FKM-Richtlinie

Die FKM-Richtlinie ist eine vom Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) herausgegebene Richtlinie für rechnerische Festigkeitsnachweise für Maschinenbauteile.

Geschichte

Die FKM-Richtlinie ^[1] entstand im Arbeitskreis Bauteilfestigkeit mit der Förderung durch das Forschungskuratorium Maschinenbau und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" unter Federführung der IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH. Sie wurde 1994 erstmals ausgegeben. Die aktuelle 5. Ausgabe erschien 2003. Eine weitere Ausgabe ist in Arbeit. Die Richtlinie wird stets in Buchform vom VDMA-Verlag herausgegeben.

Die Richtlinie wurde auf der Grundlage ehemaliger TGL-Standards, der früheren Richtlinie VDI 2226, Regelungen der DIN 18800, der IIW-Empfehlungen und des Eurocode 3 erarbeitet und auf den neuesten Erkenntnisstand weiterentwickelt.

Anwendungsbereich

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-, Zeit- 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.

Die Richtlinie ist ein für alle Anwendungsfälle einheitlich strukturierter Berechnungsalgorithmus, bestehend aus Anweisungen, Formeln, Tabellen und Abbildungen. Textliche Erklärungen erfolgen, wenn sie zur sicheren Anwendung erforderlich erscheinen. Der Berechnungsablauf wird zur besseren Verständlichkeit durch Beispiele ergänzt.

Seit der 4. Ausgabe 2002 ist der rechnerische Festigkeitsnachweis unter Vorbehalt auch für Bauteile aus Aluminium-Werkstoffen möglich. Unter Vorbehalt, weil die vorliegenden Ergebnisse großen Streuungen unterlagen oder nicht ausführlich genug untersucht wurden.

Die FKM-Richtlinie ist in 2 Büchern untergebracht. Das erste Buch "Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile" behandelt den statischen Festigkeitsnachweis und den Ermüdungsfestigkeitsnachweis. Das zweite Buch "Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis" befasst sich mit Bauteilen, bei denen während der Herstellung Fehler (z.B. Einzelrisse) festgestellt wurden und diese hinsichtlich Festigkeit nachgewiesen werden müssen.

Konzepte

Farbdarstellung des zyklischen Auslastungsgrades

Der Anwender hat die Wahl zwischen Nennspannungskonzept und örtlichem Spannungskonzept. Bei beiden Konzepten ist ein statischer Festigkeitsnachweis und ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis zu erstellen. In den Nachweisen wird ein statischer Auslastungsgrad und ein sogenannter zyklischer Auslastungsgrad ermittelt. Beide müssen kleiner 1 sein.

Es kommt durchaus vor, dass Bauteile einen statischen Auslastungsgrad kleiner 1 haben, aber einen zyklischen Auslastungsgrad größer 1, oder umgekehrt. In beiden Fällen wäre der Festigkeitsnachweis nicht erbracht. Ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis setzt stets den statischen Festigkeitsnachweis voraus.

Linienschweißnähte werden am Nahtübergangsquerschnitt sowie an der Schweißnahtwurzel nachgewiesen und werden ebenfalls mit einem statischen und einem zyklischen Auslastungsgrad beurteilt.

Einflussgrößen

• Spannungen mit zugehörigen Mittelwerten, Amplituden und Kollektivformen
• Werkstoff-Festigkeitskennwerte unter Beachtung des technologischen Größenfaktors und Temperaturen
• Konstruktionskennwerte, ermittelt aus plastischen Stützzahlen, Kerbwirkungszahlen, Rauheits- und Randschichtfaktoren
• Sicherheitsfaktoren
• Anisotropiefaktor
• Eigenspannungsfaktor bei Schweißnähten

Rechenprogramme

Wie oben erwähnt, ist die FKM-Richtlinie ein strukturierter Berechnungsalgorithmus, weswegen sich die Implementierung in einem Rechenprogramm anbietet.^[2][3][4] Eine erweiterte Möglichkeit ist die Koppelung mit Finite-Elemente-Programmen. Dabei wird die aufwändige Ermittlung der Spannungen und Spannungsgradienten durch das Rechenprogramm erledigt und es können Konturplots der Auslastungsgrade für komplette Baugruppen generiert werden.

Weblinks

• Forschungskuratorium Maschinenbau
• IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH Dresden

Einzelnachweise

1. ↑ Forschungskuratorium Maschinenbau: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, 5. erweiterte Ausgabe. VDMA-Verlag, 2003, ISBN 3-8163-0479-6.
2. ↑ Durability Inspector, Beispiel für Festigkeitsnachweis gekoppelt mit FEM Abgerufen am 29. Juni 2011.
3. ↑ S-Life - Software für den FKM Festigkeitsnachweis aus FEM-Ergebnissen Abgerufen am 29. Juni 2011.
4. ↑ winLIFE - Software für den FKM Festigkeitsnachweis mit und ohne FEM-Ergebnissen Abgerufen am 29. Juni 2011.