Neue Veranstaltung zum Thema Betriebsfestigkeit und Lebensdauer

Vom 10. bis 11. November veranstaltet NAFEMS in Wiesbaden das Seminar „Simulationsbasierte Auslegung nach Betriebsfestigkeit und Lebensdauer“. NAFEMS ist die internationale, neutrale und unabhängige Organisation zur Förderung der sicheren und zuverlässigen Anwendung numerischer Simulationsmethoden.

Betriebslasten wirken meist sehr unregelmäßig und vorwiegend dynamisch über die gesamte Lebensdauer einer technischen Struktur. Die Erkenntnis, dass ein schwingend belastetes Bauteil nach einer hinreichend großen Zahl von Lastwechseln versagt, obwohl die Belastung kleiner ist, als eine vergleichbare statische Belastung, geht schon auf August Wöhler (1819 – 1914) zurück. Denn eine Schädigung setzt bereits bei relativ niedrigen Spannungswerten ein und diese Schädigungen akkumulieren sich über die weiteren Lastwechsel.

Der "klassische" Festigkeitsnachweis für Bauteile (linear elastisches Materialverhalten, statische Belastung) kann dies nicht berücksichtigen, dafür werden entsprechend große Sicherheitsbeiwerte eingeführt. Eine der Realität näher kommende Betrachtungsweise hat unter dem Begriff Betriebsfestigkeit (1939 E. Gassner und A. Teichmann) schon länger Eingang in die Denkweise des Ingenieurs gefunden. Gleichwohl setzt ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis stets auch den statischen Festigkeitsnachweis voraus.

Heute gehört die Auslegung nach der Betriebsfestigkeit auf der Grundlage von Simulationsverfahren (z. B. FEM, MKS, …) in vielen Bereichen zur gängigen Praxis bzw. zwingenden Notwendigkeit. Die zum Einsatz kommenden Werkstoffe (spröde oder plastisch verformbare Materialien und solche mit zeitabhängigem Verhalten usw.) reagieren in unterschiedlicher Weise auf eine zyklische Belastung.

Zur Beurteilung des Festigkeitsverhaltens eines Werkstoffs bei zeitabhängiger Belastung muss bekannt sein, bei welchen Spannungen sich eine Schädigung des Materials ergibt, worin diese besteht und in welcher Weise sie sich akkumuliert. Hierzu sind sowohl theoretische (Schädigungsmechanik) als auch experimentelle Untersuchungen und statistische Verfahren erforderlich. Die auf dieser Grundlage entwickelten Methoden haben in einschlägigen Normen, Vorschriften, Richtlinien, Empfehlungen und zahlreichen Softwareprodukten Verbreitung gefunden.

Die deutsche FKM-Richtlinie (5. Ausgabe 2003) beschreibt beispielsweise den statischen und den Ermüdungsfestigkeitsnachweis (als Dauer-, Zeit- oder Betriebsfestigkeitsnachweis). Für die verschiedenen Werkstoffe sind aber die verfügbaren Schadensakkumulations- bzw. Schädigungsmodelle sehr unterschiedlich entwickelt und auch die notwendigen Testdaten liegen nicht immer in ausreichender Form vor. Damit ist die Betriebsfestigkeit nach wie vor ein Gegenstand permanenter Forschung und Entwicklung insbesondere für neuere Werkstoffe wie Composite.

Konkurrenzfähige Produkte müssen leistungs- und gewichtsoptimiert sein ohne dabei wirtschaftliche und fertigungstechnische Gesichtspunkte zu vernachlässigen: dies ist mit einer konventionellen dauerfesten Auslegung oft nicht erreichbar. Die entscheidende Überlegung ist, dass jedes Bauteil, jede Maschine oder jede Anlage letztlich nur innerhalb eines bestimmten Zeitraums Verwendung findet. Einzelne Bauteile einer Maschine oder einer Anlage müssen somit nicht ewig halten. Mit einer Betriebsfestigkeitsuntersuchung kann festgestellt werden, ob ein Bauteil so dimensioniert ist, dass es eine vorgeschriebene Lebensdauer erreicht.

Rund um die Simulationssoftware (FEM, MKS, …) haben sich verschiedene, leistungsfähige Softwareprodukte etabliert, die Bewertungen nach Betriebsfestigkeit und Lebensdauer ermöglichen. Die verfügbare Software hat einen hohen Entwicklungstand erreicht, der eine vorteilhafte Anwendung in verschiedenen Industriebereichen ermöglicht; allerdings ist der Ausbildungs- und Kenntnisstand bei potentiellen Anwendern häufig hinter diesen Möglichkeiten zurück. Die richtige Anwendung setzt neben einer geeigneten Modellierung der Strukturen und Erfassung der Betriebslasten auch Kenntnisse und Erfahrungen zu den einsetzbaren Methoden und deren Grundlagen und Annahmen voraus.

Die Zielstellung des Seminars ist,

• anhand verschiedener Anwendungsbereiche aufzuzeigen, was mit den gegenwärtigen Mitteln erreichbar ist und welchen Entwicklungstand Theorie und Software für die praktische Anwendung erreicht haben (state-of-the-art),  
• Kenntnisse und Erfahrungen zur Anwendung der simulationsbasierten Betriebsfestigkeits- und Lebensdauerberechnung zu vermitteln,
• interessante Fallbeispiele aufzuzeigen, die Grenzen und Möglichkeiten der Methoden verdeutlichen und auch Vergleiche mit realen Tests gegenüberstellen und
• Trends aus Forschung / Entwicklung und in der Weiterentwicklung von Normen, Richtlinien und Software darzustellen sowie durchaus auch Anforderungen aus der Anwendersicht zu formulieren.

In zwei Hauptvorträgen werden ausgewiesene Vertreter aus Industrie und Wissenschaft einen Einstieg und Überblick zum Thema geben. Kern der Veranstaltung werden aber Anwendervorträge sein, die interessante Erfahrungen und Einsatzgebiete, methodisches Vorgehen und eingesetzte Verfahren aufzeigen.

Vertreter aus Forschung und Entwicklung sollen ebenso wie Vertreter von Softwareanbietern zu Wort kommen, um, in für NAFEMS-Veranstaltungen typischer Weise, ein Rundumbild zur simulationsbasierten Betriebsfestigkeit- und Lebensdauerberechnung zu vermitteln. Genügend Zeit für die Diskussion und den Austausch unter den Teilnehmern wird eingeplant.

Über NAFEMS

NAFEMS ist die internationale, neutrale und unabhängige Organisation zur Förderung der sicheren und zuverlässigen Anwendung numerischer Simulationsmethoden, wie z. B. der FEM (Finite-Element-Methode) und der CFD (Computational Fluid Dynamics). Die Interessenvertretung hat weltweit über 930 Mitgliedsunternehmen und -organisationen – vom Großkonzern, über KMUs, Universitäten und Forschungsinstitute bis hin zum kleinen Ein-Mann-Ingenieurbüro.

Anmeldung zum Seminar: www.nafems.org/events/nafems/2010/FatigueLifetime