10) Übung 5: Zeitfestigkeitsnachweis an einem einfachen Bauteil. 6.4 Örtliches Konzept (Schijve; Chapter 10) Übung 6: Zeitfestigkeitsnachweis an einem einfachen Flugzeugbauteil des F/A-18. 6.5 Bruchmechanikkonzept (Schijve; Chapter 5, 8, 11) 6.6 Treffsicherheit der Konzepte zur Abschätzung der Lebensdauer Übung 7: Rissfortschrittsnachweis an einem einfachen Flugzeugbauteil des F/A-18 ohne Berücksichtigung von Retardation. 7. KONZEPTE DER STRUKTURINTEGRITÄT 7.1 Safe Life Design (Mirage III, Pressure Vessel) 7.2 Fail Safe Design (moderner Flugzeugbau) 7.3 Damage Tolerance (Ansatz gemäss US Air Force Philosophie) 7.4 Design Philosophie beim F/A-18 7.5 Zusammenfassung Übung 8: Rissfortschrittsnachweis an einem einfachen Flugzeugbauteil des F/A-18 unter Berücksichtigung des Retardation-Modelles nach Wheeler 8. EXPERIMENTELLE BETRIEBSFESTIGKEIT 8.1. Laborbesichtigung (RUAG oder Empa) Übung 9: Planung (Probenauslegung, Versuchsstrategie) und anschliessende Durchführung eines Schwingfestigkeitsversuches an einer Werkstoffprobe

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