47
Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 6.1- Schadensakkumulation 1

6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

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Page 1: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

61-

Schadensakkumulation

1

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

2

Beanspruchungen

Nenn- Kerbspannung Kerbwirkung

Plastizitaumlt und Neuber Regel

Der Statische Nachweis Kapitel 1 (Schadensmechanismus Gewaltbruch)

Beanspruchbarkeit

plastische Stuumltzzahl npl

Sicherheitsfaktor

Beanspruchungen

Spannung Zeit und Temperatur

Thermomechanik Kapitel 2 (Schadensmechanismus Kriechen wenn T gt 035 Tm)

Beanspruchbarkeit

Zeitstandskurven

Larson Miller Parameter PLM

Sicherheit

Schadensakkumulation D

Beanspruchungen Kapitel 5

Rainflowzaumlhlung

Lastkollektive

Extrapolation von Lastkollektiven

Betriebsfestigkeit Kapitel 3-6 (Schadensmechanismus Schwingbruch)

Beanspruchbarkeit

Dauerfestigkeit Kapitel 4

Bauteilwoumlhlerlinie HCF Kapitel 3

Neigung k

Knickpunktzyklenzahl ND

Dauerfestigkeit sD

Dehnungswoumlhlerlinie LCF

Neuber-Regel

Schadensakkumulation

Kapitel 6

Miner-Regel

Schadenssumme D

Ausfallwahrscheinlichkeit PARegelwerke Kapitel 7

Beanspruchungen

Strukturspannungen R1 Spannungen

Dehnungen

Schweiszligverbindungen Kapitel 8 (Schadensmechanismus Schwingbruch)

Beanspruchbarkeit

FAT Klasse (Woumlhlerlinie)

Zulaumlssige Dehnungen Schadensakkumulation

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

3

Die Berechnung der Lebensdauer

Kap

itel

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Schadensakkumulation

Ihr auszulegendes Bauteil ist die Buumlroklammer Diese wird typischerweise durch

folgendes Lastkollektiv belastet

180deg 1 x

90deg 5 x

45deg 15 x

Fragen

bull Tragen Sie in das Woumlhlerdiagramm neben der Woumlhlerlinie die Belastung ein

bull Wie stark schaumldigt das Kollektiv Ihr Bauteil

bull Wie haumlufig waumlre das Kollektiv ertragbar

bull Validieren Sie Ihre Hypothese durch einen

Versuch Was tun Sie

a

10

100

1 10 100

Bie

gu

ng

Zyklenzahl

Woumlhlerline

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Kollektivtreppung

Lebensdauerabschaumltzung

Schadensakkumulation

- Palmgren Miner Miner original

- Cortan Dolan Miner elementar

- Haibach Miner modifiziert

- Serensen Koslov aumlhnl Cortan Dolan

- Beruumlcksichtigung Dauerfestigkeitsabfall Miner konsequent aumlhnl Zenner Liu

Vergleich Kollektiv ndash Woumlhlerlinie (Miner original)

Schadensakkumulation

- Miner elementar - Miner konsequent

- Miner original - Miner relativ

- Miner modifiziert

5

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation bei uumlberlagerten mechanischen und

thermischen Beanspruchungen

- Palmgren Miner und Robinson Taira

- Vergleich Rechnung Versuchsergebnisse

Lebensdauerabschaumltzung

Beruumlcksichtigung Statistik

- lebensdauerbezogene Sicherheit SL

- Aussagefaumlhigkeit der verwendeten Werkstoffdaten jCn

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treppung eines stetigen Beanspruchungskollektivs

7

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 2: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

2

Beanspruchungen

Nenn- Kerbspannung Kerbwirkung

Plastizitaumlt und Neuber Regel

Der Statische Nachweis Kapitel 1 (Schadensmechanismus Gewaltbruch)

Beanspruchbarkeit

plastische Stuumltzzahl npl

Sicherheitsfaktor

Beanspruchungen

Spannung Zeit und Temperatur

Thermomechanik Kapitel 2 (Schadensmechanismus Kriechen wenn T gt 035 Tm)

Beanspruchbarkeit

Zeitstandskurven

Larson Miller Parameter PLM

Sicherheit

Schadensakkumulation D

Beanspruchungen Kapitel 5

Rainflowzaumlhlung

Lastkollektive

Extrapolation von Lastkollektiven

Betriebsfestigkeit Kapitel 3-6 (Schadensmechanismus Schwingbruch)

Beanspruchbarkeit

Dauerfestigkeit Kapitel 4

Bauteilwoumlhlerlinie HCF Kapitel 3

Neigung k

Knickpunktzyklenzahl ND

Dauerfestigkeit sD

Dehnungswoumlhlerlinie LCF

Neuber-Regel

Schadensakkumulation

Kapitel 6

Miner-Regel

Schadenssumme D

Ausfallwahrscheinlichkeit PARegelwerke Kapitel 7

Beanspruchungen

Strukturspannungen R1 Spannungen

Dehnungen

Schweiszligverbindungen Kapitel 8 (Schadensmechanismus Schwingbruch)

Beanspruchbarkeit

FAT Klasse (Woumlhlerlinie)

Zulaumlssige Dehnungen Schadensakkumulation

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

3

Die Berechnung der Lebensdauer

Kap

itel

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Schadensakkumulation

Ihr auszulegendes Bauteil ist die Buumlroklammer Diese wird typischerweise durch

folgendes Lastkollektiv belastet

180deg 1 x

90deg 5 x

45deg 15 x

Fragen

bull Tragen Sie in das Woumlhlerdiagramm neben der Woumlhlerlinie die Belastung ein

bull Wie stark schaumldigt das Kollektiv Ihr Bauteil

bull Wie haumlufig waumlre das Kollektiv ertragbar

bull Validieren Sie Ihre Hypothese durch einen

Versuch Was tun Sie

a

10

100

1 10 100

Bie

gu

ng

Zyklenzahl

Woumlhlerline

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Kollektivtreppung

Lebensdauerabschaumltzung

Schadensakkumulation

- Palmgren Miner Miner original

- Cortan Dolan Miner elementar

- Haibach Miner modifiziert

- Serensen Koslov aumlhnl Cortan Dolan

- Beruumlcksichtigung Dauerfestigkeitsabfall Miner konsequent aumlhnl Zenner Liu

Vergleich Kollektiv ndash Woumlhlerlinie (Miner original)

Schadensakkumulation

- Miner elementar - Miner konsequent

- Miner original - Miner relativ

- Miner modifiziert

5

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation bei uumlberlagerten mechanischen und

thermischen Beanspruchungen

- Palmgren Miner und Robinson Taira

- Vergleich Rechnung Versuchsergebnisse

Lebensdauerabschaumltzung

Beruumlcksichtigung Statistik

- lebensdauerbezogene Sicherheit SL

- Aussagefaumlhigkeit der verwendeten Werkstoffdaten jCn

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treppung eines stetigen Beanspruchungskollektivs

7

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 3: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

3

Die Berechnung der Lebensdauer

Kap

itel

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Schadensakkumulation

Ihr auszulegendes Bauteil ist die Buumlroklammer Diese wird typischerweise durch

folgendes Lastkollektiv belastet

180deg 1 x

90deg 5 x

45deg 15 x

Fragen

bull Tragen Sie in das Woumlhlerdiagramm neben der Woumlhlerlinie die Belastung ein

bull Wie stark schaumldigt das Kollektiv Ihr Bauteil

bull Wie haumlufig waumlre das Kollektiv ertragbar

bull Validieren Sie Ihre Hypothese durch einen

Versuch Was tun Sie

a

10

100

1 10 100

Bie

gu

ng

Zyklenzahl

Woumlhlerline

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Kollektivtreppung

Lebensdauerabschaumltzung

Schadensakkumulation

- Palmgren Miner Miner original

- Cortan Dolan Miner elementar

- Haibach Miner modifiziert

- Serensen Koslov aumlhnl Cortan Dolan

- Beruumlcksichtigung Dauerfestigkeitsabfall Miner konsequent aumlhnl Zenner Liu

Vergleich Kollektiv ndash Woumlhlerlinie (Miner original)

Schadensakkumulation

- Miner elementar - Miner konsequent

- Miner original - Miner relativ

- Miner modifiziert

5

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation bei uumlberlagerten mechanischen und

thermischen Beanspruchungen

- Palmgren Miner und Robinson Taira

- Vergleich Rechnung Versuchsergebnisse

Lebensdauerabschaumltzung

Beruumlcksichtigung Statistik

- lebensdauerbezogene Sicherheit SL

- Aussagefaumlhigkeit der verwendeten Werkstoffdaten jCn

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treppung eines stetigen Beanspruchungskollektivs

7

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 4: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Schadensakkumulation

Ihr auszulegendes Bauteil ist die Buumlroklammer Diese wird typischerweise durch

folgendes Lastkollektiv belastet

180deg 1 x

90deg 5 x

45deg 15 x

Fragen

bull Tragen Sie in das Woumlhlerdiagramm neben der Woumlhlerlinie die Belastung ein

bull Wie stark schaumldigt das Kollektiv Ihr Bauteil

bull Wie haumlufig waumlre das Kollektiv ertragbar

bull Validieren Sie Ihre Hypothese durch einen

Versuch Was tun Sie

a

10

100

1 10 100

Bie

gu

ng

Zyklenzahl

Woumlhlerline

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Kollektivtreppung

Lebensdauerabschaumltzung

Schadensakkumulation

- Palmgren Miner Miner original

- Cortan Dolan Miner elementar

- Haibach Miner modifiziert

- Serensen Koslov aumlhnl Cortan Dolan

- Beruumlcksichtigung Dauerfestigkeitsabfall Miner konsequent aumlhnl Zenner Liu

Vergleich Kollektiv ndash Woumlhlerlinie (Miner original)

Schadensakkumulation

- Miner elementar - Miner konsequent

- Miner original - Miner relativ

- Miner modifiziert

5

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation bei uumlberlagerten mechanischen und

thermischen Beanspruchungen

- Palmgren Miner und Robinson Taira

- Vergleich Rechnung Versuchsergebnisse

Lebensdauerabschaumltzung

Beruumlcksichtigung Statistik

- lebensdauerbezogene Sicherheit SL

- Aussagefaumlhigkeit der verwendeten Werkstoffdaten jCn

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treppung eines stetigen Beanspruchungskollektivs

7

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 5: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Kollektivtreppung

Lebensdauerabschaumltzung

Schadensakkumulation

- Palmgren Miner Miner original

- Cortan Dolan Miner elementar

- Haibach Miner modifiziert

- Serensen Koslov aumlhnl Cortan Dolan

- Beruumlcksichtigung Dauerfestigkeitsabfall Miner konsequent aumlhnl Zenner Liu

Vergleich Kollektiv ndash Woumlhlerlinie (Miner original)

Schadensakkumulation

- Miner elementar - Miner konsequent

- Miner original - Miner relativ

- Miner modifiziert

5

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation bei uumlberlagerten mechanischen und

thermischen Beanspruchungen

- Palmgren Miner und Robinson Taira

- Vergleich Rechnung Versuchsergebnisse

Lebensdauerabschaumltzung

Beruumlcksichtigung Statistik

- lebensdauerbezogene Sicherheit SL

- Aussagefaumlhigkeit der verwendeten Werkstoffdaten jCn

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treppung eines stetigen Beanspruchungskollektivs

7

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 6: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation bei uumlberlagerten mechanischen und

thermischen Beanspruchungen

- Palmgren Miner und Robinson Taira

- Vergleich Rechnung Versuchsergebnisse

Lebensdauerabschaumltzung

Beruumlcksichtigung Statistik

- lebensdauerbezogene Sicherheit SL

- Aussagefaumlhigkeit der verwendeten Werkstoffdaten jCn

6

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treppung eines stetigen Beanspruchungskollektivs

7

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 7: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treppung eines stetigen Beanspruchungskollektivs

7

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 8: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mehrstufiges Beanspruchungskollektiv und ertragbare Beanspruchungen

8

Bauteilversagen

wenn

D ge Dgrenz = 1

D =diniNi

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 9: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Haumlufigkeitsverteilung von Schadenssummen nach Palmgren ndash Miner

nach W Schuumltz

9

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 10: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

ABER Woumlhlerlinie

- Bauteil nur auf einem Lastniveau bis

Bruch belastet

- Bauteil ist nicht vorgeschaumldigt

Betriebslast

- Bauteil auf mehreren Lastniveaus bis

Bruch belastet

- Das Bauteil ist nur auf der ersten

Laststufe nicht vorgeschaumldigt

Fazit

Vorschaumldigungen bei Betriebslasten

beruumlcksichtigen

Modifikation der Miner Regel

10

Zyklenzahl

Bela

stu

ng

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 11: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach der Hypothese von Cortan ndash Dolan

mk

kD i i

1D

1n

Ns s

sD Dauerfestigkeit

ND Grenzlastspielzahl

ni Lastspielzahl Kollektivstufe i

si Spannungsamplitude Kollektivstufe i

k Neigung Woumlhlerlinie

m Anzahl Kollektivstufen

nach Serensen Koslov

11

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 12: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation nach Haibach

12

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 13: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Modifikation der Palmgren ndash Miner ndash Regel

1 Miner original k = q =

2 Miner modifiziert nach Haibach k = 2k ndash 1aus SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 alle Kollektivanteile

unterhalb Dauerfestigkeit beruumlcksichtigt

3 Miner elementar k = k q = 0

4 Miner modifiziert nach Liu und Zenner k = (k+m)2 SD = frac12 SD Staumlhle m 36

5 Miner konsequent SD(D)SD = (1-D)(1q) mit q = k-1 nur Kollektivanteile oberhalb abgefallener

Dauerfestigkeit beruumlcksichtigtnach Zenner

5

13

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 14: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Erklaumlrung Lebensdauerlinie

14

Kollektiv 1

Kollektiv 2

Kollektiv 3

Lebensdauer Kollektiv 1

Lebensdauer Kollektiv 2

Lebensdauer Kollektiv 3Sp

an

nu

ng

s

NKollektiv

sK

ollekti

vs

D

Lebensdauer N

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 15: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lebensdauerlinie Berechnung nach bdquoMiner elementarldquo

Amplitudenkollektiv Woumlhler- und Lebensdauerlinie

nach Miner elementar

Lebensdauer N fuumlr Kollektivhoumlchstwert Sa

15

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 16: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach Haibach

a Miner elementar

b Miner modifiziert nach Haibach

c Miner konsequent

Vergleich der Lebensdauerlinien bei unterschiedlicher

linearer Schadensakkumulation

16

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 17: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Elementaren Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

k

A

aA

S

SNN

ki

z

1ii

z

1ii

aa

xh

h

SSNN

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

aiaikai

z

1ii

z

1ii

kAA SxSmit

Sh

h

SNN

nach Haibach

17

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 18: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

Da

k

A

aA

SSfuumlrN

SSfuumlrS

SNN

z

i

i 1k

D D z

i

i 1

kai

h

N N S

h S

z

i 1

z

i 1

i

ki i

h

h x

N=N S =Sa a

Sai SD fuumlr i = 1 j

Woumlhlerlinie

Kollektiv ndash Lebensdauer

Anwendung der Originalen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf

Kollektiv ndash Groumlszligtwert Sa

nach Haibach

18

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 19: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

19

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 20: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

)1k2(

D

aA

Da

k

D

aA

SSfuumlrS

SNN

SSfuumlrS

SNN

1

qD

D

S (D)(1 D)

S

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

Woumlhlerlinie

)1k2(DA

j

1i

)1k2(aij

2

kDA

j

1i

kaij

1

SN

Sh

D

SN

Sh

D

Schadensanteile

Dauerfestigkeitsabfall

20

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 21: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

j __ z z(1 k) (2k 1)k k

aA D i i ai D i ai Di 1 i 1 i j 1

N N S h h S S h S fuumlr S S

Da

_)1k2(

i

z

1jii

)k1(D

ki

j

1ii

z

1ii

kDa

_

a

_

SSfuumlrxhxxhhSSSNN

Kollektiv - Lebensdauer

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

xi = Sai Sa sowie xD = SD Sa

Anwendung der Modifizierten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Haibach

21

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 22: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

nach HaibachAnwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

22

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 23: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Da

k

D

aA SSfuumlr

S

SNN

Woumlhlerlinie

z

jd

kai

z

1ii

qD

q)1d(a

qad

z

1ii

kDA

_

ShSSShSNN

_ z z zq q q k

a a i d (d 1) D i ii 1 d j i 1

N S S h x x x h x

Kollektiv - Lebensdauer

nach Haibach

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

Kollektiv ndash Lebensdauer bezogen auf Kollektiv - Groumlszligtwert Sa

23

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 24: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

N in dieser Form guumlltig wenn Dauerfestigkeit mit Kollektivstufe zusammenfaumlllt

Allgemein wird wenn Dauerfestigkeit zwischen zwei Kollektivstufen liegt dh

Saj gt SD gt Sa(j+1) bzw xj gt xD gt x(j+1) unter dem zweiten Summenausdruck von

N fuumlr d = j

qD

q)jd(a

qad SSS

qD

q)jd(

qd xxx

durch SDq ersetzt bzw

durch xDq ersetzt

Anwendung der Konsequenten Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerlinien

24

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 25: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anwendung der Relativen Miner ndash Rechnung bei der

Berechnung von Lebensdauerliniennach Leitfaden

VBFEh im VDEh

25

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

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Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Allgemeine Treffsicherheit der Lebensdauerberechnungennach Eulitz Kotte Wang

_ gesamt

D TD

_ Stahl

D TD

_ Al ndash Legierungen

D TD

Nennspannungskonzept

Miner konsequent 029 127 024 103 034 152

Oumlrtliches Konzept

Seeger Beste pSWT107 239 141 111 074 389

_

D mittlere Schadenssumme TD = DPUuml=10 DPUuml=90 Streuspanne

D = NVersuch NRechnung tatsaumlchliche Schadenssumme

TD = DPUuml = 10 DPUuml = 90 Streuspanne

Nennspannungskonzept synthetische BWL aus Rm

Oumlrtliches Konzept ZSD DWL nach UML Neuber elementar Miner

BWL Bauteil-Woumlhlerlinie ZSD Zyklisches Spannungs-Dehnungs-Verhalten

DWL Dehnungs-Woumlhlerlinie UML Uniform Material Law

26

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 27: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Rechenverfahren und Klassiermethodennach Eulitz Kotte

_ gesamt n = 964

D TD

_ R = -1 n = 587

D TD

_ R ne -1 n = 377

D TD

Miner elementar

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

039 123

037 147

081 242

040 118

038 131

069 157

037 123

035 172

108 476

Miner modifiziert

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

028 126

026 151

061 260

030 106

028 112

053 164

026 148

023 216

077 415

Miner konsequent

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

029 127

027 153

063 259

030 106

029 113

055 163

027 153

024 222

080 417

Miner Liu Zenner

Transform Amplitude

Bereichspaarzaumlhlung

Uumlberschreitungszaumlhlung

075 92

070 118

156 180

079 86

075 109

135 111

068 98

064 128

200 320

27

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 28: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Werkstoffen und Belastungsarten

nach Eulitz Kotte

_ Stahl n = 525

D TD

_ Al-Leg n = 332

D TD

_Guszligeisen n = 88

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

024 103

064 87

034 152

079 82

038 138

125 102

_ ZugDruck n = 463

D TD

_ Flachbieg n = 422

D TD

_Torsion n = 21

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

025 111

065 84

036 135

090 98

013 36

048 72

28

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 29: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlichen Kollektivformen und Lebensdauerbereichennach Eulitz Kotte

Normalverteilung

n = 417

_

D TD

Geradlinienverteilung

n = 127

_

D TD

unsymmetr Verteilung

n = 79

_

D TD

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

038 108

103 75

017 134

036 95

053 294

099 179

Nvers lt 106

n = 127

_

D TD

Nvers = 106 bis 107

n = 542

_

D TD

Nver gt 107

n = 295

_

D TD

Miner elementar

Miner modifiziert

Miner konsequent

Miner Liu Zenner

028 61

026 66

026 65

056 63

034 96

025 109

026 110

067 76

058 182

034 195

034 203

105 119

29

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 30: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Mittelwerte und Streuspannen von Schadenssummen bei

unterschiedlich vollstaumlndigen Woumlhlerdaten

nach Eulitz Kotte

Miner konsequent

gesamt n = 612

_

D TD

Stahl n = 326

_

D TD

Al-Leg n = 198

_

D TD

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

027 135

028 125

024 130

026 120

029 128

032 97

Miner Liu Zenner

eine Woumlhlerlinie Mittelspannungs-

empfindlichkeit geschaumltzt

zwei Woumlhlerlinien

070 99

071 89

061 98

063 90

068 81

073 61

30

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 31: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Treffsicherheit des oumlrtlichen Konzepts

Vergleich von Experiment und Berechnungsergebnissen

des oumlrtlichen Konzepts

nach Kotte Eulitz

31

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 32: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Temperaturen und Dehnungen an der Oberflaumlche einer

Hochdruck ndash Turbinenwelle

32

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 33: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Lineare Schadensakkumulation von Zeitstand- und Schwingschaumldigung

33

119863119864119903119898uuml119889119906119899119892

119863119870119903119894119890119888ℎ119890119899

+ 119863119892119890119904119886119898119905=

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 34: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Experimentell ermittelte Schadenssummen bei uumlberlagerter Zeitstand-

und Schwingschaumldigung

34

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

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7

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6

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5

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4

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3

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25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 35: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Schadensakkumulation

bull Streuungen in Lebensdauerrichung ~ Faktor 10

bull Streuungen in Spannungsrichtung ~ Faktor 15

bull Schadenssumme Dgrenz = 03 fuumlr HCF Konzept

bull Schadenssumme Dgrenz = 1 fuumlr LCF Konzept

bull Bei Mehrachsigkeit Uumlberlagerung Temperatur und

Spannung Berechnung der Schadenssummen jeder Last und

Uumlberlagerung der Schadenssummen

DLast 1 + DLast 1 + hellip + DLast 1 = DErmuumldung

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

35

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 36: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Was tun wenn Nachweis nicht ausreicht

Beanspruchbarkeit

bull Designoptimierung so dass

Lebensdauermodell steigt (z B Geometrie

Werkstoff Oberflaumlchehellip)

Beanspruchung (Lastkollektiv)

bull Lastumlagerungen so dass Beanspruchungen

sinken (zB durch Steifkgeiten Hitzeblechehellip)

Schadensakkumulation

bull Schadenssumme bestimmen und ggfs

Hypothese anpassen

Zuverlaumlssigkeit (Sicherheit)

bull Verteilung und Streuung genau ermitteln

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 37: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Statistik in der Betriebsfestigkeit

37

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

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Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beanspruchungs- und Festigkeitsverteilung

B

F

X

XS

XF mittlere Festigkeit

XB Beanspruchung

38

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

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1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

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5

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00

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50

pp

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10

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01

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10

pp

m

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pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

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05

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00

05

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pp

m

0

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01

015

02

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03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

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hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 39: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheitenbull Der Sicherheit bezuumlglich der Ausfallwahrscheinlichkeit 119895119875119860bull Der Sicherheit bezuumlglich des Stichprobenrisikos 119895119899

39

119871119890119887119890119899119889119886119906119890119903119911119906119897auml119904119904119894119892 =119871119890119887119890119899119904119889119886119906119890119903 119890119903119905119903119886119892119887119886119903

119895119899 lowast 119895119875119860

Lebensdauer lg(N)

Sp

an

nu

ng

lg

(sa)

Woumlhlerline (ertragbar)

Woumlhlerline (zulaumlssig)

sDzulaumlssig= sDertragbar(jnsjPAs)

Nzulaumlssig= Nertragbar(jnNjPAN)

js Sicherheit in Spannungsrichtung

jN Sicherheit in Lebensdauerrichtung

ND50

sD50

sDx

D

jns jPAs = js

jnN jPAN = jN

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

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hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

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8

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6

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5

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005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

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50

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25

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15

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30

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10

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9

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6

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5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 40: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Anzunehmende Streuungen Werkstoff maszliggebende Bauteilgestalt und beruumlcksichtigte Streueinfluumlsse log Standardabweichung in

Lebensdauerr sN Spannungsr sσ

Kennwerte des HCF (Kerbspannungskonzept) (Haibach)

Spanabhebend bearbeitete Kerbstaumlbe aus Stahl unter uumlberwachten Bedingungen gefertigt (k = 50) 0155 00309

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Stahl mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung (k = 50) 0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile aus Al-Legierungen mit maumlszligiger bis mittlerer Kerbwirkung

(k = 50)0197 00392

Spanabhebend bearbeitete Bauteile Eisengusswerkstoffen gekerbt ohne Chargeneinfluumlsse

(k = 60) 0235 00392

Geschmiedete und verguumltete Stahl Bauteile belassene Schmiedeoberfl ohne Querschnittseinfluss

(k = 50)0255 00509

Geschmiedete und verguumltete Bauteile doch mit Querschnittsstreuung durch Gesenkabnutzung

(k = 60) 0289 00484

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter einheitlichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 35)0155 00445

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Baustahl unter betriebsuumlblichen Bedingungen ausgefuumlhrt

(k = 30)0186 0063

Fachgerechte Schweiszligverbindungen aus Al-Legierungen unter betriebsuumlblichen Bedingungen

ausgefuumlhrt (k = 43)0273 0063

Kennwerte des LCF (Kerbdehnungskonzept) (FKM)

Staumlhle 027 -

Aluminiumlegierungen 031 -

40

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

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σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

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01

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pp

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05

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05

Sta

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N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

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5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

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097 30000 30 3 1881

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099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

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0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

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09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

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099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

Page 41: 6.1- Schadensakkumulation - einbock-akademie.de · Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung 2 Beanspruchungen Nenn-, Kerbspannung, Kerbwirkung Plastizität und Neuber

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Streuungen

bull mit u (Schranke der Normalverteilung) aus nachfolgender Tabelle und s

(Standardabweichung aus voriger Tabelle)

bull Fuumlr Stahl (ss00392) ist fuumlr eine Ausfallwahrscheinlichkeit von PA=1ppm eine Sicherheit von

j~155 erforderlich

bull Eine Reduzierung der Sicherheit auf j=13 fuumlhrt zu einer Ausfallwahrscheinlichkeit von

PA=01 also einer Erhoumlhung um 3 Zehnerpotenzen

41

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

ndard

abw

eic

hung s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jPAσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

01

PA=

00

1

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 18 20 22 24 26 3028

PA=

05

PA=

00

5

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

PA=

10

PA=

1

PA=

01

PA=

10

pp

m

PA=

1p

pm

1210 14 16 18 22 24 26 3028

PA=

5

PA=

05

PA=

00

05

PA=

50

pp

m

0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sta

ndard

abw

eic

hung s

N

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jPAN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Ausfallwahrscheinlichkeit PA

PA=

10

PA=

1

2010 40 60 80 10 15 25 5030

PA=

5

PA=

05

PA=

00

5

PA=1ppm

PA=10ppmPA=0005PA=001

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

7

n=

6

n=

5

n=

4

n=

3

n=

25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

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Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schranke der Normalverteilung

42

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

05 500000 500 50 0000

06 400000 400 40 0253

07 300000 300 30 0524

08 200000 200 20 0842

09 100000 100 10 1282

095 50000 50 5 1645

096 40000 40 4 1751

097 30000 30 3 1881

098 20000 20 2 2054

099 10000 10 1 2326

0991 9000 9 09 2366

0992 8000 8 08 2409

0993 7000 7 07 2457

0994 6000 6 06 2512

0995 5000 5 05 2576

0996 4000 4 04 2652

0997 3000 3 03 2748

0998 2000 2 02 2878

0999 1000 1 01 3090

09991 900 09 009 3121

09992 800 08 008 3156

09993 700 07 007 3195

09994 600 06 006 3239

09995 500 05 005 3291

09996 400 04 004 3353

09997 300 03 003 3432

09998 200 02 002 3540

09999 100 01 001 3719

Ausfallwahrscheinlichkeit in Schranke

absolut ppm Promille permil Prozent u

099991 90 009 0009 3746

099992 80 008 0008 3775

099993 70 007 0007 3808

099994 60 006 0006 3846

099995 50 005 0005 3891

099996 40 004 0004 3944

099997 30 003 0003 4013

099998 20 002 0002 4107

099999 10 001 0001 4265

0999991 9 0009 00009 4288

0999992 8 0008 00008 4314

0999993 7 0007 00007 4344

0999994 6 0006 00006 4378

0999995 5 0005 00005 4417

0999996 4 0004 00004 4465

0999997 3 0003 00003 4526

0999998 2 0002 00002 4611

0999999 1 0001 00001 4753

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

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7

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6

n=

5

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4

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3

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25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

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Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Sicherheiten wegen Stichprobengroumlszlige

43

0

001

002

003

004

005

006

007

008

009

01

Sta

nd

ard

ab

weic

hu

ng s

σ

Sicherheitszahl in Lastrichtung jnσ

Sicherheitszahl in Lastrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

104 106 108 11 112 114 116 118

n=2

n=

20

n=

50

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

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7

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6

n=

5

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4

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3

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25

10 0

005

01

015

02

025

03

035

04

045

05

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung jnN

Sicherheitszahl in Lebensdauerrichtung bezuumlglich Stichprobenanzahl n

1211 13 14 15 17 18 19 20

n=2

n=3

n=4

n=

50

n=

25

n=

15

n=

30

n=

10

n=

8

n=

9

n=

6

n=

5

10

jn = 101282∙

sn mit s (Standardabweichung) und n (Stichprobenumfang)

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

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Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Beispiel Bestimmung einer Auslegungs-Woumlhlerkurve

fuumlr eine gewaumlhlte Uumlberlebens-Wahrscheinlichkeit

gegeben Woumlhlerkurve (normierte Woumlhlerkurve nach Haibach) mit PUuml = 50

gesucht Auslegungs-Woumlhlerkurve fuumlr PUuml = 999

Loumlsung Bestimmung Sicherheit S aus lebensdauerbezogener Sicherheit SL

und zusaumltzlichem Risikofaktor jCn fuumlr PUuml = 90

Annahmen Streuspanne 1T = 5

zusaumltzlicher Risikofaktor jCn = 15

(pauschale Empfehlung in [ LeitfRiLi 1])

Aus Diagramm ergibt sich eine lebensdauerbezogene

Sicherheit von SL = 7 fuumlr PUuml = 999 bei 1T = 5

Damit wird S = SL bull jCn bull

Aus Referenzlastspielzahl NGPUuml50 = 1E+6 fuumlr PUuml = 50

wird NPUuml999 = NGPUuml50 S = 1E+6 105 = 95239

44

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

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Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Auf den Punkt Statistik

bull Sicherheit in Lebensdauerrichtung

1 ppm -gt S = 610

bull Sicherheit in Spannungsrichtung

1 ppm -gt S = 152

bull Ab Stuumlckzahl ~ 20 gute Sicherheit erreicht

45

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

47

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Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

FormelzeichenSchadensakkumulation

D Schadenssumme

di Schaumldigung der i-ten Laststufe

Ni ertragbare Zyklenzahl der i-ten Laststufe

ni wirkende Zyklenzahl der i-ten Laststufe

Sicherheit

jn Sicherheit auf Grund der Stichprobengroumlszlige

jPA Sicherheit der Ausfallwahrscheinlichkeit

PA Ausfallwahrscheinlichkeit

s Standardabweichung

u Schranke der Normalverteilung

n Stichprobenumfang

TD Streuspanne

46

FormelnSchadensakkumulation

Uumlberlagerung Ermuumldung und Kriechen

DErmuumldung + DKriechen = DGesamt

DGesamt le Dgrenz

Sicherheit

D = diniNi

Lebendauerzulaumlssig =Lebensdauer ertragbar

jn lowast jPA

jn = 101282∙

s

n

jPA = 10u∙s

Kapitel 6_1 Schadensakkumulation und Lebensdauerberechnung

Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

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Schadensakkumulation

Beanspruchung vs Beanspruchbarkeit

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