Ermüdungsanalyse FEM

Ingenieurinnen und Ingenieure, die Maschinen und Konstruktionen entwickeln, müssen sicherstellen, dass ihre Produkte eine langandauernde Nutzung ohne Schäden überstehen. Eines der gefährlichsten Phänomene, das die Lebensdauer einer Konstruktion begrenzt, ist die Materialermüdung – die schrittweise Entstehung von Ermüdungsrissen infolge von Lastzyklen, selbst wenn die Belastungen deutlich unterhalb der statischen Festigkeit des Werkstoffs liegen. Es wird geschätzt, dass Ermüdung für ~90% der Ausfälle mechanischer Bauteile während des Betriebs verantwortlich ist. Noch schlimmer: Ermüdungsrisse entwickeln sich im Verborgenen – von mikroskopisch kleinen Anrissen bis hin zum plötzlichen, katastrophalen Versagen – häufig ohne Vorwarnung. Deshalb ist die Analyse der Ermüdungsfestigkeit ein sehr wichtiger Bestandteil der auf Sicherheit ausgerichteten Konstruktion mechanischer Systeme. Eine Ermüdungsanalyse besteht in der Praxis darin, vorherzusagen, nach wie vielen Zyklen eine bestimmte Stelle der Konstruktion reißen kann. Heute wird sie mithilfe von Computersimulationen durchgeführt, indem FEM-Festigkeitsberechnungen (mit der Finite-Elemente-Methode) mit Modellen kombiniert werden, die das Werkstoffverhalten unter zyklischer Belastung beschreiben. Eine solche Simulation der Ermüdungslebensdauer ermöglicht es Ingenieurinnen und Ingenieuren, kritische Punkte der Konstruktion zu identifizieren, Ausfällen und Rissen bereits in der Entwurfsphase vorzubeugen und die Konstruktion im Hinblick auf die Lebensdauer zu optimieren. Dadurch hilft eine korrekt durchgeführte Ermüdungsanalyse, teure Schäden oder Produktrückrufe zu vermeiden und vor allem die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Produkts im Betrieb zu erhöhen.

Worum geht es bei der Ermüdungsanalyse in FEM-Berechnungen?

Die traditionelle Festigkeitsanalyse (statisch) in der FEM prüft, ob eine Konstruktion eine einzelne, maximale Belastung ohne plastische Verformungen oder Versagen übersteht. Das Erfüllen statischer Kriterien garantiert jedoch keine langfristige Dauerhaftigkeit – ein Bauteil muss bei einer einmaligen Belastung nicht brechen, kann aber bei vielfacher Wiederholung derselben Belastung ermüden. Die Ermüdungsanalyse ergänzt daher die FEM-Berechnungen um die Bewertung der Lebensdauer der Konstruktion bei wiederholter Belastung.

In der ingenieurtechnischen Praxis läuft das typischerweise so ab: Zunächst wird ein FEM-Modell des Bauteils erstellt und es werden FEM-Berechnungen für charakteristische Lastfälle durchgeführt (z. B. die Simulation der Fahrt über eine holprige Straße für einen Fahrzeugrahmen, Windböenbelastung für die Struktur einer Windturbine usw.). Die FEM liefert die Verteilung der Spannungen (und Verformungen) im gesamten Modell. Anschließend werden diese Ergebnisse um ein Werkstoffmodell ergänzt, das die Ermüdungseigenschaften des Materials berücksichtigt – meist in Form einer S-N-Kurve (Wöhlerlinie) oder über Parameter der Ermüdungsfestigkeit. Darauf aufbauend wird die Ermüdungslebensdauer berechnet: also die Anzahl der Lastwechsel bis zur Rissinitiierung oder der Sicherheitsfaktor gegenüber Ermüdung an jedem Punkt der Konstruktion. Diese Berechnungen können innerhalb der FEM-Software (in Ermüdungsmodulen) oder mit spezialisierten Werkzeugen zur Ermüdungsanalyse durchgeführt werden. Das Ergebnis ist u. a. eine Karte der Bereiche mit dem höchsten Rissrisiko sowie eine Abschätzung, nach wie vielen Lastwechseln ein Schaden eintritt. Dadurch weiß der Konstrukteur, welche Bereiche der Konstruktion verbessert werden müssen, um die angestrebte Lebensdauer und einen sicheren Betrieb zu erreichen.

Grundlegende Methoden zur Bewertung der Materialermüdung

Es gibt mehrere etablierte Ansätze zur Ermüdungsberechnung. Die Wahl der Methode hängt u. a. vom Dehnungsbereich (elastisch oder plastisch), der Anzahl der Zyklen bis zum Versagen sowie der Art der Belastung ab. Zu den grundlegenden Methoden gehören:

• S‑N‑Methode (stress-life, Wöhlerkurve) – Der klassische Spannung‑Zyklen‑Ansatz basiert auf Diagrammen, die den Zusammenhang zwischen Spannungsniveau und der Anzahl der Zyklen bis zum Versagen darstellen. Die S‑N‑Kurve für einen bestimmten Werkstoff wird experimentell ermittelt: Werkstoffproben werden einer zyklischen sinusförmigen Belastung mit unterschiedlicher Amplitude ausgesetzt, anschließend wird die Zahl der Zyklen bis zum Bruch jeder Probe dokumentiert. So entsteht ein Diagramm (häufig in Log‑Log‑Darstellung), die sogenannte Wöhlerkurve, bei der niedrigeren Spannungen eine höhere Lebensdauer (mehr Zyklen bis zum Bruch) entspricht.. Die S‑N‑Methode setzt ein elastisches Werkstoffverhalten voraus – sie eignet sich vor allem für die Hochzyklusermüdung, wenn die Spannungen unterhalb der Streckgrenze bleiben und die Lebensdauer in Tausenden bis hin zu Millionen von Zyklen liegt. Es wird angenommen, dass oberhalb von ca. 10^4 Zyklen (z. B. in Bereichen >10 Tausend) weiterhin der elastische Bereich dominiert, sodass die S‑N‑Methode verlässliche Ergebnisse liefert. Die S‑N‑Kurve weist bei hohen Zykluszahlen häufig einen horizontalen Abschnitt auf – dieser entspricht der Dauerfestigkeitsgrenze des Werkstoffs (endurance limit), also der Amplitude, unterhalb derer Stahlproben eine unbegrenzte Anzahl von Zyklen ohne Rissbildung überstehen können. (Hinweis: Nicht alle Werkstoffe besitzen eine ausgeprägte Dauerfestigkeitsgrenze – z. B. zeigt Aluminium mit zunehmender Zykluszahl eine graduelle Abnahme der Festigkeit; daher wird dafür konventionell die Festigkeit bei 10^7 Zyklen statt einer unendlichen Lebensdauer definiert).
• Methode ε-N (strain-life, Dehnungslebensdauerverfahren) – Wenn Dehnungen nicht rein elastisch bleiben, treten lokale plastische Verformungen auf (z. B. an Kerben, in Bereichen mit Spannungskonzentration). Dann nimmt die Genauigkeit der S-N-Methode ab. In solchen Fällen verwendet man das Dehnung–Zyklenzahl-Verfahren, auch als Coffin-Manson-Ansatz bekannt. Die ε-N-Methode addiert die elastischen und plastischen Dehnungsanteile innerhalb eines Lastspiels – sie definiert die gesamte Dehnungsamplitude als Summe aus elastischer Amplitude (Δε_e/2) und plastischer Amplitude (Δε_p/2). ε-N-Kurven vereinen das Basquin-Gesetz (Beschreibung des elastischen Anteils der Spannung–Zyklen-Beziehung) und das Coffin-Manson-Gesetz (Beschreibung des plastischen Anteils) in einer einzigen Gleichung. Das Dehnungsverfahren wird vor allem bei Niedrigzyklusermüdung eingesetzt (wenn die Zahl der Zyklen bis zum Versagen gering ist, in der Größenordnung von <10 Tausend, dafür aber hohe Spannungsamplituden nahe der Streckgrenze des Werkstoffs auftreten). Durch die Berücksichtigung plastischer Dehnungen sagt die ε-N-Methode die Lebensdauer von Bauteilen, die unter großen Verformungen betrieben werden, besser voraus (z. B. beim Anfahren von Maschinen, bei thermischen Zyklen mit thermischer Ausdehnung usw.).
• Einfluss der Mittelspannung – Goodman-Diagramm – Reale Belastungen sind selten vollständig symmetrisch wechselnd (von Zug zu Druck). Häufig liegt eine zyklische Belastung mit einem gewissen statischen Anteil vor (die sogenannte Mittelspannung). Eine tensile Mittelspannung (zugbeanspruchend) ist für die Ermüdungsfestigkeit in der Regel nachteilig (sie beschleunigt die Rissinitiierung), während eine Druckspannung günstig wirken kann (indem sie Mikrorisse schließt). Um den Einfluss der Mittelspannung in Berechnungen zu berücksichtigen, verwendet man Korrekturen und Konstantlebensdauer-Diagramme (sogenannte Goodman-, Gerber- und Soderberg-Diagramme). Am gebräuchlichsten ist das Goodman-Diagramm – in einem Koordinatensystem wird die Mittelspannung auf der horizontalen Achse und die Amplitude der Wechselspannung auf der vertikalen Achse aufgetragen. Das Diagramm definiert den Bereich sicherer Kombinationen dieser Werte. Die Goodman-Linie verbindet den Punkt Rm (Kurzzeitfestigkeit des Werkstoffs bei einer Mittelspannung gleich Rm und einer Amplitude von null) mit dem Punkt der Ermüdungsgrenze (maximale Amplitude bei null Mittelspannung). Jede Kombination aus Mittel- und Wechselspannung unterhalb der Goodman-Linie bedeutet, dass in unendlich vielen Lastspielen keine Risse entstehen, während Punkte oberhalb ein Risiko für einen Ermüdungsausfall darstellen. In der Praxis korrigieren Ingenieure die effektive Spannungsamplitude häufig nach der Goodman-Formel (oder nach Gerber bei duktilen Werkstoffen), bevor sie die S-N-Kurve verwenden – so lässt sich die Lebensdauer bei vorgegebener Mittelspannung abschätzen.
• Kriterien der mehrachsigen Ermüdung (z. B. Dang Van) – Viele Bauteile sind Belastungen mit einem komplexen (mehrachsigen) Spannungszustand ausgesetzt – z. B. einer Kombination aus Biegung und Torsion einer Welle oder Druck + Biegung in einem Rohr. Klassische S‑N‑Kurven basieren auf nominell einachsigen Spannungen; zur Bewertung der mehrachsigen Ermüdung werden daher Kriterien eingesetzt, die entsprechende Festigkeitshypothesen berücksichtigen. Ein Beispiel ist das Dang‑Van‑Kriterium, das insbesondere zur Beurteilung der Ermüdungsfestigkeitsgrenze bei komplexen Belastungen verwendet wird. Die Dang‑Van‑Methode geht davon aus, dass im Werkstoff nach Kombinationen aus Mikroschubspannungen und hydrostatischem Druck gesucht wird, die Mikrorisse initiieren können. Das Ergebnis der Dang‑Van‑Analyse liegt als Sicherheitsfaktor (safety factor) gegenüber Ermüdung bei unendlicher Lastspielzahl vor – nicht als konkrete Anzahl von Zyklen bis zum Versagen. Für die Anwendung dieses Kriteriums sind spezielle Werkstoffparameter erforderlich (ermittelt auf Basis ein- und zweiachsiger Werkstoffprüfungen). Es wird z. B. in der Automobilindustrie bei der Dauerfestigkeitsanalyse von Fahrwerkskomponenten, Getrieben usw. eingesetzt, wo die Belastungen in mehreren Achsen variieren und eine unbegrenzte Lebensdauer des Bauteils mit entsprechender Sicherheitsreserve gefordert ist.
• Palmgren-Miner-Regel (Schadenssummierung) – Wenn ein Bauteil wechselnden Lastamplituden ausgesetzt ist (sogenanntes Lastspektrum), reicht eine einzelne S-N-Kurve nicht aus – das Material erleidet Schäden durch Lastwechsel auf unterschiedlichen Niveaus. Die Miner-Regel ist eine einfache und weit verbreitete Hypothese der linearen Kumulation von Ermüdungsschäden. Ihr zufolge verbraucht jeder Lastwechsel mit einer bestimmten Amplitude einen bestimmten Anteil der „Lebensdauer“ des Materials. Trotz der Vereinfachungen wird diese Methode in der Ingenieurpraxis breit eingesetzt (Automobilindustrie, Luftfahrt, Offshore-Konstruktionen), um die Ermüdungslebensdauer bei komplexen, veränderlichen Belastungen näherungsweise zu bewerten. Damit lässt sich der Einfluss z. B. von Tausenden unterschiedlicher, auf der Baustelle gemessener Belastungen zu einem einfachen Kennwert für die Ausschöpfung der Ermüdungslebensdauer des Bauteils zusammenfassen.

Ablauf der Ermüdungsanalyse Schritt für Schritt

Ermüdungsanalyse mit der FEM ist ein strukturierter Prozess, der Schritt für Schritt die Dauerfestigkeit einer Konstruktion bewertet und kritische Stellen aufzeigt. Nachfolgend stellen wir eine typische Abfolge der Arbeitsschritte dar:

1. Definition des Problems und des FEM-Modells: Der Ingenieur legt die Geometrie des Bauteils sowie die Lastfälle fest, die die realen Einsatzbedingungen am besten abbilden. In diesem Schritt wird bestimmt, welche Art zyklischer Belastungen analysiert wird (z. B. sinusförmige Belastungen, zufällige Vibrationen, Ein-/Aus-Zyklen der Anlage usw.). Anschließend wird das Bauteilmodell in der Finite-Elemente-Methode vorbereitet – das FEM-Netz, die Materialeigenschaften (elastisch, plastisch) sowie die Randbedingungen und Belastungen, die den wiederkehrenden Betriebszyklen entsprechen.
2. MES-Berechnungen für zyklische Belastungen: Es werden MES-Simulationen (meist statische oder dynamische Analysen) durchgeführt, um Spannungen und Verformungen aus den vorgegebenen Lasten zu ermitteln. Im einfachen Fall kann dies ein einzelner Lastzyklus sein (z. B. maximale Biegung eines Balkens), in komplexeren Fällen eine Reihe mehrerer Fälle, die unterschiedliche Phasen des Zyklus oder verschiedene Lastszenarien abbilden. Wenn eine Lastgeschichte aus Messungen verfügbar ist (z. B. Dehnungsmessstreifen-Verläufe über die Zeit), werden Verfahren zur Zyklusextraktion wie der Rainflow-Algorithmus eingesetzt, um das variable Lastsignal auf einen Satz von Zyklusblöcken mit definierten Amplituden und Mittelwerten zu reduzieren.
3. Identifikation hochbeanspruchter Bereiche: Bereits anhand der FEM-Spannungsanalyse lassen sich Zonen mit den höchsten Spannungen oder den größten Spannungskonzentrationen (z. B. an Kerben, Bohrungen, Schweißnahtkerben usw.) identifizieren. Dort wird voraussichtlich die Initiierung eines Ermüdungsrisses stattfinden. In der Ermüdungsanalyse sind diese Stellen besonders relevant – häufig definiert man sogenannte Ermüdungs-Hot-Spots, also Punkte, für die die Lebensdauer berechnet wird. FEM-Software kann Elemente mit dem ungünstigsten Kennwert der wechselnden Spannungen automatisch erkennen, oder der Ingenieur wählt sie anhand der Ergebnisse und seiner Erfahrung aus.
4. Auswahl des Ermüdungsmodells und der Werkstoffdaten: Im nächsten Schritt müssen Daten zur Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffs bereitgestellt werden. Es wird die passende S-N-Kurve für den Werkstoff ausgewählt (mit vorgegebenem Sicherheitsfaktor, Überlebenswahrscheinlichkeit – z. B. 97,7% – sowie für den entsprechenden R-Bereich, also das Verhältnis von Minimal- zu Maximalspannung). Sind plastische Verformungen zu erwarten, werden statt S-N ε-N-Kurven verwendet (Coffin-Manson-Parameter für den Werkstoff). Quellen für diese Daten können branchenspezifische Normen, Versuchsergebnisse des Werkstoffherstellers oder Ermüdungsdatenbanken sein. Zudem ist festzulegen, ob eine Korrektur für die Mittelspannung angewendet wird – etwa indem für den jeweiligen Lastwechsel ein Mittelspannungsparameter angesetzt wird oder konservativ das Goodman-Diagramm zugrunde gelegt wird (was in der Praxis einer Reduzierung der zulässigen Amplitude der Wechselspannungen mit zunehmender Mittelspannung entspricht). Bei Bedarf werden Korrekturen für den Kerbempfindlichkeitsfaktor und die Oberflächenqualität berücksichtigt, insbesondere wenn die S-N-Daten aus Laborversuchen an glatten Proben stammen, das reale Bauteil jedoch eine raue Oberfläche oder Schweißverbindungen aufweist.
5. Berechnung der Lebensdauer oder des Schadens: Mit der Spannungsverteilung aus dem Lastszenario und den Werkstoffdaten gehen wir zur eigentlichen Lebensdauervorhersage über. Für jeden relevanten Punkt (z. B. ein FEM-Netzelement im Hot-Spot) wird seine Ermüdungslebensdauer berechnet. Liegt ein einzelner dominanter Lastzyklus vor, wird aus der S‑N‑Kurve die Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall bei einer Amplitude abgelesen, die der Spannung an diesem Punkt entspricht, sowie die Mittelspannung). Häufig liegen jedoch mehrere unterschiedliche Lastniveaus vor – dann wird die oben beschriebene Miner’sche Schadensakkumulation angewendet. Oft ist das Ergebnis einer Ermüdungsanalyse auch ein Sicherheitsfaktor – eine mehrfache Reserve gegenüber der angenommenen Zyklenzahl oder die minimale Zyklenzahl geteilt durch die geforderte Zyklenzahl. Bei Kriterien wie Dang Van wird das Ergebnis direkt als Sicherheitsfaktor für unendliche Lebensdauer angegeben (z. B. die Information, ob die betreffende Stelle die geforderten 10^6 Zyklen mit einer Reserve von 1.5 aushält oder nicht).
6. Lokalisation und Bewertung von Rissen: Der letzte Schritt ist die Interpretation der Ergebnisse. Die Analyse zeigt konkrete Bereiche der Konstruktion mit der geringsten Dauerfestigkeit (bzw. dem höchsten Schädigungsgrad). Genau dort kann am frühesten die Initiierung eines Ermüdungsrisses beginnen. In Berichten werden üblicherweise Konturkarten am FEM-Modell dargestellt, die die Verteilung der prognostizierten Anzahl an Lastspielen bis zum Ausfall oder die Werte des Ermüdungssicherheitsfaktors zeigen. Der Ingenieur konzentriert sich auf Bauteile, die die kritischsten Werte aufweisen. Wenn die minimal prognostizierte Lebensdauer der Konstruktion die Vorgaben nicht erfüllt (z. B. soll die Komponente 1 Million Zyklen überstehen, die Analyse zeigt jedoch einen Riss nach 200.000), sind Konstruktionsänderungen vorzuschlagen: eine Anpassung der Geometrie (Abrunden von Kerben, Vergrößerung des Querschnitts), ein Materialwechsel zu einem ermüdungsfesteren Werkstoff, eine Verbesserung der Oberflächenqualität oder der Einsatz von Verfestigungsprozessen (z. B. Kugelstrahlen), um die Lebensdauer zu verlängern.
7. Verifizierung und Prototypentests: Auch wenn die FEM-Ermüdungsanalyse wertvolle Prognosen liefert, gilt es als Best Practice, ihre Ergebnisse durch Prototypentests zu bestätigen. Häufig werden Ermüdungsprüfungen an Schlüsselkomponenten oder ganzen Baugruppen durchgeführt (z. B. eine mehrmillionenfache zyklische Belastung der Fahrzeugaufhängung auf einem Prüfstand) und mit den Vorhersagen der Simulation verglichen. Dadurch lässt sich das Modell kalibrieren, und die gewonnenen experimentellen Daten ermöglichen eine bessere Anpassung des Materialmodells (z. B. eine präzisere Festlegung der S‑N-Kurven für das reale Material nach dem Schweißen oder der Bearbeitung). Diese Verifizierungsschleife sorgt dafür, dass das Endprodukt eine sowohl simulationsseitig als auch experimentell bestätigte Ermüdungsfestigkeit aufweist, was die Sicherheitseinschätzung zusätzlich untermauert.

Einsatz der Ermüdungsanalyse in verschiedenen Branchen

Ermüdungsanalysen sind heute in vielen Industriezweigen Standard – von der Automobilindustrie bis zur Energiewirtschaft. Überall dort, wo Bauteile wiederholten Belastungen ausgesetzt sind, nutzen Ingenieure Ermüdungssimulationen, um eine ausreichende Lebensdauer sicherzustellen und Ausfälle zu vermeiden. Nachfolgend einige Beispiele für Anwendungen in verschiedenen Branchen:

• Automobilindustrie: Fahrzeugkonstruktionen müssen Hunderttausende Kilometer an Vibrationen, Stößen und wechselnden Belastungen aushalten. Die Ermüdungsanalyse wird bei der Auslegung von Tragstrukturen, Fahrwerkskomponenten, Karosserien, Achsen, Felgen und sogar Motorkomponenten eingesetzt. So ist beispielsweise ein Querlenker bei Fahrbahnunebenheiten permanenten Biegezyklen ausgesetzt – eine Ermüdungssimulation ermöglicht die Bewertung, ob er nach einer bestimmten Anzahl von Torsionszyklen nicht reißt. Bei Motoren werden Kurbelwellen und Pleuelstangen im Hinblick auf Materialermüdung durch Millionen von Verbrennungszyklen untersucht. Automobilhersteller nutzen sowohl FEM-Berechnungen als auch Prüfstandversuche (sog. durability testing), um sicherzustellen, dass z. B. der Fahrzeugrahmen über die gesamte Nutzungsdauer keine Ermüdungsrisse entwickelt. Ermüdungsanalysen helfen zudem, das Gewicht von Komponenten zu optimieren – übermäßige Überdimensionierung wird dort vermieden, wo ein kleinerer Querschnitt die Anforderungen an die Dauerfestigkeit weiterhin erfüllt, was zu leichteren und sparsameren Fahrzeugen führt.
• Luftfahrt: Die Luftfahrtbranche misst der Materialermüdung seit den tragischen Unfällen der De-Havilland-Comet-Düsenflugzeuge in den 1950er-Jahren (verursacht durch Ermüdungsrisse in der Beplankung rund um die Fenster) enorme Bedeutung bei. Jedes Passagierflugzeug hat eine definierte Ermüdungslebensdauer in Start-Lande-Zyklen sowie in Druckzyklen des Rumpfes. Festigkeitsanalysen von Luftfahrtstrukturen enthalten stets ein Ermüdungskapitel – z. B. Berechnungen dazu, nach wie vielen Druckzyklen ein Riss in der Beplankung auftritt oder wann ein Fahrwerksbauteil möglicherweise ausgetauscht werden muss. Es werden die Philosophien fail-safe und damage-tolerance angewendet, d. h., man geht von vorhandenen Rissen aus und legt Bauteile so aus, dass ein Versagen weder plötzlich noch katastrophal ist (z. B. doppelte Holme in den Tragflächen, regelmäßige zerstörungsfreie Prüfungen kritischer Bereiche). Die Simulation der Ermüdungslebensdauer ermöglicht die Festlegung von Inspektionsintervallen – z. B. die Prognose, dass nach 5000 Flugzyklen eine Prüfung eines bestimmten Fahrwerksknotens durchzuführen ist. Dadurch hält die Luftfahrt ein hohes Sicherheitsniveau aufrecht, und Bauteile der Flugzeugstruktur werden optimal genutzt (sie werden weder zu früh noch zu spät ausgetauscht).
• Industriemaschinen und Ingenieurbauwerke: In der Schwerindustrie arbeiten viele Anlagen zyklisch – Schmiedepressen üben tausendfach Druck aus, Krane heben und senken Lasten wiederholt, Brücken und Hebezeuge sind zyklischen Belastungen durch Fahrzeugverkehr oder Wind ausgesetzt. Ermüdungsanalysen werden z. B. bei Kran-Auslegern eingesetzt (Bewertung der Lebensdauer von Schweißnähten in Bereichen mit den größten Biegemomenten), bei Winden-Trommeln (Anzahl der Seilaufwicklungszyklen bis zum Bruch) oder bei Stahlkonstruktionen von Hochhäusern (Windschwingungen verursachen Milliarden von Spannungszyklen in Bauteilen der Konstruktion). Auch im Bauingenieurwesen wird Ermüdung untersucht – z. B. müssen Straßenbrücken Hunderttausende Lkw-Überfahrten aushalten. Normen (z. B. Eurocode) verlangen, dass für Brücken Ermüdungsanalysen durchgeführt werden, wobei der Fahrzeugverkehr als Folge von Lastzyklen zu berücksichtigen ist. Bei rotierenden Maschinen wie Turbinen oder Generatoren ist Ermüdung ebenfalls entscheidend – die Schaufeln einer Dampfturbine erfahren periodische Kraftänderungen durch den Dampfstrom, die Wellen von Generatoren sind Torsionsschwingungen ausgesetzt. Jedes solche Bauteil ist anfällig für Ermüdungsrisse; deshalb analysieren Ingenieure diese Phänomene bereits in der Konstruktionsphase mechanischer Systeme, um Ausfälle während des Betriebs zu verhindern.
• Energiewirtschaft: Im Energiesektor, insbesondere bei erneuerbaren Energien und in Kraftwerken, spielen Ermüdungsfragen eine große Rolle. So sind beispielsweise Windturbinen kontinuierlich wechselnden Windlasten ausgesetzt – die Rotorblätter biegen sich bei jeder Umdrehung und jeder Böe, was über 20-30 Jahre Turbinenbetrieb Millionen von Spannungszyklen bedeutet. Eine Ermüdungsanalyse ermöglicht die Prognose, ob z. B. nach 10^7 Zyklen an einer kritischen Stelle des Blatts (am Blattfuß) kein Riss entsteht; darauf aufbauend werden die Auslegungslebensdauer der Turbine festgelegt und regelmäßige Blattinspektionen geplant. In der klassischen thermischen Energiewirtschaft tritt dagegen das Problem der niedrigzyklischen thermischen Ermüdung auf – z. B. erfahren Rohrleitungen und Kessel bei jedem Aufheizen und Abkühlen der Anlage Spannungen. Die Anzahl vollständiger Anfahr-/Abstellzyklen eines Kraftwerks ist gerade durch die Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffs begrenzt (FEM-Analysen bestimmen, wie viele solcher thermischen Zyklen ein Kesselrohr aushält, bevor es reißt). Auch in Kernkraftwerken sind Festigkeitsanalysen im Hinblick auf die Ermüdung von Komponenten des Kühl- und Drucksystems verpflichtend. Ermüdungssimulationen zeigen die Orte potenzieller Rissbildung (z. B. Düsenansätze, Schweißnähte, Rohrbögen) und ermöglichen es, NDT-Inspektionen dieser Bereiche während eines Wartungsstillstands zu planen, bevor sich ein kritischer Riss weiterentwickelt. Zusammenfassend ist die Ermüdungsanalyse in der Energiewirtschaft ein Werkzeug, das sowohl die Zuverlässigkeit der Energieversorgung als auch die Sicherheit der Infrastruktur gewährleistet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ermüdungsanalyse ein leistungsfähiges Werkzeug in der Hand des Maschinenbauingenieurs ist. Sie ergänzt die klassischen FEM-Berechnungen um die Dimension von Zeit und Lebensdauer und liefert damit ein vollständigeres Bild der Konstruktionssicherheit. Angesichts steigender Anforderungen an die Produktzuverlässigkeit, des Wettbewerbs am Markt sowie der Verantwortung gegenüber dem Anwender wird die Fähigkeit, das Ermüdungsverhalten vorherzusagen, zu einem entscheidenden Faktor. Eine Investition in eine fundierte Ermüdungsanalyse in der Konstruktionsphase zahlt sich im Betrieb vielfach aus – durch störungsfreien Betrieb, geringere Servicekosten und zufriedene Anwender, die ein Produkt mit langer Lebensdauer erhalten. Daher lohnt es sich, Ermüdungsanalysen bereits zu Beginn von Projekten als festen Bestandteil der ingenieurmäßigen Konstruktion mechanischer Bauteile einzuplanen – ähnlich wie statische oder thermische Analysen. Ein solcher ganzheitlicher Ansatz stellt sicher, dass unsere Konstruktionen nicht nur auf dem Papier belastbar sind, sondern auch in der realen Welt dauerhaft bestehen.