Belastungszyklen

Belastungszyklen bezeichnen in der Werkstoff- und Strukturingenieurwissenschaft eine Folge von Belastungen mit sich abwechselnden Größen, Richtungen oder Spannungszuständen, die auf ein Material oder Bauteil wirkt. Typische Merkmale eines Belastungszyklus sind die Spannungsamplitude, der mittlere Spannungswert, die Frequenz und das Verhältnis von Lastbeginn zu Ruhezeiten (Duty Cycle). Ein Zyklus kann wiederholt oder als Spektrum variierender Lasten auftreten.

Im Kontext der Ermüdung beschreibt der Begriff die Entstehung von Ermüdungsbrüchen durch wiederholte Belastung, auch wenn die maximale Belastung einzelner Zyklen die statische Bruchfestigkeit deutlich unterschreitet. Es unterscheidet sich damit von statischen Versagen, das durch eine einzelne, dauerhafte Belastung verursacht wird. Historisch wird oft zwischen Hochzyklus- und Niedrigzyklusermüdung unterschieden; bei hohen Zyklen dominieren kleinste Rissbildungen, bei niedrigen Zyklen größere plastische Verformungen.

Zur Auswertung belastungsbasierter Daten werden Methoden wie das Rainflow-Zykluszählen eingesetzt, um komplexe Lastverläufe in einzelne Zyklen zu zerlegen. Zur Lebensbewertung dienen Spannungs- oder Dehnungs-N-Zeichnungen (S-N-Kurven) beim Stress-Life-Ansatz oder Dehnung-Leben-Diagramme beim Strain-Life-Ansatz. Wichtige Konzepte umfassen den Einfluss des mittleren Spannungswerts, der Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur, Umweltkorrosion sowie Restspannungen. Modelle wie der Goodman- oder der Gerber-Kriterium helfen, den Mean-Stress-Effekt zu berücksichtigen.

Anwendungsgebiete umfassen Flugzeug- und Fahrzeugkomponenten, Brückenstrukturen, Getriebe und weitere sicherheitsrelevante Bauteile. Belastungszyklen werden in der Praxis durch Ermüdungstests unter kontrollierten Bedingungen untersucht, um Lebensdauer, Zuverlässigkeit und erforderliche Sicherheitsfaktoren zu bestimmen.