Auswirkungen von Betriebsfestigkeitsproblemen und wie Sie diese vermeiden können am Beispiel der de Havilland Comet

Mangelnde Kenntnisse der Betriebsfestigkeit können in katastrophalen Unfällen enden. Erfahren Sie die Ursachen und was wir daraus lernen können.

Bei dem ersten Strahlgetriebenen Verkehrsflugzeug (der „de Havilland Comet“) kam es auf Grund von Materialermüdung zu mehreren Unfällen katastrophaler Auswirkung. Sie lernen die Ursachen kennen und ich zeige Ihnen, was Sie daraus für Ihre Konstruktionen lernen können. Außerdem gibt es noch eine kleine Überraschung;)

Vorgang

Die de Havilland Comet war das erste strahlgetriebene Verkehrsflugzeug, welches in Serie gebaut wurde. Der Erstflug fand im Jahr 1949 statt. Auf Grund der hohen Reisegeschwindigkeit von 800 km/h konnten Reisezeiten halbiert werden. Daneben waren die Flüge sehr komfortabel, da sie im Vergleich zu Propeller-Flugzeugen ruhig und vibrationsarm waren. Diese Eigenschaften führten zu einem großen Erfolg der Comet.

In den Jahren 1953 bis 1954 stürzten drei Maschinen ab. In allen Fällen gab es keine Überlebenden. Ein Flugverbot, dass danach für die gesamte Flotte galt, wurde vor Klärung der Ursache aufgehoben. Dies führte zu einem weiteren Absturz einer Maschine. Alle Maschinen zerbrachen in der Luft.

Gründe für die kritische Auswirkung von Materialermüdung

Ganz allgemein gilt, dass Ausfälle mit Materialermüdung sehr „gemein“ sein können. Warum?

Aus der Distanz betrachtet, treten diese Ausfälle „plötzlich“ und „unerwartet“ aus. Das Bauteil - oder im Falle der Comet das Flugzeug – zeigt bis zum Ausfall keine sichtbaren Schäden, wirkt also völlig intakt. Der Ausfall kann nach langer Zeit auftreten, also zu einer Zeit, wenn man sich bereits in Sicherheit wähnt. Auf Grund der fehlenden Vorwarnzeichen kann das Ausfallrisiko leicht unterschätzt werden.

Im Falle der Comet wurde deswegen der erste Ausfall noch dem Wetter zugeschrieben. Faktisch also als Zufall deklariert und ein systematische Fehler ausgeschlossen. Dadurch ist wertvolle Zeit bei der Ursachenanalyse verloren gegangen. Erst bei den folgenden Ausfällen sind tiefere Ursachen in Betracht gezogen worden.

Ausfallursachen aus Sicht der Betriebsfestigkeit

Die endgültigen Ursachen konnten erst in sehr aufwändigen Versuchen ermittelt werden. Der Fokus lag dabei auf der Festigkeit der Rumpfstruktur. Für den Versuch wurde ein Tauchbecken für die gesamte Rumpfstruktur der Comet entwickelt. In diesem Tauchbecken konnte die Belastung des Rumpfes beim Auf- und Abstieg des Flugzeuges nachgebildet werden. Nach einer gewissen Anzahl an Auf- und Abstiegen bildeten sich an den Kanten der Fenster Risse, die so stark anwuchsen, dass sie zum plötzlichen Versagen der gesamten Struktur führten.

Die Grundursache liegt aber noch tiefer und lässt sich grob in drei Teilursachen aufgliedern.

Den Einfluss von Kerben auf die Lebensdauer

Bei den Fenstern der Comet handelte es sich um nahezu quadratische Formen. Auf Grund der hohen  Kerbwirkung in den Ecken konzentrierten sich hier die Beanspruchungen lokal. Für rundere Fenster (wie sie heute im Flugzeugbau - auf Grund der Erfahrungen aus der Comet -  üblich sind) sind die Beanspruchungen gleichmäßiger und deutlich niedriger. Das Risiko der Rissbildung ist damit deutlich geringer. Kerben sind oftmals einer der Größen Feinde der Betriebsfestigkeit!

Neben der Geometrie ist der Kerbeinfluss außerdem noch vom Werkstoff abhängig. Je höherfest der Werkstoff ist, umso kritischer wirken sich Kerben aus. Dabei kann es vorkommen (so auch bei der Comet) dass ein weicher Werkstoff mit geringer Kerbempfindlichkeit besser ist als ein fester Werkstoff mit hoher Kerbempfindlichkeit. Warum das so ist habe ich in einem separaten Artikel beschrieben: Link - Kerbeinfluss bei hochfesten Werkstoffen

Als Lösung werden heutzutage weichere Legierungen und Geometrien mit geringerer Kerbschärfe eingesetzt.

Fertigungseinflüsse

Neben den Kerbeinflüssen spielte ein geändertes Fertigungsverfahren eine wesentliche Rolle. Rümpfe waren genietet. Im Gegensatz zu Verfahren aus der Vergangenheit wurden die Nietlöcher gestanzt und nicht gebohrt. Beim Stanzen entstanden Mikrorisse, die sich durch die Belastung beim Auf- und Abstieg stetig erweiterten und schließlich in einem Gewaltbruch endeten.

Lasten

Im Vergleich zu Propellermaschinen, die ebenfalls mit Druckkabinen flogen (allerdings in geringerer Höhe) war dieses Problem neu. Die Lasten auf die Druckkabine durch die größere Höhe wurde unterschätzt.

Wahrscheinlich ist der Einfluss von Lasten auf die Auslegung eines der größten Risiken bei der Bauteilauslegung. Lasten werden aus (meist angenommenen) Lastfällen durch z.B. Messung oder Simulation abgeleitet. Werden Lastfälle vernachlässigt oder vergessen, dann wird die Konstruktion nicht auf diese Lasten ausgelegt. Damit ist das Risiko des Versagens besonders hoch.

Welche Erkenntnisse können wir daraus schließen?

Kerbeinflüsse sind relativ einfach durch konstruktive Änderungen minimierbar. Vor allem heutzutage können mit guten Simulationswerkzeugen Kerbeinflüsse sehr zuverlässig berechnet werden (Link - Kerbeinfluss mittels FEM ermitteln). Zur Erinnerung: Kerben reduzieren die Festigkeit leicht um den Faktor 3..5! Daraus folgt, Kerben so gut es geht zu vermeiden. Wenn nicht anders möglich gilt es Werkstoffe einzusetzen, die möglichst gutmütig auf Kerben reagieren. Oftmals sind dies weiche Legierungen.

Fertigungseinflüsse und Fehler aus fehlerhaften Lastannahmen sind schwieriger greifbar. Hier ist vor allem Kreativität gefragt. Was meine ich damit? Diese Fehler muss man sich vorstellen können und vor der Konstruktion als potenzielle Fehler (Concerns) dokumentieren. Im Rahmen der Konstruktionsarbeit sind dann diese potenziellen Fehler durch geeignete Maßnahmen (Simulationen, Versuche,…) abzustellen. Es sind prinzipiell zwei große Methoden bekannt, um potenzielle Fehler zu vermeiden. Beide Methoden werden den qualitativen Zuverlässigkeitsmethoden zugschrieben. Sie liefen keine Ausfallrisiken oder Ausfallwahrscheinlichkeiten, sondern potenzielle Riskien und dokumentieren die Maßnahmen zur Minimierung dieser Risiken.

Potenzielle Fehler mit der FMEA finden

Das ist zum einen die FMEA (Fehlermöglichkeits- und –einflussanalyse). Hier werden potenzielle Fehler durch Teamarbeit identifiziert, Maßnahmen zur Senkung der Risiken festgelegt und Vorschläge zur Optimierung der Konstruktion diskutiert und dokumentiert.

Änderungen mit DRBFM bewerten

Als Alternative ist die von Toyota entwickelte Methode der DRBFM (Design Review Based on Failure Mode) bekannt. Toyota hat erkannt, dass Änderungen ein großes Fehlerrisiko beinhalten. Deswegen fokussiert die DRBFM auf Änderungen. Am Beispiel der Nietlöcher würde sich die DRBFM die Frage stellen: Welchen Einfluss hat die Änderung des Fertigungsverfahrens auf die Funktion des Bauteils. Diese Frage wird durch drei Schritte gestützt:
1) „good Design“: Festlegung der Randbedingungen auf die das Produkt zuverlässig ausgelegt werden soll.

2) „good Discussion“: Diskussion der potenziellen Fehler / Probleme im Team auf Grund von Änderungen gegenüber einem bereits bestehenden guten Design.

3) „good Design Review“: Vorstellung und Diskussion des Designs zur Vermeidung der potenziellen Fehler vor einem geeigneten Gremium.

Für interessierte habe ich einen kleinen Leitfaden zu den Hintergründen und der Durchfühung einer DRBFM verlinkt: Leitfaden DRBFM

Fazit:

Beide (qualitative Zuverlässigkeitsmethoden) Methoden hätten die Fehler finden können. Beiden Methoden ist allerdings auch eigen, dass Sie vom Team das die Diskussion zur Auffindung der potenziellen Fehler abhängt. In diesem Artikel habe ich die wesentlichen Erfolgsfaktoren für eine FMEA zusammengefasst (gilt auch für die DRBFM;)): Link - Risiken bei einer FMEA

Bonus:

Für Technik- und Flugbegeisterte habe ich noch einen Link auf eine interessante BBC Dokumentation zur Geschichte der de Havilland Comet eingefügt: Link - Unglück de Havilland Comet.

Auf den Punkt:

Es gilt praktisch immer: Vermeiden Sie Kerben so gut es geht! Wenn nicht anders möglich,  Nutzen Sie Werkstoffe, die möglichst gutmütig auf Kerben reagieren. Oftmals sind dies weiche Legierungen.

Zum Auffinden, dokumentieren und Abstellen der potenziellen Fehler nutzen Sie unbedingt systematische qualitative Zuverlässigkeitsmethoden wie die FMEA oder die DRBFM. Achten Sie dabei auf die nötigen Erfolgsfaktoren: https://www.einbock-akademie.de/woran-eine-fmea-scheitert/

DRBFM Schulungen

Interessieren Sie sich für Hintergründe der DRBFM? Wir bieten eintägige Schulungen an. Diese sind Inhouse Schulungen inkl. praktischer Übungen aus Ihrem Hause und werden individuell auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten an DRBFM Schulungen.