Zuverlässigkeit mechanischer Komponenten unter Ermüdung

Die in vielen Bereichen angespannte Wettbewerbssituation erfordert eine ständige Erhöhung der Qualität von Produkten. Dies betrifft vor allem Bauteile und Strukturen der Luft- und Raumfahrt, des Maschinenbaus und des Bauwesens jedoch auch anderer Bereiche des Ingenieurwesens. Die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Strukturen muss nicht nur gegenüber dem Grenzzustand der Tragfähigkeit gegeben sein, welcher z.B. durch außergewöhnliche Ereignisse eintritt, sondern mit zunehmender Wichtigkeit auch gegenüber Versagen durch Bruch und Ermüdung. Beispiele für derart beanspruchte Strukturen und Bauteile sind etwa Raketen und Satelliten in der Raumfahrttechnologie, Autos und Kräne im Maschinenbauwesen, Brücken und hohe Masten im Bauingenieurwesen. Beispielhaft sei hier auch auf die zulässige Schädigung von Flugzeugen bei langer Betriebsdauer und die Restfestigkeit von Rumpfschalen, die durch mehrfache Ermüdungsrisse geschädigt sind, verwiesen. Das Spannungsfeld der Rumpfschale weist Konzentrationen bei den Nietlöchern der Verbindungsstellen auf, die den potentiellen Ausgangspunkt für sog. Mehrfachschädigung von Komponenten darstellen. Hierbei vereinigen sich mehrere kleine Risse zu einem größeren Riss, der sodann auch eine größere Rissausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen kann und möglicherweise zum Versagen führt. Kleine Risse können auch zu einer flächenmäßig verteilten Ermüdung führen, was mit einem unstabilen Risswachstum eines dominanten Risses aufgrund verminderter Festigkeit verbunden sein kann. Die Bestimmung der Ausgangspunkte für Risse sowie das Risswachstumsverhalten stellt eine schwierige Aufgabe dar, da diese beiden Bestimmungsparameter mit Unsicherheit behaftet sind. Statistische Verfahren können herangezogen werden, um für den Ermüdungsprozess ungünstige Kombinationen sämtlicher Unsicherheiten und Streuungen vorherzusagen und somit eine realistische Zuverlässigkeitsanalyse durchführen zu können. Die Luft- und Raumfahrttechnologie sowie auch andere Industriezweige (wie etwa die Autoindustrie, die Offshore- Technologie, das Maschinen- und Bauingenieurwesen, Verfahrenstechnik, fossile und nukleare Energiegewinnungsanlagen, usw.) benötigen die Ergebnisse der Zuverlässigkeitsanalysen. Die Berücksichtigung der unvermeidbaren Risse soll zu einer verbesserten Vorhersage der Abnahme der Restfestigkeit führen, die das Versagen einer Struktur einleiten kann. Dieses Forschungsprojekt bietet dem IfM die Gelegenheit zu einer Fortsetzung der Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Zabaras "Material Process Design and Control Laboratory" an der Cornell Universität, Ithaca, New York. Das Ziel dieser Zusammenarbeit ist eine Erhöhung der Genauigkeit der zur Zeit verwendeten ingenieurmäßigen Ansätze, wie z.B. die Anpassung kohäsiver Elemente zur Modellierung des Rissbeginnes. Dies soll eine Zusammenführung von zwei bislang getrennten Ansätzen in der Modellierung der Rissentstehung bewirken, und zwar des ingenieurmäßigen Ansatzes, der auf einer makroskopischen, stochastischen Analyse beruht, sowie dem wissenschaftlichen Ansatz, dem eine Modellierung des Materials auf makroskopischer Ebene aufgrund der Mikrostruktur zugrunde liegt. Mit diesem wissenschaftlichen Ansatz soll eine realistischere Vorhersage des Rissbeginnes und folglich der Ermüdung möglich werden.