Beanspruchungsspektrum

Beanspruchungsspektrum bezeichnet in der Tragwerks- und Maschinenbau-Fatigue-Literatur die zeitliche Verteilung der mechanischen Beanspruchung, die ein Bauteil während seines Lebenszyklus erfährt. Es fasst die Eigenschaften der Belastung zusammen, darunter Amplitude, Frequenz, Dauern der Lastphasen und die Sequenz der Zyklen. Ziel ist es, das Ermüdungsverhalten unter realen Betriebsbedingungen abzuschätzen, ohne das komplette detaillierte Zeitverlauf-Signal voraussetzen zu müssen.

Das Beanspruchungsspektrum kann deterministisch oder zufällig sein. Es kann als diskreter Zeitverlauf vorliegen oder als Leistungsdichtspektrum (Power Spectral Density, PSD) beschrieben werden. Typische Merkmale eines Spektrums sind die Verteilung der Lastzyklen nach Amplitude, die mittlere Beanspruchung (Mean Stress) sowie die zeitliche Stabilität oder Nicht-Stabilität des Signals. In der Praxis werden oft sowohl zeitbasierte als auch spektrale Darstellungen genutzt, je nach Verfügbarkeit von Messdaten und Rechenansatz.

Anwendungen erfolgen über zwei Hauptrichtungen. Im Zeitbereich wird das Spektrum durch Rainflow-Zählung aus dem Zeitverlauf in Zyklen umgerechnet und mit einer Ermüdungsrisiko- oder Miner-Regel aufsinnend bewertet. Im Frequenzbereich werden spektrale Methoden eingesetzt, die aus PSD oder Spektren Schäden ableiten, z. B. unter Verwendung von S-N-Kurven und Verfahren wie Dirlik oder Näherungsverfahren für Näherungsgrößen der Schadenstiefe. Diese Ansätze ermöglichen eine vergleichende Bewertung verschiedener Betriebszustände oder Bauraumlagen.

Quellen des Beanspruchungsspektrums sind reale Betriebsdaten, Labor- oder Prüfstandsversuche sowie Simulationen. Gedanklich bleibt das Spektrum ein Werkzeug zur Planung und Absicherung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Bauteilen. Einschränkungen ergeben sich bei nicht-stationären, nichtlinearen Verhalten oder bedeutenden Mittelspannungsanteilen.