Konstruktionsprinzipien der Betriebsfestigkeit

Abhängig von der Fragestellung ist die Wahl des richtigen Konstruktionsprinzipes und damit die erforderliche Tiefe des Festigkeitsnachweises. Erfahre in diesem Artikel, wie sich das Produkt auf das Konstruktionsprinzip auswirkt.

Von der Fragestellung ist es abhängig, nach welchem Konstruktionsprinzip das Bauteil oder die Konstruktion idealerweise ausgelegt wird. Auslegungen sicherheitsrelevanter Bauteile in Massenfertigung ohne Möglichkeiten der Inspektion werden nach anderen Prinzipien ausgelegt, als beispielsweise ein im eigenen Haus betriebener Prüfstand.

Damit wird deutlich, dass die Bauteilauslegung im Wesentlichen von zwei Dingen abhängt. Dem Produkt [Link] und dem Sicherheitsaspekt [Link]. Auf beide Punkte wird im Folgenden genauer eingegangen. Sollte trotz bestmöglicher Auslegung die Festigkeit nicht ausreichend sein, werden zusätzlich noch Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung nötig (wie z. B. in diesem Artikel beschrieben). 

Einfluss des Produktes

1) Die (haus-) interne Konstruktion

Soll beispielsweise eine Prüfvorrichtung für einen im eigenen Haus betriebenen Prüfstand konstruiert werden, bietet es sich an diese Vorrichtung auf Basis von Erfahrung, wenigen, schnellen analytischen Berechnungen und verschiedenen Skizzen die Vorrichtung zu konstruieren und Zeichnungen abzuleiten. Dadurch beruht das Design auf Erfahrungen mit ähnlichen Vorrichtungen und der Annahme, dass Ausfälle dieser Konstruktion keine dramatischen Auswirkungen haben werden. Sollten doch Probleme mit der Vorrichtung auftauchen, können diese schnell behoben werden.

2) Das Massenprodukt

Bei einem Massenprodukt, beispielsweise der Welle eines Elektromotors sieht dies anders aus. Nach einer guten analytischen und numerischen Auslegung nach dem Stand der Technik der Betriebsfähigkeit folgen noch umfangreiche Erprobungen, um die Zuverlässigkeit zusätzlich experimentell nachzuweisen. Die Ergebnisse werden analysiert und das Bauteil anschließend optimiert. Der größere Aufwand bei Entwicklung und Erprobung rechnet sich durch die hohen Stückzahlen. Im Fokus steht eine hohe Produktzuverlässigkeit, da ein Ausfall schwerwiegende Auswirkungen (Rückrufe, Reklamationen,…) hat.

3) Ein größeres Projekt in Kleinstserie

Daneben gibt es noch Bauteile oder Konstruktionen die nur in Kleinstserien gebaut werden. Dies kann beispielsweise die Turbinenwelle eines Kraftwerksgenerators sein, der nur zweimal gebaut wird. Eine umfangreiche Erprobung ist hier auf Grund der geringen Stückzahl nicht wirtschaftlich. Die Auslegung muss zu großen Teilen auf der Erfahrung aus vergangenen oder ähnlichen Projekten erfolgen. Zusätzlich ist eine detaillierte Berechnung nach den Methoden der Betriebsfestigkeit unumgänglich, auch wenn diese kompliziert und aufwändig ist. Die Kosten für die Bauteilauslegung sind immer noch gering im Vergleich zu einem möglichen Rückruf und deswegen lohnend.

4) Richtlinienbasierte Auslegung

Bauteile werden nach Standards ausgelegt (z.B. die FKM-Richtlinie), die für das eigene Produkt relevant sind. Dies können beispielsweise Kerntechnische Anlagen oder Druckbehälter sein. Häufig sind diese Richtlinien sogar bindend, d. h. es muss danach ausgelegt werden. Der Konstrukteur wird dann das Produkt nach den aktuellen Standards auslegen und dabei annehmen, dass die im Standard vorgegebenen Lasten den realen Lasten entsprechen. Da dies nicht immer der Fall ist, sollte zusätzlich überprüft werden, ob die realen Lasten und Anforderungen nicht kritischer sind als die des Standards. Eine Auslegung erfolgt sinnvollerweise auf die realen Anforderungen und die Anforderungen nach dem Standard.

Schwingbruchsichere Auslegung

Der schwingbruchsicheren Auslegung liegt der Gedanke zu Grunde, dass jedes Bauteil über die gesamte Lebensdauer zuverlässig funktioniert, also nicht versagt. Dazu wird jedes Bauteil auf eine möglichst geringe Ausfallwahrscheinlichkeit ausgelegt. Bei sicherheitskritischen Bauteilen gilt häufig die Ausfallwahrscheinlichkeit von 1ppm...0,01%.

Auf Seiten der Beanspruchung werden häufig Worst Case Lasten bei der Bauteilauslegung angenommen z. B. ein „50-Jahres-Wind“ als Windlast für die Auslegung von Bauwerken. Teilweise aber auch Lastkollektive zu beliebigen Auftretenswahrscheinlichkeiten extrapoliert. Dies können z. B. 95%-Fahrer oder -Bediener sein.

Die Beanspruchbarkeit wird dann durch geeignete Sicherheitsfaktoren (siehe diese beiden Artikel zur Sicherheit der Stichprobengröße und Ausfallwahrscheinlichkeit) soweit abgesenkt, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit der Wöhlerlinie gleich der geforderten Ausfallwahrscheinlichkeit des Bauteils ist.

Zur Schadensakkumulation wird eine geeignete Schadensakkumulationshypothese verwendet. Dies ist die relative Miner-Regel, also die Verwendung einer Grenz-Schadenssumme  in Kombination mit z. B. der schrittweisen Absenkung der Dauerfestigkeit mit der Schadensakkumulation nach Miner Konsequent oder Miner modifiziert nach Haibach.

Der Vorteil dieser Auslegungsidee liegt darin, dass robuste Konstruktionen wartungsfrei ausgelegt werden können. Nötig ist dies immer, wenn nach dem Verkauf der Produkte nicht mehr, oder nur sehr aufwändig auf das Produkt zugegriffen werden kann (z. B. Konsumgüter oder PKW). Damit geht meist eine leichte Überdimensionierung der Bauteile einher. Maximaler Leichtbau kann mit dieser Philosophie nicht erreicht werden.

Ausfallsichere Auslegung

Ausfallsichere Auslegungen ermöglichen dagegen maximalen Leichtbau. Möglich wird dies dadurch, dass Bauteile Fehler (z. B. Risse einer gewissen Größe) aufweisen dürfen. Allerdings muss sichergestellt sein, dass diese Fehler nicht zum Versagen der Konstruktion führen können. Bauteile, die im Falle eines Versagens entdeckt und ausgetauscht werden können, dürfen mit größeren Ausfallwahrscheinlichkeiten ausgelegt werden. Dies lässt deutlich leichtere Konstruktionen zu. Häufig gelten hier Ausfallwahrscheinlichkeiten von 0,001%...0,1%. Berechnet werden diese Ausfallwahrscheinlichkeiten durch Verwendung geeigneter Sicherheitsfaktoren, siehe diese beiden Artikel zur Sicherheit der Stichprobengröße und Ausfallwahrscheinlichkeit.

Wichtig: Diese Ausfallwahrscheinlichkeiten gelten für das Einzelteil! Die gesamte Konstruktion muss geringere Ausfallwahrscheinlichkeiten aufweisen.

Dazu ein paar Beispiele:

Im Falle des Flugzeugbaus oder auch der Raumfahrt wird davon ausgegangen, dass ein Bauteil versagen kann. Um das Versagen der Konstruktion beim Ausfall eines Teiles zu vermeiden, werden Redundanzen eingebaut. Das bedeutet, dass auch bei einem Versagen eines Bauteiles der sichere Betrieb das Flugzeugs gewährleistet ist. Im Falle der Raumfahrt zeigt sich, dass Raketen der bemannten Raumfahrt wegen der verbauten Redundanzen schwerer sind als Raketen der unbemannten Raumfahrt (wo ein Versagen nicht so dramatische Auswirkungen hat).

Im Falle des Fahrzeugbaus werden Redundanzen z. B. bei der elektrischen Lenkung eingesetzt. Sollte diese ausfallen, dann greift das System ein und bremst einzelne Räder gezielt ab.

Beim Maschinenbau werden Anlagen mit Sensoren versehen, die ein Versagen einer Komponenten oder der Anlage detektieren und die Anlage in einen sicheren Zustand fahren (z. B. Anlagenstopp).

Vorrausetzungen für dieses Konstruktionsprinzip ist, dass die ausgefallenen Teile gefunden und auch ersetzt werden können.

Schadenstolerante Auslegung

Extremen Leichtbau ermöglicht das Prinzip der schadenstoleranten Bauteilauslegung. Dabei werden gezielt Bauteilschädigungen z. B. in Form von Rissen zugelassen. Diese angerissenen Bauteile werden dann rechtzeitig in Inspektionen ersetzt. Der Vorteil hierbei ist, dass Redundanzen entfallen können.

Insbesondere beim Flugzeugbau wird dieses Konstruktionsprinzip eingesetzt. Dazu zwei Beispiele:

Bei Flugzeugen werden die Inspektionsintervalle so gewählt, dass Risse rechtzeitig entdeckt werden, bevor sie kritisch werden können. Dies setzt allerdings eine exakte Kenntnis des Werkstoffverhaltens voraus.

Bei Kampfflugzeugen wird teilweise der Weg beschritten, dass die Belastung während des Fluges aufgezeichnet und der Festigkeit des Bauteils gegenübergestellt wird. Bei Überschreiten der zulässige Belastung wird ein Weiterflug unterbunden.

Vorausgesetzt ist ein hohes Maß an Wissen bezüglich der Bruchmechanik, der eingesetzten Werkstoffe und der auftretenden Belastung. Werden diese Fehler nicht entdeckt, dann hat dies zum Teil dramatische Folgen.

Auf den Punkt:

Abhängig vom Bauteil und von der Auslegungsphilosophie wird die Tiefe des Nachweises der Betriebsfestigkeit entsprechend gewählt. Dabei

• gibt es kein pauschal richtigen oder Falschen Ansatz, sondern nur einen individuell sinnvollen,
• ist der für Sie richtige Nachweis abhängig von Ihren Mitteln, Fähigkeiten, Produkten und Ansprüchen.
• je geringer die Sicherheit gewählt wird oder je mehr Leichtbau gefordert ist, umso aufwändiger wird der Betriebsfestigkeitsnachweis.

Um es in einem kurzen Satz zu formulieren: Führen Sie Ihren Festigkeitsnachweis in der für Sie richtigen Tiefe durch.