Stoßartige Belastung. Vorhaben Nr. 289: Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile unter stoßartigen Belastungen

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine abgesicherte Vergehensweise zur bruchmechanischen Bewertung von Maschinenbauteilen unter dynamischer Beanspruchung abgeleitet. Für typische Werkstoffe und bauteilrelevante Beanspruchungsszenarien wurde der Einfluss der Belastungsgeschwindigkeit auf die Beanspruchung und die Werkstoffzähigkeit quantifiziert und für eine einfache Berechnung aufbereitet. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag bei Wellen bzw. Achsen mit Oberflächenfehlern unter mode I - Belastung. An Bauteilversuchen mit gemischter Beanspruchung wurde die Übertragbarkeit der aus der mode I - Belastung abgeleiteten Ergebnisse auf mixed-mode Belastungen überprüft. Auf der Werkstoffseite wurde der Einfluss der Belastungsrate auf die Werkstoffeigenschaften experimentell untersucht und quantifiziert. Exemplarisch wurden zwei typische Werkstoffe des Maschinenbaus mit niedriger und hoher Festigkeit und damit unterschiedlicher Dehnratenempfindlichkeit untersucht. Neben dieser Quantifizierung des Geschwindigkeitseinflusses wurden Korrelationen zwischen Kennwerten des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs und der dynamischen Bruchzähigkeit aufgestellt, um die Möglichkeit zu schaffen, aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch die erforderlichen Werkstoffkennwerte auf einfache Weise ableiten zu können. Die Versuche wurden numerisch mit der Methode der Finiten Elemente analysiert und basierend auf dem für dynamische Belastung angewandten Masterkurvenkonzept ein Bewertungskonzept erstellt. Zum Gesamtkonzept zur bruchmechanischen Bauteilbewertung unter dynamischer Belastung wurde schließlich eine vereinfachte Vergehensweise vorgeschlagen, mit der durch Bereitstellung von dynamischen Bruchzähigkeitswerten für typische Werkstoffe und Beanspruchungsgeschwindigkeiten der Einfluss der dynamischen Belastung auf die Bauteilintegrität abgeschätzt werden kann. Exemplarisch wurde die Anwendbarkeit des vereinfachten Bewertungskonzepts mit zwei Beispielrechnungen für eine symmetrisch belastete, rissbehaftete Welle demonstriert. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.