Einführung in die bruchmechanische Schadensbeurteilung

491 Pages·2015·21.187 MB·German

by  Karl-Otto Edel (auth.)

Einführung in die bruchmechanische
Schadensbeurteilung
Karl-Otto Edel
Einführung in die
bruchmechanische
Schadensbeurteilung
Prof.Dr.-Ing.habil.Karl-OttoEdel
BrandenburganderHavel
Deutschland
ISBN978-3-662-44263-0 ISBN978-3-662-44264-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-44264-7
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fürMarianne
Vorwort
Bei der Dimensionierung von Bauteilen bzw. beim Nachweis ihrer Haltbarkeit auf der
GrundlagederGesetzmäßigkeitenderFestigkeitslehrewirddasVorhandenseinrißartiger
Schädigungendirektnichtberücksichtigt.DiePraxiszeigtjedoch,daßinfolgederEntste-
hung,desVorhandenseinsundderAusbreitungvonRissenoftmalsdieNutzungs-unddie
LebensdauervonBauteilenbegrenztist.
WährenddieerstenwissenschaftlichenUntersuchungenzudenAuswirkungenrißartiger
DefekteinelastischemMaterialindenerstenbeidenJahrzehntendes20.Jahrhundertser-
folgten,hatsichdieBruchmechanikalseigenständigerZweigderIngenieurwissenschaften
–angesiedeltimBereichzwischenderWerkstoffphysik,derWerkstoffwissenschaftundder
technischenMechanik–erstzuBeginnbisMittederzweitenHälftedes20.Jahrhunderts
etabliert.SeitdemisteineVielzahlbruchmechanischerWerkstoff-Prüfstandardsentstanden.
EinegroßeZahlidealisierterRißkonfigurationenwurdehinsichtlichihrerBeanspruchung
analysiert. In die Vorschriften und Empfehlungen zum Haltbarkeitsnachweis von Kon-
struktionenderunterschiedlichstenAnwendungsbereichehatdieBruchmechanikebenfalls
Einganggefunden.WährenddieWerkstoffkundeunddietechnischeMechanik,insbeson-
deredieWerkstoffprüfungunddieFestigkeitslehreseitlangerZeitzumStandardrepertoire
der Ingenieurausbildung gehören, trifft dieses für die Bruchmechanik gegenwärtig noch
nichtgenerellzu.
Angesichts der praktischen Bedeutung der Bruchmechanik erscheint es dem Autor
jedochnichtüberflüssig,aufderGrundlagederinmehrerenJahrzehntengesammeltenei-
genenErfahrungen,dievorwiegendausdemBereichdesEisenbahnwesensstammen,der
existierendenBruchmechanik-LiteratureinweiteresWerkhinzuzufügen.DieBegrenzung
aufdielinear-elastischeBruchmechanikeinerseitsunddieWiedergabegleicherErfahrun-
genanmehrerenpassendenStellenandererseitsistgewollt.DiesesBuchistgedachtsowohl
alseinepraxisorientierteEinführungfürStudentenoderinihremBeruftätigeIngenieure,
alsauchalsNachschlagewerkinkompakterForm.
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .......................................................... 1
1.1 DieProblematikderSchädigungundihrerBeherrschung .............. 1
1.2 VersagenszuständerißgeschädigterKonstruktionen ................... 5
1.3 GrundbegriffederBruchmechanik ................................. 7
1.4 VoraussetzungenfürdieAnwendungderBruchmechanik .............. 12
Literatur ............................................................ 13
2 RißartigeSchädeninderingenieurtechnischenPraxis................... 15
2.1 TypischeBeispielefürrißartigeSchäden ............................ 15
2.1.1 SchädenanStahlbrücken.................................. 15
2.1.2 RisseundBrücheanSchiffen .............................. 21
2.1.3 SchädenanOffshore-Konstruktionen........................ 24
2.1.4 SchädenanRädernvonSchienenfahrzeugen ................. 28
2.1.5 SchädenanEisenbahnachsen .............................. 32
2.1.6 SchädenanEisenbahnschienen............................. 34
2.1.7 SchädenanFlugzeugen ................................... 36
2.1.8 SchädenanRohrleitungen................................. 38
2.1.9 SchädenanAnlagenderFördertechnik ...................... 40
2.1.10 Rißartige„Bagatellschäden“ ............................... 44
2.2 IngenieurtechnischeSchlußfolgerungenausSchadensfällen ............ 46
2.2.1 SystematisierungundstatistischeAnalysederSchäden......... 47
2.2.2 AnalysederBeanspruchung ............................... 55
2.2.3 KonventionelleAnalysenderBeanspruchbarkeit .............. 61
2.2.4 KonstruktiveVerbesserungen .............................. 73
2.2.5 FestlegungenzumWerkstoffeinsatz ......................... 75
2.2.6 VerbesserungderHerstellungs-undderSchweißtechnologie .... 77
2.2.7 VerbesserteInstandhaltung ................................ 80
2.2.8 DurchführungzerstörungsfreierPrüfungen ................... 81
2.2.9 FestlegungzulässigerLasten,RißgrößenundPrüfzyklen ....... 85
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.2.10 Festlegung von Kriterien für Reparatur, Ausmusterung
undErsatz............................................... 88
2.2.11 ErarbeitungverbindlicherMaßnahmenkataloge ............... 89
Literatur ............................................................ 96
3 DieBeanspruchungdesWerkstoffsrißgeschädigterBauteile ............. 101
3.1 AnalyseundIdealisierungdesnominellenSpannungszustandes ......... 101
3.2 SpannungenanKerben........................................... 103
3.3 Die Beanspruchung desWerkstoffs in der Umgebung ideal scharfer
Rißspitzen ..................................................... 107
3.3.1 DieSpannungeninderUmgebungderRißspitze .............. 109
3.3.2 DieVerschiebungdesWerkstoffsimRißspitzenbereich......... 114
3.3.3 DieDeformationsenergieimMaterialdesRißspitzenbereiches .. 116
3.3.4 DieGrenzendeslinear-elastischenWerkstoffverhaltens ........ 118
3.3.5 DieplastischeZoneanderRißspitzeundihreAuswirkungen.... 123
3.4 AnalyseundIdealisierungderBauteildefekte ........................ 130
3.5 (Normierte)DarstellungderSpannungsintensitätsfaktoren ............. 133
3.6 MethodenzurErmittlungvonSpannungsintensitätsfaktoren ............ 134
3.6.1 DieSuperpositionsmethodezurSIF-Bestimmung ............. 136
3.6.2 SIF-ErmittlungausKerbspannungen ........................ 139
3.6.3 SIF-ErmittlungausderNachgiebigkeit ...................... 147
3.6.4 FEM-BerechnungvonSpannungsintensitätsfaktoren........... 151
3.6.5 SIF-BerechnungmitGewichtsfunktionen .................... 157
3.6.6 SIF-ErmittlungausRißwachstumsmessungen ................ 159
3.6.7 SIF-ErmittlungmitHilfespannungsoptischerVersuche......... 162
Literatur ............................................................ 164
4 SpannungsintensitätsfaktorenfüridealisierteRisse ..................... 167
4.1 DieNormierungsfällefürdieSpannungsintensitätsfaktoren ............ 167
4.2 EbeneRißprobleme.............................................. 168
4.2.1 GeradeundgekrümmteRisseinderunendlichgroßenScheibe .. 168
4.2.2 KantenrisseamRandederhalb-unendlichenScheibe .......... 172
4.2.3 RisseanBohrungeninderunendlichgroßenScheibe .......... 174
4.2.4 RisseimScheibenstreifen ................................. 180
4.2.5 BohrungsrisseimAugenstab............................... 183
4.3 RäumlicheRißprobleme.......................................... 187
4.3.1 Kreis-undEllipsenrisseimInnerenunendlichgroßerKörper.... 187
4.3.2 Halb-elliptischeOberflächenrisse........................... 189
4.3.3 Viertel-kreisförmigeEckrisse .............................. 194
4.3.4 Viertel-elliptischeEckrisse ................................ 198
Inhaltsverzeichnis XI
4.4 RisseinBolzen,AchsenundWellen................................ 200
4.4.1 QuerrisseinKreiszylinderstäbenbeiZug,BiegungundTorsion.. 200
4.4.2 QuerrisseinbiegebeanspruchtenAchsen..................... 203
4.5 RisseinProfilstäben ............................................. 204
4.5.1 Stegquerrisseinzug-bzw.biegebeanspruchtenI-Profilen....... 204
4.5.2 QuerrisseimKopfvonEisenbahnschienen ................... 211
4.6 Kerb-undWurzelrisseanSchweißverbindungen...................... 220
4.6.1 WurzelrisseanSchweißnähten ............................. 220
4.6.2 KerbrisseanSchweißnähten ............................... 222
4.6.3 DurchrißineinerkreuzförmigenSchweißverbindung .......... 225
4.7 WIEGHARDTsRißproblemlösungvon1907 ........................ 226
Literatur ............................................................ 230
5 RißausbreitungsphänomeneundihreexperimentelleUntersuchung....... 233
5.1 BeschreibungderRißausbreitungbeizyklischerBeanspruchung ........ 233
5.1.1 Rißausbreitung bei Einstufenbeanspruchung der
RißöffnungsartI.......................................... 233
5.1.2 RißausbreitungbeiüberlagertenRißöffnungsarten............. 236
5.2 Prüfstandards,ProbenundPrüfeinrichtungen ........................ 239
5.2.1 BruchmechanischeWerkstoff-Prüfstandards.................. 239
5.2.2 K -Bruchmechanik-Proben ................................ 240
I
5.2.3 K -,Mixed-Mode-undBiaxial-Proben...................... 244
II
5.2.4 Probennahmeund-bearbeitung............................. 248
5.2.5 Prüfmaschinenund-einrichtungen.......................... 253
5.2.6 Prüfmittelund-geräte .................................... 258
5.2.7 VersuchsführungbeiderSchwingbeanspruchung.............. 261
5.2.8 ErmittlungderRißtiefeimBruchquerschnitt.................. 262
5.3 DerSchwellenwertderRißausbreitung.............................. 263
5.3.1 DurchführungundAuswertungderSchwellenwertermittlung.... 263
5.3.2 DierelevantenEinflüsseaufdenSchwellenwert............... 265
5.4 DieRißwachstumsratebeizyklischerBeanspruchung ................. 266
5.4.1 DurchführungundAuswertungderRißwachstumsversuche ..... 266
5.4.2 EmpirischeRißwachstumsgesetze .......................... 269
5.4.3 DieKorrelationderParis-KoeffizientenCundn .............. 271
5.4.4 DierelevantenEinflüsseaufdieRißwachstumsrate ............ 273
5.4.5 NäherungsbeziehungenfürdieGrenzkurvederRißwachstumsrate 296
5.4.6 DieStreuungderRißwachstumsrate......................... 297
5.4.7 Untersuchungen zum Rißwachstum bei Schub- und
Mixed-Mode-Beanspruchung............................... 300
5.5 DieBruchzähigkeitseigenschaften.................................. 303
5.5.1 DierelevantenEinflüsseaufdieGrößederBruchzähigkeit...... 303
5.5.2 DurchführungundAuswertungstatischerBruchversuche ....... 304
XII Inhaltsverzeichnis
5.5.3 DurchführungundAuswertungdynamischerBruchversuche .... 308
5.5.4 DienäherungsweiseErmittlungderdynamischenStreckgrenze.. 311
5.6 DiedynamischeRißausbreitungszähigkeit........................... 314
5.7 DieRißarrestzähigkeit ........................................... 317
5.7.1 DurchführungundAuswertungderRißarrestversuche.......... 317
5.7.2 DierelevantenEinflüsseaufdieRißarrestzähigkeit ............ 320
5.8 DerAufwandfürbruchmechanischeUntersuchungen ................. 321
5.8.1 EmpfehlenswerterStichprobenumfang ...................... 321
5.8.2 DerMaterialaufwandfürBruchmechanikproben .............. 323
5.8.3 DerZeitaufwandfürbruchmechanischeVersuche ............. 324
5.8.4 KostenvergleichebeiWerkstoffprüfungen .................... 326
5.9 UmrechnungsbeziehungenfürbruchmechanischeKennwerte ........... 328
Literatur ............................................................ 330
6 AnalysederGrenzenderBauteilbeanspruchung........................ 335
6.1 PraktischeErfahrungenzumAuftretenundzurEntwicklungvonRissen.. 335
6.1.1 RißgefährdeteBereichevonBauteilen....................... 335
6.1.2 GrößederAusgangsdefektesowiederwachsendenundkritischen
Risse ................................................... 336
6.1.3 EntwicklungderGeometriederErmüdungsrisse .............. 344
6.1.4 Bauteil-undproblemspezifischeBeanspruchungsbedingungen .. 349
6.2 AnalysederDauerfestigkeit ....................................... 361
6.2.1 ZielstellungenbruchmechanischerDauerfestigkeitsanalysen .... 361
6.2.2 DasKriteriumderDauerfestigkeit .......................... 361
6.2.3 AnmerkungzurÜbertragungdesSchwellenwertesaufBauteile.. 362
6.3 AnalysederstabilenRißausbreitungbeizyklischerBeanspruchung...... 362
6.3.1 ZielstellungenvonRißwachstumsanalysen ................... 362
6.3.2 DieBerechnungdesRißwachstums ......................... 362
6.3.3 Der Effektivwert Δσ stochastischer Schwingweiten der
eff.
Spannung ............................................... 363
6.3.4 DerEffektivwertf stochastischerBeanspruchungsfrequenzen . 364
eff.
6.4 AnalysederInitiierungderinstabilenRißausbreitung.................. 366
6.4.1 ZielstellungenderBruchanalysen........................... 366
6.4.2 BerechnungdeskritischenZustandes–dasBruchkriterium ..... 366
6.4.3 DieDarstellungderErgebnissederBruchversuche ............ 367
6.4.4 DieÜbertragungderBruchzähigkeitseigenschaftenaufBauteile. 368
6.5 AnalysederPhasederdynamischenRißausbreitung................... 373
6.6 AnalysederRißarretierung........................................ 373
6.6.1 ZielstellungenderRißarrestanalysen ........................ 373
6.6.2 BerechnungdesarretierenZustandes–dasRißarrestkriterium... 374
6.7 HypothesenzurBeschreibungdesMixed-Mode-Rißverhaltens.......... 374