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Forschungshefte (FKM)

World Robotics 2011

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Für Konstrukteure und Berechnungsingenieure im Maschinenbau und in verwandten Bereichen der Industrie gibt es seit 1994 die FKM-Richtlinie für den rechnerischen Festigkeitsnachweis. Sie entstand im Arbeitskreis Bauteilfestigkeit mit der Förderung durch das Forschungskuratorium Maschinenbau und die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke. Die Richtlinie wurde auf der Grundlage ehemaliger TGL-Standards, der früheren Richtlinie VDI 2226 und weiterer Quellen erarbeitet und auf den neuen Erkenntnisstand weiterentwickelt. Die FKM-Richtlinie - ist im Maschinenbau und in verwandten Bereichen der Industrie anwendbar, - ermöglicht den rechnerischen Festigkeitsnachweis für stabförmige, für flächenrörmige und für volumenförmige Bauteile unter Beachtung aller relevanten Einflüsse, - beschreibt den statischen und den Ermüdungsfestigkeitsnachweis, letzteren je nach Beanspruchungscharakteristik als Dauer- oder als Betriebsfestigkeitsnachweis, - gilt für Stahl, auch für nichtrostenden, bei Bauteiltemperaturen von -40 °C bis 500 °C, - gilt für Eisengusswerkstoff bei Bauteiltemperaturen von -25 °C bis 500 °C, - gilt für Aluminiumwerkstoff bei Bauteiltemperaturen von -25 °C bis 200 °C, - ist anwendbar für Bauteile, die mit oder ohne spanabhebende Bearbeitung oder auch durch Schweißen hergestellt werden, - erlaubt die Bewertung von Nennspannungen wie auch örtlicher, elastisch bestimmter Spannungen, die mittels elastizitätstheoretischer Lösungen, Finite-Elemente- oder Randelement-Berechnungen oder aus Messungen erhalten werden.

Für alle diese Anwendungsfälle gilt ein einheitlich strukturierter Berechnungsablauf. Dieser ist zum überwiegenden Teil zwangsläufig. Der Anwender hat nur wenige Entscheidungen zu treffen. Die Richtlinie ist ein Berechnungsalgorithmus, bestehend aus Anweisungen, Formeln und Tabellen. Die eingefügten Bilder haben meistens nur erläuternde Funktion. Textliche Erklärungen erfolgen, wenn sie zur sicheren Anwendung erforderlich erscheinen. Der Inhalt mit seinen recht umfassenden Berechnungsmöglichkeiten entspricht dem in einer Richtlinie anwendbaren Stand des Wissens. Die verwendeten For- melzeichen sind zum Teil der neueren Entwicklung angepasst. Der Berechnungsablauf wird zur besseren Verständlichkeit durch Beispiele ergänzt.
Die praktische Durchführung des Festigkeitsnachweises sollte zweckmäßigerweise mittels Rechnerprogrammen erfolgen. Verfügbar sind zur Zeit die PC-Rechnerprogramme RIFESTPLUS (gültig für die Berechnung mit örtlichen, elastisch bestimmten Spannungen in flächenförmigen oder in volumenförmigen Bauteilen) und WELLE (gültig für die Berechnung mit Nennspannungen und für den wichtigen Fall der Achsen und Wellen, auch mit Getrieben). Die bisherigen drei Ausgaben der Richtlinie haben erfreulich großes Interesse hervorgerufen, woran das Bedürfnis der Anwender nach einer solchen modemen Bemessungsgrundlage für viele Anwendungsfälle erkennbar ist. Das wurde auch durch die VDI- Tagungen Festigkeitsberechnung metallischer Bauteile bestätigt, die zum Themenkreis der Richtlinie 1995, 1998 und 2002 in Fulda stattfanden.

Die inhaltlichen Änderungen in der dritten Ausgabe betrafen unter anderem die Berücksichtigung von nicht- rostendem und von Schmiedestahl, den technologischen Größenfaktor, die plastischen Stützzahlen für den statischen Festigkeitsnachweis, die Dauerfestigkeit von Grauguss und von Temperguss, die Aufnahme neuer Kerbfälle und die Berücksichtigung einer ertragbaren Minersumme kleiner als eins für den Betriebsfestigkeitsnachweis, die rechnerische Behandlung geschweißter Bauteile, den Nachweis für mehrachsige Spannungen und die Berücksichtigung eines Festigkeitsnachweises mit experimentell bestimmten Bauteilfestigkeitswerten. Eine wesentliche formale Änderung in der dritten Ausgabe ist die neue Gliederung mit den vier Kapiteln über den statischen Festigkeitsnachweis mit Nennspannungen, den Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Nennspannungen, den statischen Festigkeitsnachweis mit örtlichen elastisch bestimmten Spannungen und den Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen elastisch bestimmten Spannungen. Für eine einfache Anwendung ist der jeweilige Berechnungsablauf in jedem dieser Kapitel vollständig dargestellt, auch wenn sich dadurch eine Wiederholung gleicher oder fast gleicher Textteile ergibt. Die wesentliche Änderung in der vierten Ausgabe von 2002 ist die Möglichkeit eines rechnerischen Festig- keitsnachweises auch für Bauteile aus Aluminiumwerk- stoffen, und zwar nach der gleichen Berechnungsweise, wie sie bisher für Bauteile aus Stahl und Eisengusswerkstoffen zutraf.

Die für die Einbeziehung von Aluminiumwerkstoff notwendigen Festlegungen wurden nach Literaturauswertungen getroffen. Dabei zeigte sich allerdings, dass einige der relevanten Einflussgrößen noch nicht mit der wünschenswerten Ausführlichkeit untersucht wurden oder dass vorliegende Ergebnisse auf grund großer Streuungen nicht objektiv bewertbar waren. In diesen Fällen wurden die Festlegungen nach sorgfältiger Abwägung der sachlichen Zusammenhänge vorgenommen. Bezüglich dieses rechnerischen Festigkeitsnachweises für Bauteile aus Aluminiumwerkstoff wird die Richtlinie der Fachöffentlichkeit mit dem Hinweis übergeben, dass sie vorerst mit der gebotenen Umsicht und im kritischen Vergleich zum bisherigen Erfahrungshintergrund angewendet werden soll. Die beteiligten Forschungsstellen und das Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. (FKM) sind offen für Erfahrungsberichte und Änderungsvorschläge, die sich aus praktischen Anwendungen der Richtlinie ergeben.

Die vorliegende fünfte, überarbeitete Ausgabe der FKM-Richtlinie berücksichtigt neben berichtigten Druckfehlerern und verbesserten Formulierungen auch sachlich notwendige Änderungen gegenüber der vierten Ausgabe. Diese betreffen - eine neue Formulierung des Haftungsausschlusses, - ergänzende Hinweise zum statischen Festigkeitsnachweis dahingehend, dass die statische Bauteilfestigkeit nicht notwendigerweise durch Versagen in einem Kerbquerschnitt bestimmt wird, sondern dass auch globales Versagen in einem anderen, evtl. nicht oder kaum gekerbten Bauteilquerschnitt maßgebend sein kann, was bei der Ermittlung der plastischen Formzahl zu beachten ist, eine konsequente Unterscheidung zwischen der Dauerfestigkeit = Bezugspunkt für die Berechnung am Abknickpunkt der Zeitfestigkeitslinie und der Grenzspannungsamplitude für N = 00 bei Wöhlerlinien Typ II, wie sie für ungeschweißten Aluminiumwerkstoff und nunmehr auch für austenischen Stahl in Ansatz kommen, - einen einheitlichen Berechnungsgang für den Nachweis der Zeitfestigkeit, der Dauerfestigkeit bzw. der Grenzspannungsamplitude für N = 00 im Fall eines Einstufenkollektivs und für den Nachweis der Betriebsfestigkeit im Fall eines Mehrstufenkollektivs, einschließlich der Berechnung mit einer Äquivalentspannungsamplitude für Wöhlerlinie vom Typ I oder Typ II, - einen überarbeiteten Berechnungsgang nach dem Verfahren Miner konsequent bei Wöhlerlinien vom Typ II, - klar unterschiedene Regeln für die Überlagerung von Spannungskomponenten bei proportionaler Beanspruchung bzw. bei nichtproportionaler Beanspruchung entsprechend den diesbezüglichen Ausführungen im Kap. 5.10, - eine neue Formulierung des Kap. 5.6 zur Anpassung eines Spannungskollektivs an die Bauteil-Wöhlerlinie, - eine neue Formulierung des Kap. 5.11 zur Experimentellen Bestimmung von Bauteil-Festigkeitswerten, - eine inhaltlich und textliche Überarbeitung des Anwendungsbeispiels nach Kap. 6.5 in Entsprechung zu Kap 5.10.