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Die betriebsfeste Auslegung von Hochdruckbauteilen ist technisch-wirtschaftlich notwendig. In dieser Arbeit werden die wissenschaftlichen Grundlagen dafür erarbeitet. Die technische Entwicklung der Hochdruckbauteile führt insbesondere bei Dieselmotoren zu stetig steigenden Drücken und damit zu einer wachsenden Herausforderung bei der Festigkeitsauslegung. Bei Hochdruckbauteilen sind die Möglichkeiten der Schwingfestigkeitssteigerung, z. B. durch Wanddickenvergrößerung oder durch den Einsatz höherfester Werkstoffe, begrenzt. Eine breite industrielle Anwendung findet derzeit die Autofrettage. Bei diesem Verfahren erzeugt eine einmalige statische Überlast tief in das Bauteil reichende Druckeigenspannungsfelder, die zu einer erheblichen Schwingfestigkeitssteigerung, insbesondere in der Rissfortschrittsphase, führen. Zuverlässige Lebensdauervorhersageverfahren für diese Phase existieren derzeit nicht. Sie werden in der vorliegenden Arbeit entwickelt und anhand experimenteller Ergebnisse verifiziert. Für das Berechnungsverfahren fand ein ingenieurmäßiger Ansatz Verwendung. Darin sollten zwar alle relevanten Effekte abgebildet werden, jedoch Komplexität und Modellierungsaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen. Sie umfassen die Berechnung der Autofrettageeigenspannungen, der Spannungsintensität, des Rissöffnungs- und Rissschließverhalten und des Rissfortschrittes. Das Modul Eigenspannungsberechnung für die Autofrettage basiert auf der Superposition von Autofrettagebe- und -entlastung und ermöglicht die notwendige Berücksichtung des Bauschinger-Effektes. Spannungsintensitäten werden mit einer 3D-Gewichtsfunktion für einen ebenen Riss unter Mode I Beanspruchung ermittelt, weil aufgrund der Symmetrie der meisten Hochdruckbauteile das stabile Langrisswachstum ausschließlich unter Mode I Beanspruchung stattfindet. Die Rissöffnungs- und -schließeffekte werden über Näherungsformeln abgebildet. In der Anwendung dieser Näherungsformeln hat sich die Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. durch den Vergleich mit von rechnerischen mit experimentellen Lebensdaueren als am Besten geeignet erwiesen. Bei dem untersuchten Werkstoff 42CrMo4 spielen die Reihenfolgeeffekte eine untergeordnete Bedeutung und werden deshlab nicht modelliert. Für die Rissfortschrittsbeziehung konnte auf die Formulierung der Paris-Erdogan Beziehung für effektive Schwingweiten zurückgegriffen werden. Die gewählten Berechnungsmodule sind nach erfolgter Analyse der Literatur entnommen, aber in dieser Zusammenstellung ein neuer Ansatz. Da die Einzelmodule nur in geringem Umfang zu verifizieren sind, kann das Berechnungsverfahren nur in seiner Gesamtheit durch den Vergleich von experimentellen zu vorhergesagten Lebensdauern und Dauerfestigkeiten überprüft werden. In verschiedenen Sensitivitätsanalysen konnten für die Berechnungsparameter Rissöffnungsbeziehung, Anfangsrisslänge, Bruchzähigkeit, Rissfortschrittsgleichung und Schwellwert der Spannungsintensität der Einfluss auf die berechnete Rissfortschrittslebensdauer und -dauerfestigkeit aufgezeigt werden. So hat der Schwellwert der Spannungsintensität einen geringen Einfluss auf die Vorhersage der Rissstillstandsdauerfestigkeit autofrettierter Kreuzbohrungen, weil der Rissöffnungsdruck sehr nahe am Maximaldruck ist. Eine andere Sensitivitätsanalyse zeigt beispielsweise, dass sich die längsten Rissfortschrittslebensdauern bei Verwendung der Rissöffnungsbeziehung nach Ibrahim et. al. ergeben, weil diese Beziehung die größten Rissöffnungsdrücke vorhersagt. Für die Verifikation des Berechnungsverfahrens sind Innendruckschwellversuche an insgesamt 14 Versuchsreihen mit Kreuzbohrungen durchgeführt worden. Die allgemeine Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens konnte durch die Anwendung auf Kreuzbohrungen aus den Forschungsvorhaben Autofrettage I-III, auf Railstücke und auf Hochdruckverteilerleisten nachgewiesen werden. Auch hier stützt sich die Verifikation auf umfangreiche experimentelle Ergebnisse. Die statistische Auswertung des Verhältnisses der vorhergesagten zu experimentellen Lebensdauern und Schwingfestigkeiten aller untersuchten Bohrungsverschneidungen zeigt eine gute mittlere Vorhersagegüte bei geringer Streuung. Damit ist die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Lebensdauervorhersagemethode nachgewiesen.

Residual stress fields and fatigue analysis of autofrettaged parts