DVM-Nachrichten 58

Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V.

DVM-N 58 • Frühjahr 2013

DVM- Nachrichten Mitteilungen für DVM-Mitglieder www.dvm-berlin.de

Der DVM im Gutshaus Steglitz Berlin Wir sind umgezogen! Anfang dieses Jahres ist der DVM in neue Räumlichkeiten im Gutshaus Steglitz umgezogen.

Im Volksmund wird das Haus aufgrund seiner schönen Erscheinung auch „Wrangelschlößchen“ genannt. Direkt am Rathaus Steglitz gelegen, hat es hervorragende Verkehrsanbindungen und auch zwei Hotels befinden sich in direkter Nachbarschaft.

Dem benachbarten „Schloßparktheater“ von Dieter Hallervorden und der zentralen Steglitzer Shoppingmeile „Schloßstraße“ gab das würdige kleine Gutshaus die Namen.

Erbaut wurde es im Stil des preußischen Frühklassizismus um 1800, damals umgeben von einer weitläufigen Landschaftsparkanlage mit angrenzenden Nutzflächen. Zu dieser Zeit war Berlin das intellektuelle Zentrum Deutschlands: „Die Brüder Humboldt, Philosophen wie Schelling Gutshaus Steglitz

Inhalt Vorstellung des DVM-Arbeitskreises „Thermomechanische Ermüdung“ ���������������������������������������������������3 Veranstaltungen des DVM-Arbeitskreises „Bruchvorgänge“ ����������������������������������������� 5 Serie DVM-Ehrungen: DVM-Juniorpreis ����������������������������������������5 DVM-Juniorpreis für Victoria Brinnel ����������������������������������������������5 Workshop des DVM-Arbeitskreises „Zuverlässigkeit mechatronischer und adaptronischer Systeme“ ����������������������6 Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ���������������������������������������������������������7 „Prüfmethodik für Betriebsfestigkeitsversuche in der Fahrzeugindustrie“ - Vorausschau �������������������������������������8 Museumsbericht: Oberharzer Bergwerksmuseum ������������������9 Nachruf: Prof. Dr.-Ing. Erwin Eugen Haibach ��������������������������� 10 DVM-Veranstaltungen / Mitglieder ������������������������������������������� 12

Beilage Betriebsfestigkeitsbewertung von Leichtbauklebeverbindungen Voraussetzungen für die sichere Anwendung dehnungsbasierter Schädigungskriterien in der Druckbehälterauslegung

und Hegel, der Baumeister Schinkel und Künstler wie Schadow und Rauch haben das kulturelle Leben geprägt, …“* Das Gutshaus hat eine wechselvolle Vergangenheit. Es hat große Geschichte und vielfache Nutzung - als Wohnhaus, Hotel- und Restaurationsbetrieb und von 1945-48 als Offiziersclub der US-Militärregierung - erlebt. 1958 wurde es vom Land Berlin erworben und 1989 bis 1995 denkmalgerecht renoviert. Hierbei wurden alle Anbauten zurückgebaut, sodass sich das Gutshaus heute wieder in seinem ursprünglichen Zustand befindet. Seit 1995 nutzt der Bezirk Berlin Steglitz-Zehlendorf das bereits seit 1923 unter Denkmalschutz stehende Gutshaus als Begegnungsstätte. Diese soll, so der damalige Regierende Bürgermeister Eberhard Diepgen anlässlich der Eröffnung, „dem Dialog und der Kommunikation, insbesondere der Kultur, der Wirtschaft und der Politik dienen“.* In den Räumlichkeiten des Erdgeschosses finden Ausstellungen, Veranstaltungen und Konzerte statt. Die Geschäftsstelle freut sich, dass nun kleinere DVM-Sitzungen und Veranstaltungen direkt im Haus mit kurzen Wegen ausgerichtet werden können. Im ersten Stock residieren gemeinnützige Verbände: der Schullandheim-Verband, das Regionalmanagement Berlin Süd-West und nun auch der DVM! Der Bezirksbürgermeisters Steglitz-Zehlendorf, Norbert Kopp, hat jüngst eine Initiative gestartet, die wirtschaftliche

B ericht

DVM-Vorstand- und -Beirat im März 2013 im Gutshaus Steglitz Erste Reihe (v.l.n.r.): H. Fuchs, H. Frenz, M. Brune Zweite Reihe (v.l.n.r.): J. Nuffer, M. Oechsner, B. Seufert, C. Fleck, L. Jung, L. Krüger, E. Roos Dritte Reihe (v.l.n.r.): P. Hübner, H. Hanselka, M. Bacher-Höchst, K. Leers, P. Heuler, K. Mädler, P. Portella, P. P. Klose, V. Treichel (Gast)

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Geist des Hauses und die großzügige regionale Idee einer Stätte für den lebendigen Dialog nutzen und publik machen.

Ein Bauwerk lebt mit seinen Bewohnern. Der DVM ist stolz darauf, hier wirken zu können und sieht sich der großen Tradition des Gutshauses verpflichtet.

Das Gutshaus Steglitz ist zudem nicht weit vom alten Standort bei der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) entfernt. Ein Umzug war erforderlich geworden, da wegen Eigenbedarfs selbst mittelfristig keine ausreichende Raumkapazität in der BAM verfügbar war. Seit 1973 war die DVMGeschäftsstelle auf dem Gelände der BAM angesiedelt und der DVM bedankt sich ausdrücklich sehr herzlich für diese 40-jährige Unterstützung! Über vielfältige fachliche Themen und personelle Funktionen ist die traditionelle Verbindung und enge Zusammenarbeit mit der BAM auch weiterhin garantiert.

Bedeutung „Süd-Berlins“ zu stärken. In diesem Rahmen Susanne Bachofer, MA wurde der Umzug des DVM in das Gutshaus Steglitz ermögDVM-Geschäftsstelle licht und von beiden Seiten sehr begrüßt, da die Aufgaben und Ziele unseres Verbandes per Satzung dieser Initiative voll entsprechen. Der DVM, mit seinem über 100jährigen * Quelle: „Gutshaus Steglitz“ Eine Dokumentation aus Anlass der national und international gemeinnützigen Wirken im tech- Restaurierung, Bezirksamt Steglitz von Berlin, 1995. Auf Anfrage nisch-wissenschaftlichen Aufgabenbereich, wird ab nun den bei der DVM-Geschäftsstelle erhältlich.

Abb. 1: Vernetzung des DVM-Arbeitskreises „Thermomechanische Ermüdung“ innerhalb des DVM

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P rofil

Vorstellung des DVM-Arbeitskreises „Thermomechanische Ermüdung“ Für viele Hochtemperaturbauteile in der Energie-, Motoren- und Anlagentechnik, aber auch bei Werkzeugen zur Materialbearbeitung sowie in Komponenten der Mikro- und Leist ungselektronik sind t her mischmechanische Ermüdungsprozesse versagensbestimmend. Sie entstehen im Wesentlichen durch zyklische Temperaturänderungen in Verbindung mit Temperaturgradienten und / oder äußerem Zwang, der die durch den örtlichen Temperaturverlauf bestimmte lokale thermische Dehnung ganz oder teilweise einschränkt.

Hierdurch wird eine in der Regel niederzyklische Ermüdungsbelastung mit hohen Dehnungsamplituden bei im Lastzyklus variabler Temperatur verursacht. Die Phasenlage zwischen Temperatur und mechanischer Beanspruchung hängt zudem von der Position im Bauteil ab, was die Komplexität der Lastsituation weiter erhöht. So liegen auf der Brennraumseite gekühlter Zylinderköpfe bei hohen Temperaturen Druck- und bei niedrigen Temperaturen Zugspannungen vor, während auf der Kühlwasserseite bei hohen Temperaturen Zug- und bei niedrigen Temperaturen Druckspannungen auftreten.

Wegen dieser komplexen Wechselwirkung von variabler Temperatur und mechanischer Beanspruchung ist eine zuverlässige Auslegung thermomechanisch ermüdungsbeanspruchter Bauteile mit Werkstoffdaten aus isothermen Ermüdungsversuchen häufig nicht oder nur mit erheblichen Unsicherheiten möglich. Daher haben thermischmechanische Ermüdungsversuche in den vergangenen Jahrzehnten sowohl bei der wissenschaftlichen Analyse der auftretenden Verformungs- und Versagensmechanismen als auch für die Bauteilauslegung kontinuierlich an Bedeutung gewonnen. Parallel wurden erhebliche Fortschritte in der FEM-Simulation der zyklischen Spannungs- und Dehnungsfelder in thermomechanisch beanspruchten Bauteilen als auch bei deren Lebensdauerbewertung erzielt.

Die in der Regel niederfrequente thermomechanische Ermüdungsbeanspruchung von Hochtemperaturbauteilen wird häufig durch hochfrequente, rein mechanische Ermüdungsbelastungen überlagert, die z.B. bei Verbrennungsmotoren durch den Zünddruck und die Kolbenbewegung verursacht werden. Da hierbei eine starke Synergie zwischen den durch beide Beanspruchungskomponenten verursachten Werkstoffschädigungen auftreten kann, besteht zunehmendes Interesse an der Analyse des Verformungs- und Versagensverhaltens unter derart überlagerten Belastungen sowie an der Entwicklung entsprechender Lebensdauerkonzepte.

Vor diesem Hintergrund konstituierte sich Anfang 2012 der DVM-Arbeitskreis „Thermomechanische Ermüdung“ und widmet sich seither den folgenden Themenschwerpunkten: • Experimentelle Analyse und wissenschaftliche Durchdringung des Verformungs- und Versagensverhaltens metallischer und keramischer Hochtemperaturwerkstoffe sowie von intermetallischen Verbindungen, Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden bei thermisch-mechanischen Ermüdungsbeanspruchungen • Einf luss überlagerter, höherfrequenter mechanischer Ermüdungsbeanspr uchungen auf das t hermischmechanische Ermüdungsverhalten dieser Werkstoffe • Experimentelle Methoden zur Darstellung bauteilnaher thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchungen - auch mit überlagerter höherfrequenter mechanischer Ermüdung - an Werkstoffproben • Numerische Methoden zur Modellierung und Vorhersage des Wechselverformungs-, Schädigungs- und Lebensdauerverhaltens • Implementierung von Verformungs- und Schädigungsmodellen in FEM - Programme Mit dieser fachlichen Ausrichtung ist der Arbeitskreis mit den übrigen Aktivitäten des DVM intensiv vernetzt (vgl. Abb. 1). Der Arbeitskreis unterstützt Initiativen zu anwendungsnahen Forschungsvorhaben und dient der Vernetzung von Industrie und Forschung sowie der kompetenten Vertretung des Fachgebietes auf nationaler und internationaler Ebene. Der Arbeitskreis richtet sich an Forschungsinstitute, Universitäten, Prüfmaschinenhersteller sowie Industrieunternehmen aus allen Bereichen, in denen thermomechanische Beanspruchungen relevant für die Bauteilauslegung sind.

Die Treffen des Arbeitskreises finden in der Regel jährlich statt. Ab dem Frühjahr 2014 bietet der Arbeitskreis ein ebenfalls jährlich stattfindendes, 2-tägiges Fortbildungsseminar zu grundlegenden Aspekten der thermomechanischen Ermüdung, dem aktuellen Stand der Normung, Simulation und Lebensdauerbewertung sowie Anwendungsbeispielen an.

Prof. Dr.-Ing. Tilmann Beck, Forschungszentrum Jülich Obmann des DVM-Arbeitskreises „Thermomechanische Ermüdung“ Seite 3

Bericht

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Veranstaltungen des DVM-Arbeitskreises „Bruchvorgänge“ Bericht über die Tagung Die diesjährige Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge fand am 19. und 20. Februar 2013 an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) statt. Insgesamt 61 Teilnehmer hatten sich in Berlin eingefunden, um zum Thema „Bruchmechanische Werkstoff- und Bauteilbewertung: Beanspruchungsanalyse, Prüfmethoden und Anwendungen“ zu diskutieren. Beim Vorabendtreffen im Restaurant „Hoppegarten“ konnten dazu bereits erste Kontakte geknüpft werden. Ebenfalls am Vortag fand das DVM-Fortbildungsseminar „Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte“ unter der Leitung von Peter Hübner und Wolfram Baer statt.

Nach der Eröffnung der Tagung am Dienstag durch Obmann Peter Hübner von P. Hübner der Hochschule Mittweida berichtete Peter Langenberg vom IWT Aachen in seinem Hauptvortrag über Zähigkeitsanforderungen an Windenergieanlagen. Im Folgenden wurden zwei interessante RoundRobin-Projekte vorgestellt: Hans-Werner Viehrig vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf stellte die Ergebnisse von Bruchzähigkeitsmessungen an Reaktordruckbehälterstählen von vier Projektteilnehmern gegenüber und Jens Lebahn von der Universität Rostock präsentierte die Ergebnisse eines Benchmarks zur numerischen Bestimmung von Spannungsintensitätsfaktoren in einer Radsatzwelle. Beide Projekte zeigten, dass ein kritisches Überprüfen der eigenen Methoden und Ergebnisse auch und gerade im Austausch mit anderen Arbeitsgruppen von enormer Wichtigkeit ist.

Nach dem Ende der Vorträge am ersten Tag ging es für die Tagungsteilnehmer auf eine interessante und unterhaltsame Stadtrundfahrt durch Berlin mit dem Fokus auf die vier Universitäten. Das anschließende gemeinsame Abendessen im Panoramarestaurant des Berliner Funkturms in 55 m Höhe

bot dann die Gelegenheit für Expertengespräche und persönlichen Erfahrungsaustausch.

Als Schwerpunkte der diesjährigen Tagung kristallisierten sich nach dem zweiten Tag die experimentelle und numerische Ermittlung des Rissschließens, die experimentelle

Tagungsteilnehmer

Ermittlung von Risswiderstandskurven, die Anwendung von schädigungsmechanischen Modellen im Rahmen der Bruchmechanik und die 3D-Risssimulation heraus. Ein sehr interessanter Vortrag beschäftigte sich außerdem mit der bruchmechanischen Charakterisierung von „geHIPten“ SLM-Bauteilen, also aus metallischen Pulverwerkstoffen im 3D-Druck hergestellten und anschließend wärmebehandelten Bauteilen.

Leider fehlten bei der diesjährigen Tagung einige Erfahrungsträger. Dadurch fielen die Diskussion und die kritischen Hinweise oder auch Anregungen von erfahrenen Kollegen, also genau das, was junge Wissenschaftler in ihrer Arbeit voranbringt, an einigen Stellen etwas zu kurz aus.

Den diesjährigen DVM-Juniorpreis erhielt Victoria Brinnel vom Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen. Sie hatte sich mit ihrem ausgezeichneten Vortrag über dehnungsbasierte Schädigungskriterien in der Druckbehälterauslegung knapp gegen ihre sechs Mitbewerber durchgesetzt. Zum Abschluss der Tagung bot sich am Mittwochnachmittag noch für alle Teilnehmer die Gelegenheit, die Prüflabore der BAM zu besichtigen.

Lutz Zybell TU Bergakademie Freiberg, Institut für Mechanik und Fluiddynamik

Bericht über das Fortbildungsseminar Am Vortag zur 45. Tagung des DVM-Arbeitskreises „Bruchvorgänge“ fand am 18.02.2013 in der BAM Berlin das erste DVM-Fortbildungsseminar für Anwender der Bruchmechanik mit dem Rahmenthema „Bruchmechanische Bewertung rissbehafteter Strukturen“ statt. Das diesjährige Schwerpunktthema lautete „Bruchmechanische Kennwerte“.

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22 Teilnehmer aus Industrie und Forschung wurden unter Leitung von Wolfram Baer von der BAM von anerkannten Fachleuten umfassend zum Themenkreis Grundlagen, Definition, Ermittlung, Bauteilübertragbarkeit und Anwendung bruchmechanischer Kennwerte unterrichtet. Nach einer Einführung in die Bruchmechanik wurde ein breites Spektrum der Beanspruchungs-Zeit-Funktion

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Bericht / Serie: DVM-Ehrungen

erfasst. Ergänzt wurde dies durch die Behandlung spezieller Probleme wie dem Einfluss korrosiver Medien. Eine Übersicht über die praktische Anwendung der Kennwerte rundete die Veranstaltung ab. Die Teilnehmer profitierten besonders von den durchgehend anwenderorientierten Vortragsinhalten, vielfachen Bezügen zu Normen und Regelwerken wie auch der Beantwortung ihrer spezifischen Fragen.

Im Gelben Saal der BAM

(quasi-statisch, schlagartig, zyklisch) wie auch der Werkstoffzähigkeit (Hochlage, Übergangsbereich, Tieflage)

Dr.-Ing. Wolfram Baer BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin

DVM-Juniorpreis Der DVM-Juniorpreis wird seit 2011 an Nachwuchswissenschaftler bis zum 30. Lebensjahr vergeben bzw. der Studienabschluss sollte nicht länger als drei Jahre zurückliegen. Er wird an einen Jungwissenschaftler verliehen, der einen herausragenden Vortrag bei einer DVM-Arbeitskreistagung präsentiert. Intendiert ist, dass der Geehrte motiviert wird, in diesem Sinne weiterzuarbeiten.

Der DVM-Juniorpreis soll herrausragende Jungwissenschaftler an den DVM binden. Er ist dotiert mit einem Scheck über EUR 200, einer Urkunde und einer einjährigen DVM-Mitgliedschaft.

Die Juniorpreis-Kommission setzt sich aus dem Obmann und zwei Mitgliedern des jeweiligen Programmausschusses zusammen. Der Juniorpreisträger wird vor der Zusammenfassung am letzten Veranstaltungstag bekannt gegeben.

Die Verleihung wird in der Regel durch den Obmann des Arbeitskreises vorgenommen.

Die bisherigen Preisträger sind: • Dipl.-Ing. Christian Schruff, 2011, AK Bruchvorgänge

Für den herausragenden Vortrag eines jungen Wissenschaftlers im Rahmen der 45. Tagung des DVM-Arbeitskreises Bruchvorgänge verleiht der Deutsche Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. den

• Dipl.-Math. Karsten Hinkelmann, 2011, AK Betriebsfestigkeit • Dipl.-Ing. Britta Schramm, 2012, AK Bruchvorgänge • Dipl.-Ing. Victoria Brinnel, 2013, AK Bruchvorgänge

DVM JUNIORPREIS Der Preis ist mit EUR 200 dotiert und umfasst zusätzlich eine einjährige kostenlose Mitgliedschaft im DVM. Ort, Datum

Der Vorsitzende

DVM-Juniorpreis für Victoria Brinnel Frau Dipl.-Ing. Victoria Brinnel vom Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen erhielt den DVM-Juniorpreis im Rahmen der 45. Tagung des DVM-Arbeitskreises „Bruchvorgänge“ am 20.02.2013 in Berlin für den herausragenden Vortrag zum Thema „Voraussetzungen für die sichere Anwendung dehnungsbasierter Schädigungskriterien in der Druckbehälterauslegung“. Wir gratulieren!

--> Lesen Sie die Kurzfassung dieses DVM-Juniorpreis-Beitrages in der Beilage dieser Ausgabe!

V. Brinnel

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Bericht

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Workshop des DVM-Arbeitskreises „Zuverlässigkeit mechatronischer und adaptronischer Systeme“ Workshop-Bericht Am 27. und 28. Februar 2013 fand in Berlin der erste Workshop des DVM-Arbeitskreises „Zuverlässigkeit mechatronischer und adaptronischer Systeme“ statt. Ziel des Workshops war es, die insgesamt 20 Teilnehmer aus Industrie und Wissenschaft zusammen zu bringen und aktuelle Fragestellungen aus Forschung und Anwendung zu diskutieren.

schlossen sich stets lebhafte Diskussionen an, welche auch während der Pausen und dem kommunikativen Abend im Berliner Funkturm fortgeführt wurden.

Am folgenden Tag trafen sich die Teilnehmer erneut im Logenhaus, um vormittags elektronische Komponenten, deren Materialien und neue Entwicklungen auf dem

DVM-Arbeitskreis „ZmaS“

Gebiet der Prüftechnik, wie beispielweise Stress-Messchips zu diskutieren. Hier zeigte sich, dass es oftmals die kleinen, unscheinbaren Elemente wie z.B. SteckverDer Workshop begann mittags im Logenhaus mit ein- binder sind, denen besonderes Augenmerk geschenkt führenden Worten von Jürgen Nuffer, dem Obmann des werden muss.

Nach einer sehr kommunikativen Mittagspause stand Arbeitskreises. Anschließend stellten die Vortragenden ihre Arbeiten rund um das Thema „komplexe Systeme“ der Nachmittag unter dem Motto: „Aktive Komponenvor, bei denen an verschiedenen Beispielen die Beherr- ten und deren Materialien“. In dieser Session wurden anhand verschiedener Beispiele, vom Bremsbelag für PKW bis zum Piezoaktuator zur Schwingungskontrolle, Methoden und Ansätze zur Reduzierung von Versuchen durch teilweise rechnergestützte mathematische Modelle und Methoden vorgestellt. Die anschließende Diskussionsrunde wurde wieder von allen Teilnehmern sehr intensiv genutzt, um den Bedarf der Industrie mit dem Stand der Forschung und den Möglichkeiten der Wissenschaft abzugleichen.

Die Teilnehmer signalisierten großes Interesse, am nächsten Workshop erneut teilzunehmen. Dieser wird am 18. und 19. Februar 2014 in Freiburg im Breisgau stattfinden.

Logenhaus Berlin

Funkturm Berlin

schung von Unsicherheiten, die Anwendung verschiedener Lastkollektive oder Einf lüsse der Prüf linge auf die Prüfumgebung erörtert wurden. An die Vorträge Seite 6

Dipl.-Ing. David Flaschenträger Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt

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Serie: Vorstellung von DVM-Mitgliedsinstituten

Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF www.lbf.fraunhofer.de Wir schreiben das Jahr 1938: Konrad Zuse stellt seinen Z1 fertig, der sich der Boole’schen Logik bedient und als weltweit erste Rechenmaschine gilt. Im selben Jahr patentiert DuPont den ersten vollsynthetisch hergestellten Kunststoff, nämlich Polyamid 6.6, und nennt dieses Produkt Nylon. Das sind zwei der Wissenschaftsgeschichte entnommene Vorgänge, die sich um einen weiteren ergänzen lassen: die Gr ündung der B au tz -B ergm ann -W er kstoffber atungsgesell schaft als Ausgangspunkt für das L aboratorium für B etr iebsfestigk eit – abgekürzt: LBF – ab 1950 mit seinem Leiter Ernst Gaßner.

Heute ist das LBF in Darmstadt mit seinem Institutsleiter, Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka, und mehr als 500 Mitarbeitern, die in vier Forschungsbereichen arbeiten, eines der größeren Institute der FraunhoferGesellschaft. Seit 75 Jahren »M it S icher heit I nno vat i v « bedeutet auch: Längst werden am LBF sehr erfolgreich die Nachfolger des Z1-Rechners auch für Berechnungen in der Betriebsfestigkeit genutzt und nach der Integration des ehemaligen Deutschen Kunststoffinstituts (DKI) im Sommer 2012 verfügt das LBF über umfangreiche Expertisen im Bereich technischer Kunststoffe – nicht nur solche von DuPont übrigens ...

Ein Blick zurück in die Anfangsjahre des LBF verdeutlicht Kompetenz und Fähigkeit von zwei Persönlichkeiten, die die Betriebsfestigkeit maßgeblich prägten: Ernst Gaßner und Otto Svenson.

Er nst Gaßner besc hr ieb im Rahmen einer »V or un t ersuchung zur B et r iebsfest igk ei t von A chs schenkeln « bereits 1948: „Achsschenkel der Ausführung -1- mit R = 1 bis 2 mm können bei annähernder Richtigkeit des geschätzten Betriebslasten-Kollektivs keine 100.000 Fahrkilometer ohne Anriß bzw. ohne Bruch ertragen. […] Dagegen dürfte auch bei wesentlichen Erhöhungen der angesetzten Betriebslasten die Ausführung -5- mit R = 4,5 mm und gerolltem Übergang ausreichende Betriebsfestigkeit besitzen.“ Vier Jahre später führte Otto Svenson »D ehnungsmes sungen an A chsschenk eln eines LK W« durch und hielt die folgenden Ergebnisse fest: „Dehnungsmesser (elektrische Widerstandsgeber) kleinster Abmessungen […] ermöglichten eine unmittelbare Messung der Achsschenkel-Beanspruchungen im Bereich des Hohlkehlüberganges. […] Die von den Seitenkräften allein herrührenden Biegespannungen überdecken alle im Fahrbetrieb vorkommenden Beanspruchungen. Die größte gemessene Seitenkraft beträgt […] 85 % der ruhenden Radlast des beladenen Fahrzeugs.“

Das LBF beschäftigt sich auch heute noch ausführlich mit der Betriebsfestigkeit von Fahrzeugen, Maschinen und Anlagen und ist ein gefragter Partner für Forschung und Entwicklung bei deutschen und internationalen Unternehmen.

In dieser Form wird die angewandte Forschung zu einem besonders abwechslungsreichen und attraktiven Arbeitsplatz: Theoretisches Fundament, experimentelle Laboruntersuchungen und numerische Simulationen in den Gebäuden des LBF an den Standorten »Kranichstein« und »Schloßgartenstraße« sowie weltweit ansprechbar für Aufgaben in der Betriebsfestigkeit und der A daptronik, in der Welt der Kunststoffe und der Systemzuverlässigkeit.

Künftige Herausforderungen wie z.B. Leichtbau als Entwicklungsziel, resourceneffiziente Konstruktion und Fertigung, aber auch die Vermeidung unerwünschter Schwingungen und gesundheitsbelastender Lärmquellen sowie hohe Zuverlässigkeit und nutzungsangepasste Wartungsintervalle auch bei komplexen Systemen werden von den Wissenschaftlern des LBF unmittelbar adressiert. Speziell die Ergebnisse aus der Forschung werden dabei immer auch auf Fachkonferenzen präsentiert – in diesem Kontext spielt der DVM und dessen Arbeitskreise bzw. Veranstaltungen eine herausragende Rolle: Das LBF ist seit 1999 korporatives Mitglied und der Leiter des Institutes, Prof. Hanselka, ist derzeit auch der stellvertretende Vorsitzende des Vorstands des DVM. Das LBF ist speziell in den Arbeitskreisen B etriebs festigkeit, Zuverl ässigkeit mechatronischer und adaptronischer S ysteme , E lastomerbauteile sowie K unststoffprüfung und B au teildi agnostik engagiert. Letztgenannter AK wird durch Prof. Dr. Matthias Rehahn, Bereichsleiter »Kunststoffe« am LBF, als Obmann begleitet.

R. Heim Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt Seite 7

Museumsbericht

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Zur Vorbereitung des DVM-Workshops

„Prüfmethodik für Betriebsfestigkeitsversuche in der Fahrzeugindustrie“ am 12. und 13. Juni 2013 in Hamburg Das Fachprogramm und die Online-Anmeldung finden Sie unter www.dvm-berlin.de im Bereich „Veranstaltungen“.

Was Sie ansonsten unbedingt wissen müssen über …

Die Hamburger Speicherstadt wertig renovierte Büros, aber noch immer werden auch GeDie Speicherstadt wurde zwischen 1885 und 1925 als mo- würze, Tees, Kakaobohnen, Rohkaffees, Nüsse und vor allem dernes Lagerhausviertel hinter mittelalterlich anmutenden Orientteppiche gelagert …

Fassaden errichtet. So wurde nach langjährigen Verhandlungen der politische Anschluss der Freien Hansestadt Hamburg an das deutsche Kaiserreich von 1871 ermöglicht.

Die ursprüngliche politische und damit zollrechtliche Eigenständigkeit Hamburgs mit hunderten über das Stadtgebiet verteilten Lagerhäusern stand dem im Wege. Mit den neuen Speicherbauten im Freihafenbereich wurde es den Kaufleuten ermöglicht, ihre Waren hier unverzollt zu lagern, zu bearbeiten oder zu verschiffen. Für den Bau der etwa 1,5 Kilometer langen und ca. 500 Meter breiten Speicherstadt wurden zwei malerische Innenstadtquartiere mit Barockvillen und Gängevierteln abgerissen. Innerhalb weniger Jahre entstanden die ersten Bauabschnitte der neuen Stadt der Speicher und Kontore, die bis ins Jahr 2003 zollrechtliches Historischer Speicherboden Hamburg Ausland war und noch immer als „größter zusammenhän- © Nord Event gender Lagerhauskomplex der Welt“ apostrophiert wird.

Barkassen Als Barkasse bezeichnet man in der Marine ursprünglich das größte Ruderboot eines Kriegsschiffes, das zur Beförderung von Personen oder Gütern eingesetzt wurde. In Hamburg wird als „Barkasse“ ein Motorboot mit meist überdachtem Fahrerstand benannt, das als Transportmittel z.B. bei Hafenrundfahrten oder beim Gütertransport sowie zum Schleppen von Schuten verwendet wird. Boote dieses Typs müssen robust und manövrierfähig sein, um im Tide- und Strömungsgewässer des Hamburger Hafens ihren Dienst verrichten zu können. Die heutigen, für Speicherstadt- und Hafenrundfahrten benutzten Barkassen basieren oft auf Schiffstypen, die schon Anfang des 20. Jahrhunderts zum © Barkassenbetrieb Bülow GmbH Transport von Hafen- und Werftarbeitern eingesetzt wurden. … Damals hochmoderne Errungenschaften wie z.B. hydraulisch betriebene Winden oder elektrische Beleuchtung wurden mitsamt den nötigen Kraftwerken und Generatoren in die massive Backsteinkulisse integriert. Der gesamte Gebäudekomplex ruht auf zehntausenden von Eichenpfählen, die in den sandigen Untergrund gerammt wurden. Im Zweiten Weltkrieg wurde die Speicherstadt erheblich beschädigt, durch den Wiederaufbau … aber in ihrer Substanz erhalten.

Die historischen Gebäude der Speicherstadt beherbergen heute hinter ihren trutzigen Mauern zwar zunehmend hochSeite 8

Sind Sie neugierig geworden und möchten Ihr theoretisches Wissen jetzt überprüfen? Dann melden Sie sich schnell zum DVM-Workshop „Prüfmethodik für Betriebsfestigkeitsversuch in der Fahrzeugindustrie“ an unter www.dvm-berlin.de!

Alle Texte mit freundlicher Genehmigung von Barkassenbetrieb Bülow GmbH, Rellerstieg 6, 21079 Hamburg

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Historie

Zur Vorbereitung des DVM-Fortbildungsseminares

„Werkstoff- und Bauteilprüfung“ am 18. und 19. Juni 2013 in Clausthal-Zellerfeld Das Fachprogramm und die Online-Anmeldung finden Sie unter www.dvm-berlin.de im Bereich „Veranstaltungen“.

Was Sie ansonsten unbedingt wissen müssen über …

Das Oberharzer Bergwerksmuseum Clausthal-Zellerfeld Museum für Technik- und Kulturgeschichte

Foto: Reinhard Roseneck

Der Oberharz zählt heute zu den bedeutendsten historischen Kulturlandschaften in Europa. Schon vor 3000 Jahren waren die reichen Silbervorkommen bekannt. Als Anfang des 16.

Jahrhunderts die Landesherren Bergleute aus anderen Revieren anwarben, entstanden die Berg(bau)städte Clausthal und Zellerfeld, die 1924 vereinigt wurden.

Das Oberharzer Bergwerksmuseum in Clausthal-Zellerfeld Ab 1930 wurden originale Anlagen und Gebäude in das Freigelände und in das Schaubergwerk transloziert: Es endstand das erste Freilichtmuseum für Technikgeschichte in Europa. Heute dokumentieren die Anlagen, High Tech des 18. und 19. Jahrhunderts, wofür die Oberharzer Wasserwirtschaft angelegt wurde. Als UNESCO-Welterbe InfoPoint ist dieses Museum einer der zentralen Anlaufpunkte im Welterbe.

Das Oberharzer Bergwerksmuseum Bereits 1892 gegründet verfügt das älteste Technikmuseum Deutschlands über die umfassendste Sammlung zur Technikund Kulturgeschichte der Region. Ab 1930 wurde das Museum dann beträchtlich erweitert: es entstand das Freigelände und das Besucherbergwerk.

Doch Geschichte hat nicht im Museum stattgefunden. Daher ist es auch das Ziel des Oberharzer Bergwerksmuseum, die Sachzeugnisse der Kulturlandschaft in sein Vermittlungskonzept einzubinden. Ehemalige Schachtanlagen wurden zu Außenstellen des Museums ausgebaut und bieten spannende Einblicke in die Geschichte an authentischen Orten. Zu den übertägigen Anlagen des UNESCO-Welterbes OttiliaeSchacht mit dem ältesten erhaltenen eisernen Fördergerüst Europas gelangt man mit einer Schmalspurbahn, der „Tagesförderbahn“, die am Alten Bahnhof startet. Das UNESCOWelterbe Rosenhöfer Radstube steckt wie ein mächtiger runder Turm in der Erde. Über eine Stahltreppe gelangt man in die Tiefe von 24 Metern, die sieben Stockwerken eines Wohnhauses entspricht. Ganz unten auf der Sohle stand einst das Wasserrad, das die Förderanlagen der Grube „Thurm Rosenhof“ antrieb, ein „Kehrrad“ mit einem Durchmesser von 8 Metern.

Und natürlich ist es die Landschaft selbst, in der Kultur und Natur eine einzigartige Symbiose eingehen, die es zu vermitteln gilt. Die 65 Teiche, die heute den Reiz der Landschaft des Oberharzes ausmachen, wurden zur Versorgung der Bergwerke mit regenerativer Energie angelegt. Einst waren es über 140 Teiche, deren Wasser über künstlich angelegte Gräben den Wasserrädern, den damaligen Motoren der Bergwerke, zugeleitet wurde. Spannende Entdeckungstouren, über und unter Tage, geleitet von erfahrenen Welterbe-Guides können im Oberharzer Bergwerksmuseum gebucht werden.

Dem innovativen Ansatz seiner Gründungsväter verpflichtet, wurde zudem ein elektronisches Outdoor-Führungssystem entwickelt, um diese einzigartige Kulturlandschaft zu erschließen. e.guide EMIL ist der ideale Begleiter, die Spuren in der Landschaft zu finden und die Zusammenhänge zwischen dem Bergbau und seiner Energieversorgung, dem UNESCO-Welterbe Oberharzer Wasserwirtschaft, zu entdecken. Spannend und unterhaltsam und: e.guide EMIL ist kinderleicht zu bedienen.

Im Laufe der Jahrhunderte entwickelte sich der Oberharz zu einem der bedeutendsten Bergbaureviere in Europa. Erfindungen wie das Drahtseil, 1834 nach der systematischen Materialprüfung der Förderketten – der ersten dynamischen Materialprüfung weltweit – in Clausthal entwickelt, gingen von hier aus in die Welt. Das Energieversorgungssystem dieses Reviers, die Oberharzer Wasserwirtschaft, wurde als größtes und bedeutendes präindustrielles Energieversorgungssystem in die Liste des UNESCO-Welterbes aufgenommen.

Im Oberharzer Bergwerksmuseum und seinen Außenstellen erfahren Sie, welcher Erfindungsreichtum aber auch welche Mühen notwendig waren, ehe die wertvollen Silbertaler in den Kassen der Herzöge klingen konnten.

Es ist die Geschichte einer Region, deren nahezu ausschließliche Lebensgrundlage der Bergbau auf silberhaltige Erze Dipl.-Ing. Wilhelm Marbach www.OberharzerBergwerksmuseum.de darstellte.

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Nachruf

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Prof. Dr.-Ing. Erwin Eugen Haibach Herr Professor Dr.-Ing. Erwin Eugen Haibach, langjähriges Mitglied der Institutsleitung am Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit (LBF) Darmstadt, und anschließender Leiter der Seilprüfstelle und des Institutes für Fördertechnik und Werkstoffkunde in Bochum, verstarb am 02.02.2013 im Alter von 80 Jahren.

Mit der Familie trauern insbesondere zahlreiche Hochschullehrer um einen sympathischen Wissenschaftler, der sich in Forschung und Lehre große Verdienste erworben hat.

Als langjähriger Weggefährte von Erwin Haibach möchte ich eine zusammenfassende Würdigung seiner wissenschaftlichen Leistungen auf dem Gebiet der Betriebsfestigkeit vornehmen, das er bei Professor Ernst Gaßner, dem Begründer dieser Fachrichtung, kennengelernt und in seiner späteren Weiterentwicklung maßgebend beeinflusst hat.

Unter Betriebsfestigkeit wird ein Bauteildimensionierungskonzept für regellos ablaufende, zufallsartige E. Haibach, 1990 Schwingbeanspruchungen verstanden, bei dem die experimentellen oder rechnerischen Verfahren zur Lebensdauerbestimmung von Bauteilen von werkstofflichen, fertigungstechnischen und konstruktiven Faktoren sowie deren Zusammenwirken entscheidend beeinflusst werden.

Zu Beginn seiner wissenschaftlichen Tätigkeit im Laboratorium für Betriebsfestigkeit in Darmstadt hat sich Erwin Haibach zunächst mit Dauer- und Betriebsfestigkeitsproblemen von Schweißverbindungen befasst, die im Jahre 1968 in seiner Dissertation „Die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen aus der Sicht einer örtlichen Beanspruchungsmessung“ veröffentlicht wurden. Die Schweißverbindung ist für die Schwingfestigkeitsforschung deshalb von besonderem Interesse, da neben konstruktiv bedingter Kerbwirkung, der Gusszustand der Schweißnaht und vor allem die Eigenspannungsverteilung im gesamten Schweißnahtbereich für die Ermüdungseigenschaften von großem Einfluss sind.

Bedingt durch die engen persönlichen Kontakte zwischen der Leitung am LBF und dem Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt in den fünfziger und sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts, wurde auch der persönliche Kontakt zwischen Erwin Haibach und mir erheblich vertieft, zumal wir uns seit dem Schulbesuch am Limburger Gymnasium und seiner am Institut für Werkstoffkunde durchgeführten Diplomarbeit bereits näher kannten. Weitere Kontakte ergaben sich aus der beachtlichen Vortragstätigkeit von Erwin Haibach bei den Jahrestagungen des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI), des Deutschen Verbandes für MaterialforSeite 10

schung und -prüfung (DVM) und des Deutschen Verbandes für Schweißtechnik (DVS).

Die Vortragsaktivitäten wurden auch während seiner Institutsleitungsfunktion des LBF von 1973 – 1981 sowie während der anschließend wahrgenommenen Leitung der Seilprüfstelle und des Institutes für Fördertechnik und Werkstoff kunde in Bochum von 1981 – 1992 zum Nutzen für die Fachwelt in beachtlicher Intensität fortgesetzt.

Die zweifelsohne bedeutendste wissenschaftliche Leistung von Erwin Haibach stellt die Buchveröffentlichung „Betriebsfestigkeit - Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung“ dar, welche in 1.

Auf lage im Jahre 1989 und in 3. Auflage im Jahre 2006 erschienen ist.

Neben einer jeweils aktualisierten Darstellung des Kenntnisstandes über die verschiedenen Berechnungsverfahren nach dem Nennspannungs-Konzept, Kerbg r u nd-Konzept u nd dem Bruchmechanik-Konzept bietet dieses Buch für einen g l e i c h e r m a ß e n a n F o rschungsgrundlagen und ingenieurmäßigen, praktischen Anwendungen interessierten Leserkreis eine Fülle von Informationen. Insbesondere die in Abschnitt 4 „Praktische Umsetzung des Betriebsfestigkeits-Konzeptes“ zusammengestellte Vorgehensweise im Betriebsfestigkeits-Nachweis bietet für Maschinenbauingenieure nahezu aller Sparten sowie für den Konstruktiven Ingenieurbau eine hervorragende, anwenderfreundliche Information. Auch die in verschiedenen Kapiteln angefügte Kritik der experimentellen und rechnerischen Methoden der Betriebsfestigkeit bietet für die gesamte Schwingfestigkeitsforschung wichtige Anregungen für noch klärungsbedürftige Teilprobleme.

Im Zeitraum zwischen 1983 – 1996 wurde von Erwin Haibach im Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt der Lehrauftrag „Betriebsfestigkeit – Bemessung von Bauteilen bei schwingender Betriebsbeanspruchung“ wahrgenommen. Seine Vorlesung hat bei den Studenten, auch aus anderen Fachbereichen, große Anerkennung gefunden. Vor allem für die Erfordernisse einer neuzeitlichen Konstruktionsmethodik passte die auf Bauteile bezogene Lehre der Betriebsfestigkeit in hervorragender Weise in das gesamte Ausbildungskonzept des „Allgemeinen Maschinenbaus“.

Aufgrund seiner hohen wissenschaftlichen Fachkompetenz und seinen hervorragenden didaktischen Fähigkeiten wurde Erwin Haibach im Jahre 1986 zum Honorarprofessor der TU Darmstadt berufen.

Auch als Fachgutachter und Mitglied in technischen Fachausschüssen hat sich Erwin Haibach für die wissenschaft-

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Nachruf

liche Community große Verdienste erworben. Über viele Jahre war er als Fachgutachter der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) in der Gutachtergruppe „Konstruktion“ erfolgreich tätig.

Seine langjährige Tätigkeit als Obmann für die Erarbeitung einer vom Forschungskuratorium Maschinenbau herausgegebenen Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ soll hier besonders erwähnt werden. Um diese Richtlinie den jeweils neuen Erkenntnissen anzupassen, hat Erwin Haibach auch während vieler Jahre seiner Ruhestandszeit bis zur 5. Auflage maßgebend mitgewirkt.

In der Zeit von 1974 – 1984 war Erwin Haibach erster Obmann des vom Deutschen Verband für Materialforschung

und –prüfung gegründeten Arbeitskreises „Betriebsfestigkeit“. In Anerkennung seiner besonderen wissenschaftlichen Verdienste hat ihn der DVM im Jahre 1990 mit der „Erich-Siebel-Gedenkmünze“ ausgezeichnet.

Mit der Familie trauern viele Fachkollegen und Freunde um einen verdienstvollen Forscher, Wissenschaftler, Hochschullehrer und sympathischen Menschen, dessen Format insbesondere durch seine zahlreichen Publikationen noch über eine lange Zeitspanne nachwirken wird.

em. Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Kloos Seeheim-Jugenheim

Der Kontakt!

Die Verbindung zum Material.

Strukturintegrität

Festigkeit

Werkstoffe

Lebensdauer

Bauteile

Systeme

Tagungen • Workshop • Seminare • Publikationen Deutscher Verband für Materialfroschung und -prüfung e.V. Gutshaus, Schloßstraße 48, 12165 Berlin Tel. +49 (0)30811 30 66, Fax +49 (0)30 811 93 59, office@dvm-berlin.de

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Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V.

Beilage

Betriebsfestigkeitsbewertung von Leichtbauklebeverbindungen Herausforderungen bei Faserverbund- und Hybridbauteilen (Kurzfassung; Vollversion im DVM-Berichtsband 139, 2012, S. 57 - 73)

Einleitung Der Einsatz von CFK im Karosseriebau erfordert maßgeschneiderte Methoden zur Betriebsfestigkeitsbewertung u.a von Klebeverbindungen aus CFK-Schalen und konventionellen Stahlbauteilen. Diese Hybrid-Klebeverbindungen stehen im Fokus eines laufenden Methodenbefähigungsprojektes, welches das Ziel verfolgt, die Lebensdauer dieser Verbindungen rechnerisch zuverlässig bewerten zu können.

Lebensdauerberechnung von hybriden CFK-Klebeverbindungen In den vergangenen Jahren wurde eine Reihe von Konzepten zur Lebensdauerberechnung von Stahlklebeverbindungen entwickelt [1]. Allen dort dargestellten Konzepten ist gemein, dass diese nur für Kohäsivversagen zutreffend sind und weitere relevante Einflussgrößen auf die Klebeverbindungen, wie Temperatur, Alterung, Frequenz bisher nicht bewertet werden können.

Die für metallische Verbindungen entwickelten Methoden sind nicht ohne weiteres auf CFK-Verbindungen anwendbar.

Bedingt durch die geringe Festigkeit der Harzmatrix kommt es häufig nicht zum Kohäsivbruch des Klebers, sondern zum Grenzschichtbruch.

Im Rahmen eines Projekts von BMW und IABG wird eine Methode für die rechnerische Betriebsfestigkeitsbewertung von hybriden Klebeverbindungen CFK/Stahl entwickelt.

Da das Versagen einer Klebeverbindung meist an den Stellen mit hohen lokalen Spannungen beginnt, wird primär an einem lokalen Spannungskonzept gearbeitet. Die lokale Beanspruchbarkeit wird aus Materialmodellen abgeleitet, welche aus Probenversuchen entwickelt werden. Die Modelle sollen sowohl Fertigungs-, Umgebungs- wie auch Betriebslasteinflüsse berücksichtigen. Die Bewertung der lokalen Bauteilschädigung soll über Akkumulationshypothesen erfolgen.

Begonnen wurde mit quasistatischen und zyklischen Versuchen an KS2-Proben [2] CFK/Stahl mit der Klebeschichtdicke

von 1,5 mm. Ein Vergleich der rechnerischen Ergebnisse mit den Messungen zeigt, dass das Modell die Steifigkeit der Probe bis zu den ersten Schädigungen mit linearem Ansatz gut beschreibt.

Die Schwingversuche zeigen, dass die Abschlagsfaktoren von quasistatischer und fiktiver Dauerfestigkeit unabhängig von der Belastungsrichtung sind. Diese Tatsache könnte als Abschätzung der Schwingfestigkeit hybrider CFK/Stahl-Klebeverbindungen auf Basis quasistatischer Festigkeit dienen.

Allerdings sind zur Absicherung weitere Versuche erforderlich.

Der Beanspruchungszustand in der Klebschicht der Probe lässt sich mit Hilfe von FE Rechnungen analysieren. Bei Auftragung der v. Mises-Vergleichsspannung erkennt man in der Klebschicht einen hohen Spannungsgradienten zum Kleberrand. Dies spiegelt sich auch in den Versuchen wider, bei denen das Versagen in der CFK Schicht am Kleberrand beginnt. Zukünftig werden unterschiedliche Vergleichsspannungshypothesen untersucht. Da bei den Versuchen nicht nur Kohäsivversagen festgestellt werden kann, sind die aus der Literatur bekannten Vergleichsspannungshypothesen nicht ohne weiteres anwendbar.

Fazit Der aktuellen Stand eines Projektes zur Entwicklung einer rechnerischen Betriebsfestigkeitsbewertungsmethode für Hybrid-Klebeverbindungen wurde dargestellt. Dabei wurden unterschiedliche mögliche Rechenkonzepte diskutiert und erste Schwingfestigkeitsversuchsergebnisse vorgestellt.

In weiterer Folge wird an einer Vergleichsspannungshypothese gearbeitet, welche den Einfluss der Beanspruchungsart bzw. –richtung korrekt beschreibt. Auf der Beanspruchbarkeitsseite werden umfangreiche Schwingfestigkeitsversuche durchgeführt, um folgende Einflüsse zu beschreiben: Dicke der Klebeschicht, Luftfeuchte, Fertigungsdefekte, Klebeschichtgeometrie, Alterung, Kriechen.

Es werden Materialmodelle abgeleitet, welche gemeinsam mit der Vergleichsspannungshypothese zu einem rechnerischen Betriebsfestigkeitsbewertungskonzept zusammen geführt werden.

H. Oppermann*, M. Metschkoll*, I. Becker**, J. Fröschl** *) BMW Group, München, **) IABG mbH, Ottobrunn

Statische Festigkeit vs. Fiktive Dauerfestigkeit geklebter CFK/StahlProben bei unterschiedlichen Belastungsverhältnissen

Literatur [1] Brede, M. et al.

Schwingfestigkeitsauslegung von geklebten Stahlbauteilen des Fahrzeugbaus unter Belastung mit variablen Amplituden. Abschlussbericht Forschungsvorhaben P 796 der FOSTA-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, 2012 [2] Xu, P et al.

Bewertung und Vereinheitlichung von gefügten Dünnblechproben für Schwingversuche im Zeitfestigkeitsbereich, FAT-Schriftenreihe Nr. 169, Frankfurt, 2002

Beilage

Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V.

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Voraussetzungen für die sichere Anwendung dehnungsbasierter Schädigungskriterien in der Druckbehälterauslegung (gekürzte Version des DVM-Juniorpreis-gekrönten Beitrages (s.S.5); Vollversion im DVM-Berichtsband 245, 2013, S. 207 – 217)

Einleitung Viele hochfeste Stahlsorten werden in der Praxis kaum eingesetzt, da verschiedene Auslegungsregeln des Stahlbaus ihre Anwendung behindern. Ein Beispiel ist der Druckbehälterbau mit den zugehörigen Vorschriften der DIN EN 13445. Hochfeste Druckbehälterstähle zeichnen sich oft durch ein hohes Streckgrenzenverhältnis aus und müssen daher laut Norm im Festigkeitsnachweis höheren Sicherheitsfaktoren unterworfen werden. Ein Einsatz dieser vergleichsweise teuren Stähle wird somit unökonomisch. In bisherigen Forschungsarbeiten wurde daher ein Ansatz entwickelt, mit dem die Berstversuche durch Simulationen ersetzt werden können. Dabei beschreibt das Werkstoffmodell untere Schranken für die Rissinitiierung, um das tatsächliche Versagensverhalten der hochfesten Stähle zu berücksichtigen. Um eine hohe Akzeptanz für die Umsetzung in der Normgebung zu erreichen, bezieht sich das entwickelte Verfahren dabei auf nominale Mindestwerte für die Kerbschlagarbeit, die in den entsprechenden Werkstoffnormen vorgeschrieben sind.

Eine zuverlässige und sichere Anwendung dieses Modells ist daher nur möglich, wenn der Einfluss der GTN-Parameterwahl auf die resultierende Schädigungskurve bekannt ist. Deshalb wird eine numerische Parameterstudie an einem GTN-Parametersatz für den Stahl P500Q durchgeführt. Ausgehend von den Referenzparametern werden einzelne Parameter variiert, um den Einfluss auf die Schädigungskurve darzustellen.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Initialporengehalt f0 starken Einfluss auf den Verlauf der Schädigungskurve hat. Der Parameter kann für viele Materialien eindeutig in metallographischen Analysen definiert werden, etwa als Anteil der nichtmetallischen Einschlüsse. Daher ist eine Verwendung als Leitparameter zur Skalierung der unteren Schädigungskurve sinnvoll. Der mikromechanisch motivierte Grundgedanke ist hierbei, dass Stähle schlechterer Qualität auch oft einen deutlich erhöhten Einschlussgehalt aufweisen.

Der Parameter f N hat einen im Vergleich zu f0 verringerten Einfluss und interagiert mit den Nukleationsparametern εN und SN. Letztere haben in einem realistisch gewählten Rahmen von f N nur einen sehr geringen Einfluss. Die kritischen Porenparameter fc und κ haben starken Einfluss auf die dissipierte Energie. Dies muss bei der experimentellen Kalibration dieser Parameter, die an Bruchmechanikproben und Kerbschlagbiegeversuchen erfolgt, beachtet werden und ist auch für die Ableitung der nominalen Schädigungskurve wichtig. Die Parameter q1 und q2 haben massiven Einfluss auf den Verlauf der Schädigungskurve. Hinsichtlich der Akzeptanz der Methodik und der Verlässlichkeit der Ergebnisse empfiehlt es sich in diesem Fall daher, die Standardwerte der Literatur beizubehalten, da sich das Schädigungsverhalten typischer Druckbehälterstähle mit dieser Parameterwahl gut wiedergeben lässt.

Die Definition eines standardisierten Kalibrationsschemas ist Voraussetzung zur sicheren Anwendung des Konzepts und wird zurzeit durchgeführt. Leitgedanke ist dabei der mikromechanische Hintergrund des GTN-Modells. Ein solches Schema kann auch auf andere Anwendungsbereiche übertragen werden und helfen, die Akzeptanz und Verbreitung von schädigungsmechanischen Modellen und ihre Anwendung in regulierten Bereichen wie dem Druckbehälterbau zu fördern.

Konzept zur Ableitung schädigungsmechanisch basierter Sicherheitsfaktoren Große Bauteile können mit einfachen Kriterien wie der Schädigungskurve nach Johnson und Cook effektiv berechnet werden.

Diese beschreibt die charakteristische Dehnung bei Rissinitiierung in Abhängigkeit der Spannungsmehrachsigkeit. Die Schädigungskurve eines Materials kann experimentell oder durch Zellmodellrechnungen mit dem GTN-Modell bestimmt werden. Darauf beruht die entwickelte Methodik, die aus folgenden Schritten besteht: • Kalibrierung und Validierung passender GTN-Modellparameter für einen Werkstoff an gekerbten Rundzugproben, Bruchmechanikproben und Kerbschlagbiegeversuchen (KSBV), • Kalibrierung eines nominalen Parametersatzes durch Modifikation der GTN-Parameter mit dem Ziel einer Übereinstimmung von simulierter Kerbschlagarbeit und Nominalforderung der Norm, • Ableitung einer unteren Schädigungskurve des Werkstoffs als Grenzkriterium der Rissinitiierung anhand von Einheitszellsimulationen mit dem nominalen GTN-Parametersatz, V. Brinnel*, S. Schaffrath**, S. Münstermann*, D. Schäfer **, M. • Anwendung der abgeleiteten Schädigungskurven in BerstFeldmann**, W. Bleck* simulationen von relevanten Druckbehältern und ihren *) Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen University, Aachen Konstruktionsdetails. **) Lehrstuhl für Stahlbau, RWTH Aachen University, Aachen

Einfluss der GTN-Parameterauswahl Die Wahl der Parameter des GTN-Modells ist nicht eindeutig.