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E-Book

Betriebsfestigkeit mit FEM

schnell verstehen & anwenden

AutorFlorian Mailänder, Stefan Einbock
VerlagBooks on Demand
Erscheinungsjahr2018
Seitenanzahl316 Seiten
ISBN9783752855388
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis35,99 EUR
Die Betriebsfestigkeitsberechnung wird immer häufiger im Anschluss an eine Finiten Elemente Rechnung (FEM) durchgeführt. Häufig muss dabei vom Berechnungsingenieur neben der Finiten Elemente Methode auch das Wissen der Betriebsfestigkeit berufsbegleitend aufgebaut werden. Dabei bleiben oftmals viele Fragen offen, die auch in Fachliteratur nur schwer herauszufinden sind. Z. B. - Wie fein muss das FE-Netz sein? - Welche Elemente sollen verwendet werden? - Wie werte ich einen Spannungsgradienten aus? - Worauf muss ich beim Aufbau und der Auswertung eines Finite Elemente Modells achten? - Wie berechne ich eine Wöhlerlinie für mein Finite Elemente Modell? Die Autoren und Trainer für die Methoden der Betriebsfestigkeit und Finiten Elemente Methode Dr.-Ing. Stefan Einbock und Florian Mailänder fassen deswegen die Grundlagen der Betriebsfestigkeit und auf verständliche Art zusammen und liefert konkrete und direkt anwendbare Methoden für einen selbständig erstellten Betriebsfestigkeitsnachweis auf Basis von Finite Elemente Ergebnissen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Anwendung der Finiten Elemente Methode speziell für Einsteiger. Die Themen werden softwareunabhängig vorgestellt. Um den Inhalt verständlich zu vermitteln, werden zahlreiche Abbildungen verwendet und eine einfache und klare Sprache gewählt. Die Theorie wird um praxisrelevante Übungen ergänzt. Eine einfache Anwendung der Methoden ermöglichen die begleitenden Excel Tools. Zusätzlich werden Erfahrungswerte mitgeliefert, so dass eine Berechnung von Sicherheitsfaktoren ohne Versuche möglich ist. Dieses Buch versetzt Sie dadurch in die Lage: - Sich schnell und einfach in die Betriebsfestigkeit sowie die FEM einzuarbeiten und richtig anzuwenden - Mit Ihren FEM Ergebnissen einen Festigkeitsnachweis durchzuführen - Ihre Bauteile höher auszulasten, indem Sie Festigkeitsnachweise nach dem Stand der Technik führen - Die Methoden mit Hilfe der Excel Tools direkt anzuwenden

Dr.-Ing. Stefan Einbock studierte allgemeinen Maschinenbau an der Hochschule Esslingen und promovierte an der TU Dresden im Bereich der Betriebsfestigkeit. Das theoretische Wissen zur Betriebsfestigkeit, Statistik und Zuverlässigkeit vermittelt er in Kooperation mit dem Verein deutscher Ingenieure (VDI) als erfolgreicher Seminarleiter. Im beruflichen Alltag hat er umfangreiche Erfahrung in der Versuchsplanung und der statistischen Datenanalyse. Außerdem hält er regelmäßig Vorträge an Hochschulen. Um Ingenieuren und Technikern den Einstieg in die Statistik, Betriebsfestigkeit und Zuverlässigkeit zu vermitteln, gründete er die EinbockAKADEMIE (www.einbock-akademie.de). Hier werden Seminare angeboten, ein Blog betrieben und Bücher verkauft. Zusätzlich ist er Autor mehrerer Bücher zur Auslegung von Bauteilen und deren statistischer und experimenteller Absicherung. Bei der Robert Bosch GmbH leitet er im Geschäftsbereich Powertrain Systems das Kompetenzzentrum zur Zuverlässigkeit von Metallen.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Titelseite4
Impressum5
Vorwort6
Danksagung8
Inhaltsverzeichnis9
1. Feedback willkommen15
2. Tipps zur effizienten Einarbeitung in die Betriebsfestigkeit16
3. Grundlagen19
3.1 Motivation19
3.2 Überblick20
3.3 Durchführung eines Festigkeitsnachweises22
3.4 Statistik23
3.4.1 Wichtige Maßzahlen24
3.4.2 Wichtige Begriffe26
3.4.3 Die Normalverteilung27
3.4.4 Die logarithmische Normalverteilung30
3.4.5 Das Wahrscheinlichkeitsnetz33
3.4.6 Auf den Punkt36
3.5 Finite Elemente Methode (FEM)37
3.5.1 Theorie der FEM37
3.5.2 Spannungen mit FEM berechnen44
3.5.2.1 Warum ist das FEM Netz wichtig46
3.5.2.2 Welche Elemente soll man verwenden?46
3.5.2.3 Wann ist die Netzqualität ausreichend für Maximalspannungen?.48
3.5.2.4 Wann ist die Netzqualität ausreichend für Spannungsgradienten?51
3.5.2.5 Welche Werkstoffdaten werden benötigt?56
3.5.2.6 Worauf muss man bei Lastannahmen achten?57
3.5.2.7 Wie werden FEM Ergebnisse plausibilisiert?62
3.5.3 Durchführung einer FE-Rechnung (Beispiel)64
3.5.4 Auf den Punkt FEM72
3.6 Wichtige Formeln74
3.7 Übungen Statistik75
3.8 Übungen FEM76
4. Der statische Nachweis77
4.1 Grundlagen77
4.1.1 Übersicht über den statischen Nachweis78
4.1.2 Assistent des statischen Nachweises79
4.1.3 Werkstoffverhalten80
4.2 Berechnung der Beanspruchungen (Spannungen)83
4.2.1 Linear-elastisches Werkstoffverhalten83
4.2.2 Mehrachsige Beanspruchung86
4.2.3 Elastisch-plastisches Werkstoffverhalten88
4.2.4 Elastisch-plastische Rechnung mit FEM90
4.3 Berechnung der Beanspruchbarkeit (ertragbare Spannungen)94
4.3.1 Werkstoffeinfluss95
4.3.2 Temperatureinfluss95
4.3.3 Kriechen96
4.3.4 Kerbeinfluss99
4.4 Berechnung der Sicherheit (zulässige Spannungen)104
4.5 Auf den Punkt105
4.6 Wichtige Formeln106
4.7 Übungen statischer Nachweis108
5. Der Betriebsfesigkeitsnachweis110
5.1 Grundlagen110
5.1.1 Die Konzepte der Betriebsfestigkeit110
5.1.2 Assistent des Betriebsfestigkeitsnachweises111
5.1.3 Übersicht über den Betriebsfestigkeitsnachweis113
5.1.4 Werkstoffverhalten114
5.1.4.1 Das zyklische Spannungs-Dehnungsdiagramm117
5.1.4.2 Die Wöhlerlinie120
5.1.5 Mehrachsigkeit125
5.1.6 Auf den Punkt127
5.1.7 Wichtige Formeln129
5.1.8 Übungen Werkstoffverhalten131
5.2 Berechnung der Beanspruchungen132
5.2.1 Berechnung elastischer Beanspruchungen (HCF)133
5.2.2 Spannungskomponenten in der FEM134
5.2.3 Berechnung elastisch-plastischer Beanspruchungen (LCF)138
5.2.4 Berechnung von Lastkollektiven143
5.2.4.1 Rainflow Zählung146
5.2.4.2 Kollektivbildung148
5.2.4.3 Extrapolation von Kollektiven149
5.2.5 Auf den Punkt153
5.2.6 Wichtige Formeln154
5.2.7 Übungen Beanspruchungen154
5.3 Beanspruchbarkeit Kerbspannungskonzept (HCF)156
5.3.1 Die Neigung158
5.3.2 Die Knickpunktzyklenzahl159
5.3.3 Die Dauerfestigkeit160
5.3.3.1 Einfluss des Werkstoffes162
5.3.3.2 Einfluss der Mittelspannung164
5.3.3.3 Einfluss der Kerben (Geometrie)170
5.3.3.4 Einfluss von Eigenspannungen177
5.3.3.5 Einfluss der Bauteilgröße178
5.3.3.6 Einfluss der Oberflächenrauhigkeit184
5.3.3.7 Einfluss der Oberflächenverfestigung186
5.3.3.8 Einfluss der Temperatur187
5.3.3.9 Einfluss der Frequenz188
5.3.3.10 Einfluss der Korrosion189
5.3.4 Auf den Punkt190
5.3.5 Wichtige Formeln191
5.3.6 Übungen Beanspruchbarkeit HCF193
5.4 Beanspruchbarkeit Kerbdehnungskonzept (LCF)195
5.4.1 Einfluss Mittelspannungen197
5.4.2 Weitere Bauteileinflüsse198
5.4.3 Auf den Punkt202
5.4.4 Wichtige Formeln203
5.4.5 Übung Beanspruchbarkeit LCF203
5.5 Berechnung der Sicherheit204
5.5.1 Schadensakkumulationshypothese204
5.5.2 Modifikationen der Miner-Regel206
5.5.2.1 Miner-modifiziert nach Haibach208
5.5.2.2 Miner Elementar208
5.5.2.3 Miner Liu-Zenner209
5.5.2.4 Miner-Konsequent210
5.5.2.5 Miner-Relativ211
5.5.3 Lebensdauerlinien212
5.5.4 Berechnung der Sicherheit213
5.5.4.1 Die Sicherheit bezüglich Ausfallwahrscheinlichkeit214
5.5.4.2 Die Sicherheit bezüglich Stichprobenrisiko218
5.5.5 Treffsicherheit der Betriebsfestigkeit220
5.5.6 Auf den Punkt221
5.5.7 Wichtige Formeln222
5.5.8 Übungen Sicherheit223
6. Konstruktionsprinzipien224
6.1 Einfluss des Produktes224
6.2 Schwingbruchsichere Auslegung225
6.3 Ausfallsichere Auslegung226
6.4 Schadenstolerante Auslegung227
6.5 Festigkeitssteigernde Maßnahmen227
6.6 Tipps aus der Praxis230
7. Brauche ich einen Berater?231
8. Richtlinien und Normen232
9. Englische Begriffe233
10. Formelzeichen236
11. Lösungen240
11.1 Lösungen Statistik240
11.2 Lösungen FEM244
11.3 Lösungen statischer Nachweis248
11.4 Lösungen Werkstoffverhalten255
11.5 Lösungen Beanspruchungen259
11.6 Lösungen Beanspruchbarkeit HCF265
11.7 Lösung Beanspruchbarkeit LCF282
11.8 Lösungen Sicherheit285
12. Anhang292
12.1 Formzahlen292
12.1.1 (Hohl-)welle mit Bohrung292
12.1.2 Welle mit Schulter293
12.1.3 Welle mit Umlaufkerbe294
12.1.4 Flachstab mit zweiseitiger Kerbe295
12.1.5 Flachstab mit einseitiger Kerbe296
12.1.6 Platte mit zentrischer Bohrung297
12.1.7 Flachstab mit Schulter298
12.2 Wahrscheinlichkeitsnetze299
12.2.1 Logarithmische Normalverteilung299
12.2.2 Schranken der Normalverteilung300
12.3 Rainflowalgorithmus302
12.4 Überlastfälle Mittelspannungseinfluss304
13. Literaturverzeichnis307
14. Stichwortverzeichnis312

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