Bruchmechanik und Schwingfestigkeit.

Die Schwingfestigkeitsanalysen, die heute in vielen industriellen Sektoren weit verbreitet sind, haben eine lange Geschichte, die bis ins 19. Jahrhundert zurückreicht, mit der bahnbrechenden Forschung der Bruchmechanik von Eisenbahnkomponenten. Das 20. Jahrhundert brachte eine dynamische Entwicklung dieser Disziplin der Ingenieurwissenschaft. Heute ist die Luft- und Raumfahrtindustrie einer der wichtigsten Treiber des Fortschritts in diesem Bereich. Allerdings ist die Forschung zur Schwingfestigkeit weit mehr ausgedehnt als nur auf Raumflüge. In diesem Artikel stellen wir kurz die faszinierende Geschichte und die wichtigsten Meilensteine in der Entwicklung dieses Fachgebiets vor. Wir präsentieren auch Beispiele für die Anwendungen solcher Analysen, deren resultierenden Nutzen und heben die Spezialisierungsbereiche bei Endego in diesem Bereich hervor.

Geschichte der Arbeiten zur Bruchmechanik und Schwingfestigkeit

Die Anfänge der Bruchmechanik Forschung lassen sich auf die Arbeiten von Pionieren im 19. Jahrhundert zurückführen, welche die Phänomena in den Schienenfahrzeugen analysiert haben. Im Laufe der Jahre trugen auch Ingenieure aus der Automobil-, Schiffs-, Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie zur Entwicklung dieses Fachgebiets bei.

19. Jahrhundert – die Eisenbahnindustrie als Treiber der Bruchmechanik Forschung

Die Schlüsselmomente, die zur Etablierung der Bruchmechanik als Ingenieur-wissenschaft und ihrer weiteren Entwicklung führten, waren die Verbreitung der Eisenbahnen und die notwendige Pionierarbeit in diesem Sektor. Zu den Meilensteinen zählen die folgenden Ereignisse:

20. Jahrhundert – Bruchmechanik in der Luftfahrt-, Schiffs-, Automobil- und Raumfahrtindustrie

Das Jahrhundert, das von den Experimenten der Gebrüder Wright und der weit verbreiteten Einführung von Automobilen geprägt war, stellte sich als eine Zeit des dynamischen Wachstums im Bereich der Forschung zur Bruchmechanik und Schwingfestigkeit heraus. Zu den Schlüsselereignissen aus dieser Perspektive gehören:

• Der Einsatz von optischen Mikroskopen zur Untersuchung von Gleitlinien und -ebenen in Metallstrukturen zu Beginn des 20. Jahrhunderts,
• Die Arbeiten von Gough, Griffith und Taylor zur Bruchmechanik in Luftfahrtanwendungen,
• Haighs Veröffentlichung zur Schwingfestigkeit von Metallen in maritimen Anwendungen (Haigh-Diagramm),
• Almens Forschung zur Schwingfestigkeit von Automobilen, die unter der Schirmherrschaft von General Motors geführt worden war,
• Neubers Aktivitäten an deutschen Universitäten und in der Luftfahrtindustrie, die zur Erstellung eines Berechnungsleitfadens führten, der die plastische Korrektur für linear-elastische Berechnungen einführte (Neuber-Korrektur),
• Palmgrens Vorschlag zur Anwendung der linearen Schadensakkumulation für Kugellager,
• Miners Vorschlag zur Anwendung der linearen Schadensakkumulation in der Luftfahrt,
• Die Herausgabe durch die US Air Force, des Dokuments mit den Richtlinien für den Entwurf Prozess neuer Kampfflugzeuge,
• Die Entwicklung von Computerprogrammen durch die NASA zur Simulation von Spannungs- und Deformationszuständen, gefolgt von Programmen zur Simulation von Phänomenen aus Bruchmechanik inklusive Lebensdauer-berechnungen.

Bis heute spielen die Luft- und Raumfahrtindustrien die bedeutendste Rolle in der Bruchmechanik Forschung.

Beispiele für die Anwendung von Wissen über Bruchmechanik

Das über Jahrhunderte entwickelte Bruchmechanik Wissen, zusammen mit den methodischen Rahmenwerken für Berechnungen und der Software, die ihre Umsetzung erleichtert, wird in modernen Industrien breit angewendet. Schwingfestigkeitsanalysen werden unter anderem in folgenden Anwendungen durchgeführt:

1. Entwerfen von Sicherungen oder Sicherheitsvorrichtungen, welche mechanische Proben mit verschiedenen Kerben nutzen; diese Proben brechen, bevor das geschützte Gerät versagt oder ein spezifisches Bauteil, wie ein Turbinenrotor.
2. Bestimmung der zulässigen Risslänge in dickwandigen Turbinengehäusen zur Planung des Gehäuseaustauschs oder zur Festlegung von Zeitpunkten und Vorgehensweisen für Reparaturen.
3. Entwerfen von extrem leichten Fahrwerkskomponenten für Kampf-flugzeuge für eine begrenzte Anzahl von Start-Landung-Zyklen, um den Austausch zu gewährleisten, bevor es zu einem Verlust der Tragfähigkeit kommt.
4. Kontrolle von Eisenbahnrädern mit einem Hammer, um Ermüdungsrisse durch Klangleitfähigkeitsänderungen zu erkennen, bevor die Risse wachsen und zu einem Versagen führen.
5. Untersuchung von Bruchflächen bei defekten Komponenten zur Bestimmung der Versagensursache und zur Designverbesserung für zukünftige Produktion.
6. Entwerfen von technologischen Prozessen, bei denen Teile durch einen Schlag getrennt oder geteilt werden.
7. Entwerfen von Schiffen unter Berücksichtigung von Vibrationen, um Resonanzen zu vermeiden, die in unerwarteten Situationen zu einem Bruch und folgend zum Versenken des Schiffes führen könnten.

Vorteile der Einbeziehung der Bruchmechanik in die Berechnungen

Die Durchführung von Bruchmechanik und Schwingfestigkeit Simulationen und Berechnungen bringt zahlreiche Vorteile. Zu den bedeutendsten zählen:

• Die Fähigkeit, die sichere Nutzung von Geräten durch Vorhersagen der Lebensdauer zu gewährleisten,
• Erhöhte Sicherheit für Fahrer und Passagiere durch Tests der Crashfestigkeit,
• Verbesserung der Haltbarkeit von Strukturen, die zyklischen Lasten in Form von Vibrationen ausgesetzt sind.

Im Folgenden beschreiben wir, wie die Bruchmechanik Forschung zur Erreichung von Vorteilen in diesen spezifischen Bereichen beiträgt.

Betriebssicherheit der Geräte durch Lebensdauerprognosen

Das Verhalten von Fahrzeugen und Sicherheitsmechanismen bei Kollisionen wird mittlerweile routinemäßig in der Entwurfsphase von Fahrzeugstrukturen getestet (z.B. Knautschzonen, Airbags). Berechnungen und Simulationen von Kollisionen, welche die Bruchmechanik umfassen, werden heute weitgehend durchgeführt und tragen dazu bei, das Risiko von Todesfällen oder schweren Verletzungen durch Unfälle zu reduzieren.

Erhöhung der Strukturwiderstandsfähigkeit gegen Stöße und Vibrationen

Zyklische Lasten in Form von Vibrationen, die periodisch oder durch Impulse induziert werden, treten sowohl bei Erdbeben als auch bei außergewöhnlichen Ereignissen wie Explosionen auf. Diese können im zivilen Leben vorkommen, wie auf Ölplattformen, oder in militärischen Szenarien mit Anwendung der explosiven Waffen, wie bei Kriegsschiffen. Berechnungen dieser Phänomena und ihres Verlaufs helfen, die Widerstandsfähigkeit solcher Strukturen zu steigern.

Erhöhung der Strukturwiderstandsfähigkeit gegen Stöße und Vibrationen

Zyklische Lasten in Form von Vibrationen, die periodisch oder durch Impulse induziert werden, treten sowohl bei Erdbeben als auch bei außergewöhnlichen Ereignissen wie Explosionen auf. Diese können im zivilen Leben vorkommen, wie auf Ölplattformen, oder in militärischen Szenarien mit Anwendung der explosiven Waffen, wie bei Kriegsschiffen. Berechnungen dieser Phänomena und ihres Verlaufs helfen, die Widerstandsfähigkeit solcher Strukturen zu steigern.

CAE Endego Team – Spezialisten für Bruchmechanik-Berechnungen

Das CAE Endego team ist auf die Durchführung von Simulationen und Berechnungen im Bereich der Bruchmechanik und Ermüdungsfestigkeit für Industrien spezialisiert, wie:

• thermische Turbinen – Beratung zur Festigkeit von Turbinenteilen und Baugruppen,
• Schienenfahrzeuge – Entwurf (Konstruktion und Elektrosystem), Festigkeitsauslegung, Beratung,
• Schiffe und Offshore – Anlagen Schwingungen, Rumpf Konstruktion, rechnerische Auslegung, Optimierung, Beratung,
• PKW, LKW und Arbeitsmaschinen  – Entwurf (Konstruktion, Elektrosystem, Beleuchtung, Elektronik), Festigkeit, virtuelle Tests, Beratung.

Die umfangreiche Erfahrung des Endego-Ingenieurteams ermöglicht es uns, fortschrittliche Berechnungstechniken an jedes Unternehmen anzupassen, das deren Anwendung erfordert, sowie an die spezifischen Bedürfnisse des Unternehmens.

Wir laden Sie ein, uns zu kontaktieren.

Grzegorz Wiśniewski

CAE Technical Expert

Senior-Spezialist in Bereichen wie Mechanik und Festigkeit von Werkstoffen, nichtlineare Fragen, Plastizität (PhD ETH Zürich), Festigkeit von thermischen Turbinen, Schienenfahrzeugen, Schiffsstrukturen. Er verfügt über berufliche Erfahrung in der Durchführung und Koordinierung von Entwicklungsprojekten in den oben genannten Bereichen sowie in der Lehre und Anwendung der Finite-Elemente-Methode (u. a. ETH Zürich und Technische Universität Danzig).