Lebensdauer und Simulation … · 2015-12-21 · CADFEMGmbH ZentraleGrafing Marktplatz 2 85567Grafing b. München T+49(0)8092 7005-0 [email protected] GeschäftsstelleDortmund Carlo-Schmid-Allee3

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Lebensdauer und Simulation

ACUM 2014

ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 1

Betriebsfestigkeit und Simulation

Nürnberg

CADFEM GmbH

Marktplatz 285567 Grafing b. München

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Verfasser: Dipl.-Ing. Thomas EbbeckeGeschäftsstelle: Berlin

Ausgabedatum: ACUM 2014Status: öffentlich


Berufliche Daten:• Studium der Schiffs- und Meerestechnik an der TU-Berlin

• Wissenschaftliche Mitarbeit beim Thema Seegangsversuche imFachgebiet Meerestechnik der TU-Berlin

Betriebsfestigkeit und Simulation

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• Festigkeitsberechnungen in der U-Bootkonstruktion bei den HowaldtWerken Deutsche Werft (HDW)

• Seit 1999 Mitarbeit bei CADFEM im Bereich Consulting,Projektarbeit, strukturmechanische Berechnungen, Betriebsfestigkeit

• Seit Ende 2012 Geschäftsstellenleitung der CADFEM-NiederlassungBerlin

Gliederung

• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen

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lung hung§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben

oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben

4ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation


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Einleitung


Einleitung

• Die zunehmende Notwendigkeit der Effizienzsteigerung, bedeutet eine„optimale“ Ausnutzung des Bauteilwerkstoffes.

Z. B. bei duktilen Werkstoffen Ausnutzung lokaler plastischer Reserven• Rechenkonzepte und Richtlinien fokussieren zunehmend auf „örtliche“

Konzepte zur Ermittlung lokaler Bauteilbelastungen.Weg vom „Nennspannungskonzept“ (siehe auch Ersetzung der DIN

15018) hin Si ul tion it lokal fgelö t K b

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15018) hin zur Simulation mit lokal aufgelöster Kerbspannung.• Drei Bereiche der Betriebsfestigkeitsanalyse zur Unterscheidung:

1. Ermittlung und Interpretation der Bauteillastgeschichte2. Ermittlung der daraus resultierenden, durch Simulation errechneten, „örtlichen“

Bauteilbeanspruchungen3. Bewertung eben dieser Beanspruchungen

• Software kommt heute in allen drei Bereichen zum Einsatz.Von der Datenorganisation bis zur Dokumentation „ein Paket“

Daher wird auf die CADFEM-IHF-Toolbox in ANSYS Workbench und ANSYSn-code im Folgenden eingegangen


Einleitung

Größenordnungen beim Betrachten undUntersuchen des Phänomens der Ermüdung- Abgrenzung zu anderen Disziplinen(Werkstoffwissenschaften)


Gliederung


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Methoden und Struktur der

Betriebsfestigkeitsanalyse


Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse

• Betriebsfestigkeitsversuche• Von der Bauteillastermittlung über Simulation zur Verifikation• Bauteillastermittlung: Versuch - Simulation• Versagensarten• Rechenmethoden• Schweißverbindungen


• Schweißverbindungen• Rissfortschritt


• Betriebsfestigkeitsversuche - Zeitaufwand:

• Immer hoherZeitaufwand beiBetriebsfestig-keitsversuchenam Prototyp


am Prototyp• Um Wöhlerver-

suche kommtman nicht her-um, wenn keineDaten vorliegen(Stahl u. AluausreichendDatenmaterial)


• Von der Bauteillastermittlung über Simulation zur Verifikation:Ziel:• Betriebslastermittlung

der Gesamtkonstruk-tion im Feldversuch anausgezeichnetenStellenErmittlung der


• Ermittlung derLastübertagungsfunk-tionen für dasEinzelbauteil per Si-mulation (Starrkörperoder Berücksichtigungder Einzelelastizitätenim Lastpfad)

• Nachweis desEinzelbauteils perSimulation

• Prüfstandsversuche(reduziert) zurVerifikation


• Bauteillastermittlung: Versuch - Simulation• Instationäre Lasten wie

Spannungen oderSchnittlasten an den Grenzen desEinzelbauteils sindvergleichsweiseauf endi it


• Instationäre Lastenim Feldversuch anausgewiesenenPunkten derGesamtkonstruktionvergleichsweiseleicht zugänglich.

aufwendig mitbegrenzter Auflösung(Dehnmesstreifen) zuermitteln.


• Versagensarten:high cycle fatiguelow cycle fatigueGewaltbruch


Haupt-einfluss-größen

geringe plastischeWechselverformungen im Kerbgrund

Kerbschärfe,Herstellung,Eigenspannungen

große plastischeWechselverformungenim Kerbgrund

Kerbschärfe,zyklisches s-e-Verhalten

großeVerformungder gesamtenStruktur

FestigkeitNettoquerschnitt

Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse - Rechenmethoden

Statik High Cycle Fatigue DauerfestigkeitLow Cycle Fatigue

Werkstoffgesetz (Beanspruchung)Linear elastischHook‘sche Gerade

ea,el = sa,el / Eà sa,el = E * ea,el

linearelastisch-idealplastischsa = E * eafür sa Re

Ramberg-Osgoodea = sa/E + (sa/K‘)1/n‘

Elastisch-plastisch

Beanspruchbarkeit

© CADFEM 2014 15ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation

Beanspruchbarkeit

Dauerfestigkeits-schaubild

Dehnungswöhlerlinieea = s‘f/E*(2N)b+ef(*2N)c

Zulässige plastischeDehnungz.B. ea,zul = 5%

Spannungswöhlerliniesa,el= sD* (ND/Na)1/k

Ermittlung elast.-plastische BeanspruchungNeuber:ea*sa = konst. = ea,el*sa,el

Plastische Stützziffer:npl = [ea,zul/(Re/E)]1/2

Rechnerische Abschätzung der benötigten KennwerteFKM, DIN 743Uniform Material LawFKM Haibach, FKM

~100..101 ~104..106~101..104 >106

Zyklenzahl


• Schweißverbindungenu Berechnungsansätze

- Nennspannungsnachweis

- Strukturspannungsnachweis

- Kerbspannungsnachweis

bruchmechanischer Sicherheitsnachweis

so

s u

s


- bruchmechanischer Sicherheitsnachweis

u Regelwerke verwenden überwiegend das - Konzept und die obengenannten Nachweiskonzepte je nach Regelwerk.

- FKM: Nennspannungsnachweis, Strukturspannungsnachweis,Kerbspannungsnachweis

- IIW: enthält inzwischen ebenfalls den Kerbspannungsnachweis

- DNV GL: Strukturspannungsnachweis oder erklärt andere Regelwerke wieFKM, IIW etc. gegebenenfalls für zulässig.

t


Festigkeitsnachweise für Schweißverbindungen- Nennspannungsnachweis: Kerbfälle (Schweißstöße) müssen klassifiziert sein;

- Strukturspannungsnachweis: Festlegung der Extrapolationspunkte;


- Kerbspannungsnachweis: Übereinstimmung der Nahtgeometrie in FE-Modellund realer AusführungSoll-Naht

04.106max,1 »c

Ist-Naht

21.77max,1 »c

37% Abweichung inMaximalbeanspruchungund Verlagerung desversagenskritischenOrtes!!!

max.

max.


• Rissfortschritt

Drei Rissöffnungsarten


Mode I häufigster Fall

Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Die Spannungsverteilung an der Rissspitze läßt sich mittels

Proportionalitätsfaktoren KI beschreiben.

0yz =úû

ùêë

é÷øö

çèæ

÷øö

çèæ-÷

øö

çèæ=

23sin

2sin1

2cos

r2KI

xúû

ùêë

é÷øö

çèæ

÷øö

çèæ+÷

øö

çèæ=

23sin

2sin1

2cos

r2KI

y (EVZ))((ESZ)0 yxzz +== u

Beispiel: Ebener Spannungszustand Mode I (Mode II und III haben ähnliche Gleichungsstrukturenauch im räumlichen Fall.


0xz =

÷øö

çèæ

÷øö

çèæ

÷øö

çèæ=

23cos

2sin

2cos

r2KI

xy


• Die „Stärke“ (Amplitude) des Riss-Spitzenfeldes wird durch dieSpannungsintensitätsfaktoren KI , KII und KIII beschrieben.

• Ermittelt man mittels FEM ein Spannungs- und Verschiebungsfeld mitSingularität an der Rissspitze, so können die einzelnen K-Faktorenaus Grenzwertbetrachtungen numerisch bestimmt werden.


• Aus den Spannungen erhält man bei :

• Ebenso ist eine Berechnung bei aus den Verschiebungenmöglich. So wird es auch in ANSYS vorgenommen.

°= 0

°±= 180


• Spannungsintensitätsfaktoren: Geschlossene Lösung


Gross, Seelig(2006)


• Die älteste und einfachsteBeschreibung des stabilenRisswachstums wurde zuerst vonPARIS vorgeschlagen ist beschränktauf das Stadium 2:

Risswachstum, oder -fortschritt

1,E-041,E-031,E-021,E-011,E+00

klus

]

Paris Rißfortschrittgesetz für Aluminium2024 T3

C = 3,0 E-12 (m/MPa*sqrt(m))^nn = 3,43


S• C Paris Koeffizient [m/MPaÖm)]^n• n Paris exponent [keine Einheit]• DK Spannungsintensitätsfaktor

[MPaÖm)]• a Rißlänge [m]• N Zyklus [keine Einheit]

• DK beschreibt dabei den zyklischenAnteil der Belastung (Kmax – Kmin)

1,E-121,E-111,E-101,E-091,E-081,E-071,E-061,E-051,E 04

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03dA

/dN

[m/Z

ykl

D K [MPa*sqrt(m)]

nKCNa

D×=¶¶

Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Paris Gesetz Modifikation nach

Austen – effektiverSpannungsintensitätsfaktor• Keff effektiver

Spannungsintensitätsfaktor• n Paris Exponent• C Paris Koeffizient

• Rissinitiierung, stabiles

( )neffKC

Na

D×=¶¶


ung,Risswachstum, kritischeSpannungsintensität undMittelspannungseinfluß werdenabgebildet über den effektivenSpannungsintensitätsfaktor Keff

• Rißfortschritt nach Austen ist derDefault in nCode Designlife

I0 kleinster Anriß, der propagieren kann, nach KitigawaKth Schwellwert Spannungsintensitätsfaktor

K1C kritischer Spannungsintensitätsfaktors0 Dauerfestigkeit des ungekerbten Werkstoffes

Gliederung


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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse


Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen

• Interpretation der Bauteilbelastungen / LastartenBeanspruchungs-Zeit-Funktion

Grundbeanspruchung Zusatzbeanspruchung

aus Schwingungsvorgängen

nach Haibach


quasistatischveränderlich

konstant aus Einzel-ereignissen

ng ng gä gen

systembedingt

z. B.Manöver

z. B.Zuladung

z. B.Eigengewicht

umweltbedingt

z. B.Triebwerks-schwingungen

z. B.Bodenuneben-heiten

deterministische Belastungen stochastische Belastungen


• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mitANSYS15.0 nCode DesignLife

• Konstante Amplitude :• Einheitslastfälle werden zu einem

Einstufenkollektiv addiert.

• Timeseries:N


• Einheitslastfälle werden mit Last-Zeitreihen verknüpft.

• TimeStep:• Lastschritte werden zu einer zeitlichen

Reihenfolge zusammengesetzt.

• Vibration (Frequenzbereich):• Lebensdauerberechnung auf Grundlage

von PSD und harmonischen FE-Analysen.


• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mitANSYS15.0 nCode DesignLife

Bsp.: aus dem Zeitschrieb ein Frequenzspektrum erstellen für die dynamische Analyse


Input Pad Output Pad


L1=1Einheitslastfall 1

L2=1

Einheitslastfall 2

Lineare statische Superposition

Spannungen der Einheitslastfälle

• Bauteilbelastungen / Lastartenanalysieren mit ANSYS15.0nCode DesignLife


Lineare statische Superposition

C1A C2A* L1(t) + * L2(t) + ... = sA(t)Lokale Spannungs-ZeitReihe

sA

für alleKnoten/Elemente

Last-Zeit-Reihen

L2L1

• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0nCode DesignLife


• Vorteil:• geringe Rechenzeiten des FE-Modells• wenig Speicherbedarf auf der Platte nötig

die Einheit la tfälle können fü hieden La tkollekti ndet

Lineare statischeSuperposition

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• die Einheitslastfälle können für verschieden Lastkollektive verwendetwerden

• Auto-Elimination kann vor der Schädigungsrechnung durchgeführt werden

• Nachteil:• lineare, statische FE-Analysen können Randbedingungen beinhalten,

die nicht realistisch sind (z.B. nichtlinearer Kontakt)• Methode liefert falsche Ergebnisse wenn Eigenfrequenzen durch die

äußeren Lasten angeregt werden.



Lokale Spannungs-ZeitReiheLast-Zeit-Reihen

sAL1

L1

sA

Time Step: TransienteAnalyse mit vollenMatrizen

• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0 nCodeDesignLife


L2 Rainflow Counting

Spannungen aus kombiniertenLasten werden von ANSYS beijedem Zeitschritt berechnet.

Fatigue Analysis

Für lange Last-Zeit-Reihen werden lange Rechenzeiten undgroßer Plattenspeicher benötigt !


• Vorteil:• berücksichtigt dynamische Effekte• System kann dynamisch analysiert werden ohne künstliche

Randbedingungen• Modell kann alle Effekte wie Kontakt, Plastizität

Time Step: Transiente Analyse mitvollen Matrizen



• Modell kann alle Effekte wie Kontakt, Plastizitätund große Verformungen beinhalten

• Nachteil:• transiente Analysen haben sehr lange Rechenzeiten gegenüber statischen

Analysen• um den Spannungszustand zu jedem Zeitpunkt zu Speichern wird sehr viel

Plattenplatz benötigt• jeder Lastfall muss separat berechnet werden• es kann kein Spannungsfilter verwendet werden um die Element / Knoten

Anzahl zu verringern


ANSYSTime Step: Transiente Analyse mit modaler Superposition


nCode

sALokale Spannungs-ZeitReihe


• Vorteil:• benötigt deutlich weniger Plattenspeicher und berechnet die Spannungs-

zustände auf die gleiche weise wie ANSYS• ist die modale Einflussmatrix einmal berechnet kann sie für

verschiedene Lastfälle verwendet werden.

Time Step: Transiente Analyse mit modaler Superposition



verschiedene Lastfälle verwendet werden.• ein Spannungsfilter kann verwendet werden um kritische Elemente/Knoten

zu selektieren. Damit wird die Berechnungszeit in nCode zu verkürzen• der Einfluss durch das weglassen eines Modes kann untersucht werden

• Nachteil:• transiente Analysen haben sehr lange Rechenzeiten gegenüber statischen

Analysen• es werde zwei FE-Analysen benötigt• Effekte wie Plastizität, Kontakt und große Verformungen werden nicht

berücksichtigt


Dynamische Analyse mit PSD, Bsp. Integration nCode in WB


Frequency (mm/sec2)2Hz-1

10 1.00 E-01

500 0.75 E+06

1500 1.00 E+06

2000 1.00 E-01


DynamischeAnalyse mit PSD

Ergebnis aus der ANSYS-WB Harmonic-Response-Analyseüber den entsprechenden Frequenzbereich

• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0 nCode DesignLife


Eingabe des PSD-Spektrums


LinearSuperposition

ModalSuperposition

Transient Vibration

Quasi-static Dynamic Dynamic Dynamic (steady-state)

Übersicht Lastaufbringungen• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0

nCode DesignLife


Linear only Linear only Linear andnonlinear

Linear only

Minimum CPU Moderate CPU CPU Intensive Moderate CPU

Minimum DiskSpace

Minimum DiskSpace

Disk SpaceIntensive

Minimum DiskSpace

Accuracydependent on selection andnumber of modes

Mode selection notneeded


• Arbeitsoberfläche ANSYS nCode DesignLife

ModularerAufbau


Datenfluss zwischenden einzelnenModulen wirdgraphisch über„Pipes“ dargestllt

Module mit der entsprechenden Funktionalitätwerden aus dem Modulkatalog ausgewählt, aufder Arbeitsfläche platziert und entsprechendverlinkt

Gliederung


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ung beanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben



Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen

Nicht geschweißte Bauteile

• Nennspannungen: über den „tragenden“ –auch Nennquerschnitt genannten Querschnitt

ElastischeVerformung imKerbgrund

Elastische Spannungsermittlung


ennque genanndes Bauteils gemittelte Spannungen

• Örtliche Spannungen: lokale, örtlicheSpannungen werden mit ausreichenderGenauigkeit ermittelt.

Nennquerschnitt


Nicht geschweißte BauteileElastisch-plastische SpannungsermittlungNeuber – Hyperbel und s-e -Diagramm liefern smax und emax , oderBerechnung mit elastisch-plastischem Werkstoffgesetz


• Örtliche - bzw. Kerbspannungen sind sensibel bezüglich dergewählten Netzdichte


Nicht geschweißte Bauteile elastisch

v.M.=380 MPa v.M.=411 MPa


v.M.=415.28 MPa v.M.=415.18 MPa


Spannungen

Bei Betriebsfestigkeitsanalysen wirkt sich der Anstieg der Spannung sehr stark aus!

Nicht geschweißte Bauteile elastisch


Vernetzungsvarianten und die Spannungen in der Kerbe

Span-nung

Schweiß-nähte

k=3

Life

Stahl

k=5

Life

1

0,9

0,8

1 1

1,37 1,7

1,95 3


Nicht geschweißte Bauteile elastischNicht nur die Maximalspannung an der Oberfläche,sondern auch der Gradient in das Volumen hineinwirkt sich sehr stark aus! „Stützwirkung“Bsp.: Berücksichtigung der Stützwirkung beimKonstruktionsfaktor der FKM-Richtlinie

y


x

max

* 1 ddy

sc = - ×s

smax

s(y)

•Rauhigkeit•Randschichtverfestigung•Schutzschicht Aluminium


Nicht geschweißte Bauteile elastischErmittlung des Gradienten in

ANSYS-Workbench:1. Berechnung der

Kerbspannung imSubmodell


2. Platzierung einesKoordinatensystems amOrt der maximalenSpannung mit der Option„Hit Point Normal“


Nicht geschweißte Bauteile elastischErmittlung des Gradienten in

ANSYS-Workbench:1. Berechnung der Kerbspannung

im Submodell2. Platzierung eines

Koordinatensystems am Ort dermaximalen Spannung mit der


• Hinweis: ANSYS-WB-FKM in derCADFEM-Toolbox berechnetden Gradienten automatisch

maximalen Spannung mit derOption „Hit Point Normal“

3. Pfad im entsprechendenKoordinatensystem definierenund Spannung auf den Pfadinterpolieren lassen

4. Aus der graphischen undtabellarischen Ausgabe dieDaten für die Ermittlung derStützziffer entnehmen.

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Geschweißte Bauteile

u Berechnungsansätze- Nennspannungsnachweis

- Strukturspannungsnachweis


- Kerbspannungsnachweis

- auf den bruchmechanischen

Sicherheitsnachweis wird hier nicht weitereingegangen

Nennspannungen






MakrogeometrischeEffekte müssen bei denNennspannungenberücksichtigt werden

Nennspannungen


berücksichtigt werden.(IIW-Richtlinie „lokaleNennspannungen“)=> Bei „komplexen“Strukturen lassen sichausgewieseneNennspannungsquer-schnitte seltenidentifizieren


Geschweißte BauteileStrukturspannungen





Linearisierte Spannungen können ebenfalls alsStrukturspannungen verwendet werden

• Definition undBerechnung derStrukturspannungen

IIW-Em fehlungen Dok




Empfehlungen Dok.IIW-1823-07 (12/2008)

• Berechnung derStrukturspannungüberwiegend mit FEM(ggfls. auch DMS-Messung).


Geschweißte BauteileEffektive Kerbspannungen

Ableitung des„R1MS“Konzeptes nachVorschlägen von Fricke


hlägenund Radaj


Geschweißte BauteileEffektive Kerbspannungen


Elementgröße nach FKM-Empfehlung

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Schrauben


• Schraubenverbindungen werden in der Regel alsEinschraubenverbindungen nachgewiesen.

• Der Nachweis nach VDI 2230 erfolgt mit Schnittkräften bzw.Nennspannungen und Nachgiebigkeiten


Schrauben


( )

PS

Pn

ASA

VthZAKerfM

n

FFFFFFF

ddd+

×=F

×F=

D++×F-+= 'min 1• Mindestmontagevorspannkraft

• Setzkraftverlust FZ, Temperatur• Axiale Schraubenzusatzkraft

• Kraftverhältinsaus den Einzelnachgiebigkeiten


SchraubenFür den Nachweis nach VDI 2230 werden benötigt:• FSmax, die maximale Betriebsbelastung der Schraube,• FSA Betriebszusatzlast in der Schraube für den zyklischen Nachweis,• die Nachgiebigkeiten von Schraube und verspannten Teilen P und S zum Aufteilen

der Betriebskraft und zur Berechnung der Restklemmkraft. Dies kann auch über


das Auslesen des Kontaktdruckes im Flanschbereich aus den Kontaktergebnissennachgewiesen werden (Rechenschritt R3 in der VDI-Richtlinie).

NmmEFEMPS 06345,210000/02345,0, -=»+d

•Rechenbeispiel für die Gesamtnachgiebigkeit einer mit10000 N vorgespannten Schraube•FSmax lässt sich in entsprechender Weise ausgeben

• Schraubenvorspannweg undSchraubengesamtkraft über„Solution -> Insert -> Probe ->Bolt Pretension“

• Hinweis: Bei ungleich verteilterNachgiebigkeit um den


Schrauben


Nachgiebigkeit um denSchraubenkopf (exzentrischeVerspannung Bsp.Rohrflanschverbindung) muss zurErmittlung des darausresultierenden Biegemomentes inder Schraube die Vernetzung desFlansches um dieSchraubenbohrung ausreichendfein sein

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• Am Beispiel der FKM-Richtlinie mit ANSYS-Workbench-FKM als Teilder CADFEM-IHF-Toolbox

• Warum FKM?

Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen



• Warum FKM?• Die FKM-Richtlinie hat ein in sich geschlossenes Nachweiskonzept und ist

von ihrer Struktur her bereits algorithmisch aufgebaut.• Das Nachweisverfahren ist allgemein definiert für mechanisch beanspruchte

Bauteile. Es gibt keine Begrenzung auf spezifische Bauteilarten• Darüber hinaus ist sie eine der meist verwendeten und modernsten

Richtlinien.


Nicht geschweißte Bauteile• Struktur der FKM-Richtlinie

In ANSYS WB-FKM ist der

Siehe „Ermittlung derBauteilbeanspruchungen“


FKM ist derstatische undder zyklischeNachweis mitörtlichenSpannungenenthalten. Hiernur dieBetrachtungdes zyklischenNachweises

Ablauf der Rechnung:1. Die Spannungen werden durch

eine statische mechanischeAnalyse gerechnet.Gegebenenfalls mit mehrerenLastfällen.


Nicht geschweißte BauteileWB-FKM Toolbar


Lastfällen.2. Möglichkeit: Eingabe eines

Lastkollektivs über denKollektiveditor oder Verwendungeines vordefiniertenStandardkollektivs

Ablauf der Rechnung:3. Materialdaten:

• Die in der Richtlinieenthaltenen Materialienstehen größtenteils in WB-FKM V fügung




FKM zur Verfügung• Entsprechend der

Richtlinie können aucheigene Materialiendefiniert werden

• Die Werkstoffe sind nachWerkstoffgruppenentsprechend derRichtlinie eingeteilt

Ablauf der Rechnung:4. Einfügen der Analyse als Item

unter „Solution“ undDefinitionen im Detailfenster• Auswahl der nachzuweisenden

Bereiche als:




Bereiche als:• Alle Körper• Eine Geometrieauswahl• Eine Komponente• Mehrere Geometrieauswahlen,

wenn benutzerdefinierteAuswahl verwendet wird

• Nachweiseinstellungen:• Definition der Lastfälle• Globale Parameter• Lokale Parameter

• Nachweiseinstel-lungen:• Definition der

Lastfälle z. B. alsUmkehrpunkte oderüber das




über dasSpannungsverhält-nis

• Nachweiseinstel-lungen:• Globale

Einstellungenwie Schadens




wie Schadens-akkumulation,Überlastfall,Kollektivform, …

• Nachweiseinstel-lungen:• Die lokalen

Nachweisparameterlegen für jede




legen für jedeDomäne WerkstoffundKonstruktionswertefest.

• Weiterhin werden hierdieSicherheitsfaktoreneingestellt.

• Nachweiseinstel-lungen:• Die gewünschten

Ergebnisse werdendirekt im Detailfensterangegeben.Man erhält den




• Man erhält dengewünschten Plot, hier156% Auslastungsgrad.

• Negative ZahlenentsprechenRückmeldungen desSolvers. DiesePostionen entsprechennicht der Richtlinie.

• (Fehlercode sieheDokumentation)

5. Dokumentation• Nach der Rechnung innerhalb

von ANSYS Workbench kannfür die höchstbelasteten Knotenein Bericht ausgegebenwerden.




werden.

• In dem Bericht sind dieBerechneten Zwischenwerteenthalten sowie alle Eingabennochmals aufgeführt. Damit isteine Überprüfung nachRegelwerk möglich

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• Am Beispiel der FKM-Richtlinie mit ANSYS-Workbench-FKM-Weldals Teil der CADFEM-IHF-Toolbox

• Motivation:• FKM-Richtlinie: Analog zum Nachweis nichtgeschweißter Bauteile.




• Der Nachweis von Schweißnähten wird dann schwierig und vor allemaufwendig, wenn das Gesamtbauteil als Schweißkonstruktion sehrkomplex ist und eine Vielzahl von Schweißnähten enthält.

• Es beginnt bei der Fragestellung:Welche Schweißnähte liegen im Lastfluss und welche Schweißnähte sindunter den Kriterien der zyklischen Auslastung hoch bzw. überlastet?

Umsetzung:• WB-FKM-Weld setzt auf

Schalenmodellen auf.• Schweißnähte werden automatisch

gefunden.




• Der Nachweis wird mitNennspannungen entsprechend derFKM-Richtlinie geführt.

• Bei „langen“ – Nähten und Nähtenmit kompliziertem Verlauf werden dieNennspannungen segmentweiseerrechnet. => lokaleNennspannungen (inzwischen nachIIW-Richtlinie und FKM zulässig)



Die Bedienstruktur von WB-FKM-Weld ist analog zu WB-FKM aufgebaut


Ablauf der Rechnung:1. Die Nennspannungen werden

aus den Knotenkräften dermechanischen Analyseentsprechend der




Schweißnahtparametererrechnet.

2. Möglichkeit: Eingabe einesLastkollektivs analog zumNachweis nicht geschweißterBauteile

3. Materialdaten analog zumNachweis nicht geschweißterBauteile

Ablauf derRechnung:

4. Einfügen derAnalyse als Itemunter „Solution“ und




„SDefinitionen imDetailfenster• Automatisches

Auffinden undVisualisieren derNähte

• Verbindungsbenen-nungen werdenübernommen




• Nachweisparameter der einzelnenNähte, wenn nichtdie globalenEinstellungen




ellungenverwendet werden:• Material• FKM-

Schweißnahtpara-metern

• Sicherheitsfaktoren



• Nachweisparameter der einzelnenNähte, wenn nichtdie globalenEinstellungen


verwendet werden:• FAT-Klassen in

Abhängigkeit vomSchnittufer



• Nachweisparameterder einzelnen Nähte,wenn nicht dieglobalen Einstellungenverwendet werden:


• SonstigeNachweisparameterund Lastdaten werdenanalog zu WB-FKM fürnicht geschweißteBauteile eingestellt

• Auswahl derErgebnisse imDetailfenster

5. Dokumentation• Nach der Rechnung innerhalb

von ANSYS Workbench kannfür beliebige Schweißnähte ein




Bericht ausgegeben werdenmit:

• Eingangsgrößen• Zwischenergebnisse für

alle Segmente

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Nachweis nach VDI 2230 alsEinzelschraubennachweis der höchstbelasteten Schraube:

• Nachweis der Restklemmkraft


Schrauben

FFF


PAMKR FFF -=

sF ×=d1

)( PASASP

PSA FFnF +×

+×=

ddd

• Nachweis der maximalen Zugspannung:


Schrauben

22

max

0

maxmax

P

G

Sz

WM

AF

=

=

t

s


• Nachweis der Schwingbeanspruchung z.B. bei schlussvergüteten Schrauben:

min2,02

max2max )(3 pz Rk <××+ ts t

DD

ASa

S

SAuSAoa

Sd

S

AFF

÷øö

çèæ +×

=<

-=

4515085,0

2

ss

s


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Hinweise


Hinweise

• Drei Vortragssessions am Donnerstag zur Betriebsfestigkeit•Drei Kompaktseminare am Freitag allgemein zur Betriebsfestigkeitund im speziellen zu den Software-Tools•ANSYS nCode Designlife•CADFEM-IHF-Toolbox ANSYS-WB-FKM und ANSYS-WB-FKM-Weld

• CADFEM FKM Seminare:

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• CADFEM FKM-Seminare:Nächste Termine:25.09.2014 in Wien (AT)23.10.2014 in Grafing bei München

http://www.esocaet.com/seminare/strukturmechanik/s/10068.html


http://www.esocaet.com/seminare/strukturmechanik/s/10068.html

CADFEM GmbHZentrale GrafingMarktplatz 2 85567 Grafing b. MünchenT +49 (0)8092 [email protected]

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Deutschland

ÖsterreichÖsterreich

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Lebensdauer und Simulation … · 2015-12-21 · CADFEMGmbH ZentraleGrafing Marktplatz 2 85567Grafing b. München T+49(0)8092 7005-0 [email protected] GeschäftsstelleDortmund Carlo-Schmid-Allee3