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© CADFEM 2014
Lebensdauer und Simulation
ACUM 2014
ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 1
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Betriebsfestigkeit und Simulation
Nürnberg
CADFEM GmbH
Marktplatz 285567 Grafing b. München
© CADFEM 2014
Verfasser: Dipl.-Ing. Thomas EbbeckeGeschäftsstelle: Berlin
Ausgabedatum: ACUM 2014Status: öffentlich
ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 2
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Berufliche Daten:• Studium der Schiffs- und Meerestechnik an der TU-Berlin
• Wissenschaftliche Mitarbeit beim Thema Seegangsversuche imFachgebiet Meerestechnik der TU-Berlin
Betriebsfestigkeit und Simulation
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 3
• 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
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
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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© CADFEM 2014
Einleitung
ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 5
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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
© CADFEM 2014
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
6ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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Einleitung
Größenordnungen beim Betrachten undUntersuchen des Phänomens der Ermüdung- Abgrenzung zu anderen Disziplinen(Werkstoffwissenschaften)
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 7
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
lung hung§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
8ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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Methoden und Struktur der
Betriebsfestigkeitsanalyse
ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 9
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Betriebsfestigkeitsversuche• Von der Bauteillastermittlung über Simulation zur Verifikation• Bauteillastermittlung: Versuch - Simulation• Versagensarten• Rechenmethoden• Schweißverbindungen
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 10
• Schweißverbindungen• Rissfortschritt
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Betriebsfestigkeitsversuche - Zeitaufwand:
• Immer hoherZeitaufwand beiBetriebsfestig-keitsversuchenam Prototyp
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am Prototyp• Um Wöhlerver-
suche kommtman nicht her-um, wenn keineDaten vorliegen(Stahl u. AluausreichendDatenmaterial)
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Von der Bauteillastermittlung über Simulation zur Verifikation:Ziel:• Betriebslastermittlung
der Gesamtkonstruk-tion im Feldversuch anausgezeichnetenStellenErmittlung der
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 12
• Ermittlung derLastübertagungsfunk-tionen für dasEinzelbauteil per Si-mulation (Starrkörperoder Berücksichtigungder Einzelelastizitätenim Lastpfad)
• Nachweis desEinzelbauteils perSimulation
• Prüfstandsversuche(reduziert) zurVerifikation
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Bauteillastermittlung: Versuch - Simulation• Instationäre Lasten wie
Spannungen oderSchnittlasten an den Grenzen desEinzelbauteils sindvergleichsweiseauf endi it
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 13
• Instationäre Lastenim Feldversuch anausgewiesenenPunkten derGesamtkonstruktionvergleichsweiseleicht zugänglich.
aufwendig mitbegrenzter Auflösung(Dehnmesstreifen) zuermitteln.
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Versagensarten:high cycle fatiguelow cycle fatigueGewaltbruch
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Haupt-einfluss-größen
geringe plastischeWechselverformungen im Kerbgrund
Kerbschärfe,Herstellung,Eigenspannungen
große plastischeWechselverformungenim Kerbgrund
Kerbschärfe,zyklisches s-e-Verhalten
großeVerformungder gesamtenStruktur
FestigkeitNettoquerschnitt
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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
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Schweißverbindungenu Berechnungsansätze
- Nennspannungsnachweis
- Strukturspannungsnachweis
- Kerbspannungsnachweis
bruchmechanischer Sicherheitsnachweis
so
s u
s
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 16
- 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
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
Festigkeitsnachweise für Schweißverbindungen- Nennspannungsnachweis: Kerbfälle (Schweißstöße) müssen klassifiziert sein;
- Strukturspannungsnachweis: Festlegung der Extrapolationspunkte;
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 17
- 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.
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Rissfortschritt
Drei Rissöffnungsarten
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 18
Mode I häufigster Fall
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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.
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 19
0xz =
÷øö
çèæ
÷øö
çèæ
÷øö
çèæ=
23cos
2sin
2cos
r2KI
xy
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• 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.
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 20
• Aus den Spannungen erhält man bei :
• Ebenso ist eine Berechnung bei aus den Verschiebungenmöglich. So wird es auch in ANSYS vorgenommen.
°= 0
°±= 180
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• Spannungsintensitätsfaktoren: Geschlossene Lösung
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 21
Gross, Seelig(2006)
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Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse
• 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
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 22
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×=¶¶
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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×=¶¶
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 23
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
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
lung hung§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
24ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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© CADFEM 2014
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse
ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 25
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
• Interpretation der Bauteilbelastungen / LastartenBeanspruchungs-Zeit-Funktion
Grundbeanspruchung Zusatzbeanspruchung
aus Schwingungsvorgängen
nach Haibach
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 26
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
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mitANSYS15.0 nCode DesignLife
• Konstante Amplitude :• Einheitslastfälle werden zu einem
Einstufenkollektiv addiert.
• Timeseries:N
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 27
• 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.
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mitANSYS15.0 nCode DesignLife
Bsp.: aus dem Zeitschrieb ein Frequenzspektrum erstellen für die dynamische Analyse
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 28
Input Pad Output Pad
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
L1=1Einheitslastfall 1
L2=1
Einheitslastfall 2
Lineare statische Superposition
Spannungen der Einheitslastfälle
• Bauteilbelastungen / Lastartenanalysieren mit ANSYS15.0nCode DesignLife
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 29
Lineare statische Superposition
C1A C2A* L1(t) + * L2(t) + ... = sA(t)Lokale Spannungs-ZeitReihe
sA
für alleKnoten/Elemente
Last-Zeit-Reihen
L2L1
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• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0nCode DesignLife
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
• Vorteil:• geringe Rechenzeiten des FE-Modells• wenig Speicherbedarf auf der Platte nötig
die Einheit la tfälle können fü hieden La tkollekti ndet
Lineare statischeSuperposition
© CADFEM 2014
• 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.
30ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
Lokale Spannungs-ZeitReiheLast-Zeit-Reihen
sAL1
L1
sA
Time Step: TransienteAnalyse mit vollenMatrizen
• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0 nCodeDesignLife
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 31
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 !
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
• 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
• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0 nCodeDesignLife
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 32
• 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
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
ANSYSTime Step: Transiente Analyse mit modaler Superposition
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 33
nCode
sALokale Spannungs-ZeitReihe
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
• 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
• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0 nCodeDesignLife
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 34
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
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
Dynamische Analyse mit PSD, Bsp. Integration nCode in WB
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 35
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
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
DynamischeAnalyse mit PSD
Ergebnis aus der ANSYS-WB Harmonic-Response-Analyseüber den entsprechenden Frequenzbereich
• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0 nCode DesignLife
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 36
Eingabe des PSD-Spektrums
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
LinearSuperposition
ModalSuperposition
Transient Vibration
Quasi-static Dynamic Dynamic Dynamic (steady-state)
Übersicht Lastaufbringungen• Bauteilbelastungen / Lastarten analysieren mit ANSYS15.0
nCode DesignLife
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 37
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
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Interpretation der Bauteilbelastungen
• Arbeitsoberfläche ANSYS nCode DesignLife
ModularerAufbau
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 38
Datenfluss zwischenden einzelnenModulen wirdgraphisch über„Pipes“ dargestllt
Module mit der entsprechenden Funktionalitätwerden aus dem Modulkatalog ausgewählt, aufder Arbeitsfläche platziert und entsprechendverlinkt
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
ung beanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
39ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
• Nennspannungen: über den „tragenden“ –auch Nennquerschnitt genannten Querschnitt
ElastischeVerformung imKerbgrund
Elastische Spannungsermittlung
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 40
ennque genanndes Bauteils gemittelte Spannungen
• Örtliche Spannungen: lokale, örtlicheSpannungen werden mit ausreichenderGenauigkeit ermittelt.
Nennquerschnitt
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte BauteileElastisch-plastische SpannungsermittlungNeuber – Hyperbel und s-e -Diagramm liefern smax und emax , oderBerechnung mit elastisch-plastischem Werkstoffgesetz
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 41
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• Örtliche - bzw. Kerbspannungen sind sensibel bezüglich dergewählten Netzdichte
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile elastisch
v.M.=380 MPa v.M.=411 MPa
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 42
v.M.=415.28 MPa v.M.=415.18 MPa
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Spannungen
Bei Betriebsfestigkeitsanalysen wirkt sich der Anstieg der Spannung sehr stark aus!
Nicht geschweißte Bauteile elastisch
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 43
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
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
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
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 44
x
max
* 1 ddy
sc = - ×s
smax
s(y)
•Rauhigkeit•Randschichtverfestigung•Schutzschicht Aluminium
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile elastischErmittlung des Gradienten in
ANSYS-Workbench:1. Berechnung der
Kerbspannung imSubmodell
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 45
2. Platzierung einesKoordinatensystems amOrt der maximalenSpannung mit der Option„Hit Point Normal“
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile elastischErmittlung des Gradienten in
ANSYS-Workbench:1. Berechnung der Kerbspannung
im Submodell2. Platzierung eines
Koordinatensystems am Ort dermaximalen Spannung mit der
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 46
• 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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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
ung beanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
47ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
u Berechnungsansätze- Nennspannungsnachweis
- Strukturspannungsnachweis
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 48
- Kerbspannungsnachweis
- auf den bruchmechanischen
Sicherheitsnachweis wird hier nicht weitereingegangen
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Nennspannungen
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 49
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
MakrogeometrischeEffekte müssen bei denNennspannungenberücksichtigt werden
Nennspannungen
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 50
berücksichtigt werden.(IIW-Richtlinie „lokaleNennspannungen“)=> Bei „komplexen“Strukturen lassen sichausgewieseneNennspannungsquer-schnitte seltenidentifizieren
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte BauteileStrukturspannungen
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 51
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Geschweißte BauteileStrukturspannungen
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 52
Linearisierte Spannungen können ebenfalls alsStrukturspannungen verwendet werden
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• Definition undBerechnung derStrukturspannungen
IIW-Em fehlungen Dok
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte BauteileStrukturspannungen
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 53
Empfehlungen Dok.IIW-1823-07 (12/2008)
• Berechnung derStrukturspannungüberwiegend mit FEM(ggfls. auch DMS-Messung).
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte BauteileEffektive Kerbspannungen
Ableitung des„R1MS“Konzeptes nachVorschlägen von Fricke
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 54
hlägenund Radaj
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte BauteileEffektive Kerbspannungen
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 55
Elementgröße nach FKM-Empfehlung
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
ung beanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
56ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Schrauben
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 57
• Schraubenverbindungen werden in der Regel alsEinschraubenverbindungen nachgewiesen.
• Der Nachweis nach VDI 2230 erfolgt mit Schnittkräften bzw.Nennspannungen und Nachgiebigkeiten
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Schrauben
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 58
( )
PS
Pn
ASA
VthZAKerfM
n
FFFFFFF
ddd+
×=F
×F=
D++×F-+= 'min 1• Mindestmontagevorspannkraft
• Setzkraftverlust FZ, Temperatur• Axiale Schraubenzusatzkraft
• Kraftverhältinsaus den Einzelnachgiebigkeiten
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
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
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 59
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
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• Schraubenvorspannweg undSchraubengesamtkraft über„Solution -> Insert -> Probe ->Bolt Pretension“
• Hinweis: Bei ungleich verteilterNachgiebigkeit um den
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Ermittlung der Bauteilbeanspruchungen
Schrauben
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 60
Nachgiebigkeit um denSchraubenkopf (exzentrischeVerspannung Bsp.Rohrflanschverbindung) muss zurErmittlung des darausresultierenden Biegemomentes inder Schraube die Vernetzung desFlansches um dieSchraubenbohrung ausreichendfein sein
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
lung hung§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
61ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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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
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 62
• 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.
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile• Struktur der FKM-Richtlinie
In ANSYS WB-FKM ist der
Siehe „Ermittlung derBauteilbeanspruchungen“
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 63
FKM ist derstatische undder zyklischeNachweis mitörtlichenSpannungenenthalten. Hiernur dieBetrachtungdes zyklischenNachweises
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Ablauf der Rechnung:1. Die Spannungen werden durch
eine statische mechanischeAnalyse gerechnet.Gegebenenfalls mit mehrerenLastfällen.
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte BauteileWB-FKM Toolbar
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 64
Lastfällen.2. Möglichkeit: Eingabe eines
Lastkollektivs über denKollektiveditor oder Verwendungeines vordefiniertenStandardkollektivs
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Ablauf der Rechnung:3. Materialdaten:
• Die in der Richtlinieenthaltenen Materialienstehen größtenteils in WB-FKM V fügung
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 65
FKM zur Verfügung• Entsprechend der
Richtlinie können aucheigene Materialiendefiniert werden
• Die Werkstoffe sind nachWerkstoffgruppenentsprechend derRichtlinie eingeteilt
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Ablauf der Rechnung:4. Einfügen der Analyse als Item
unter „Solution“ undDefinitionen im Detailfenster• Auswahl der nachzuweisenden
Bereiche als:
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 66
Bereiche als:• Alle Körper• Eine Geometrieauswahl• Eine Komponente• Mehrere Geometrieauswahlen,
wenn benutzerdefinierteAuswahl verwendet wird
• Nachweiseinstellungen:• Definition der Lastfälle• Globale Parameter• Lokale Parameter
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• Nachweiseinstel-lungen:• Definition der
Lastfälle z. B. alsUmkehrpunkte oderüber das
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 67
über dasSpannungsverhält-nis
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• Nachweiseinstel-lungen:• Globale
Einstellungenwie Schadens
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 68
wie Schadens-akkumulation,Überlastfall,Kollektivform, …
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• Nachweiseinstel-lungen:• Die lokalen
Nachweisparameterlegen für jede
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 69
legen für jedeDomäne WerkstoffundKonstruktionswertefest.
• Weiterhin werden hierdieSicherheitsfaktoreneingestellt.
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• Nachweiseinstel-lungen:• Die gewünschten
Ergebnisse werdendirekt im Detailfensterangegeben.Man erhält den
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 70
• Man erhält dengewünschten Plot, hier156% Auslastungsgrad.
• Negative ZahlenentsprechenRückmeldungen desSolvers. DiesePostionen entsprechennicht der Richtlinie.
• (Fehlercode sieheDokumentation)
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5. Dokumentation• Nach der Rechnung innerhalb
von ANSYS Workbench kannfür die höchstbelasteten Knotenein Bericht ausgegebenwerden.
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Nicht geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 71
werden.
• In dem Bericht sind dieBerechneten Zwischenwerteenthalten sowie alle Eingabennochmals aufgeführt. Damit isteine Überprüfung nachRegelwerk möglich
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
lung hung§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
72ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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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.
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 73
• 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?
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Umsetzung:• WB-FKM-Weld setzt auf
Schalenmodellen auf.• Schweißnähte werden automatisch
gefunden.
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 74
• 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)
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
Die Bedienstruktur von WB-FKM-Weld ist analog zu WB-FKM aufgebaut
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 75
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Ablauf der Rechnung:1. Die Nennspannungen werden
aus den Knotenkräften dermechanischen Analyseentsprechend der
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 76
Schweißnahtparametererrechnet.
2. Möglichkeit: Eingabe einesLastkollektivs analog zumNachweis nicht geschweißterBauteile
3. Materialdaten analog zumNachweis nicht geschweißterBauteile
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Ablauf derRechnung:
4. Einfügen derAnalyse als Itemunter „Solution“ und
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 77
„SDefinitionen imDetailfenster• Automatisches
Auffinden undVisualisieren derNähte
• Verbindungsbenen-nungen werdenübernommen
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 78
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• Nachweisparameter der einzelnenNähte, wenn nichtdie globalenEinstellungen
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 79
ellungenverwendet werden:• Material• FKM-
Schweißnahtpara-metern
• Sicherheitsfaktoren
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
• Nachweisparameter der einzelnenNähte, wenn nichtdie globalenEinstellungen
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 80
verwendet werden:• FAT-Klassen in
Abhängigkeit vomSchnittufer
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Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
• Nachweisparameterder einzelnen Nähte,wenn nicht dieglobalen Einstellungenverwendet werden:
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 81
• SonstigeNachweisparameterund Lastdaten werdenanalog zu WB-FKM fürnicht geschweißteBauteile eingestellt
• Auswahl derErgebnisse imDetailfenster
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5. Dokumentation• Nach der Rechnung innerhalb
von ANSYS Workbench kannfür beliebige Schweißnähte ein
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Geschweißte Bauteile
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 82
Bericht ausgegeben werdenmit:
• Eingangsgrößen• Zwischenergebnisse für
alle Segmente
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Gliederung
• Einleitung• Methoden und Struktur der Betriebsfestigkeitsanalyse• Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyseo Interpretation der BauteilbelastungenoErmittlung der Bauteilbeanspruchungen
© CADFEM 2014
lung hung§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
oBewertung der Bauteilbeanspruchungen§ Nicht geschweißte Bauteile§ Geschweißte Bauteile§ Normteile z. B. Schrauben
83ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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Nachweis nach VDI 2230 alsEinzelschraubennachweis der höchstbelasteten Schraube:
• Nachweis der Restklemmkraft
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Schrauben
FFF
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 84
PAMKR FFF -=
sF ×=d1
)( PASASP
PSA FFnF +×
+×=
ddd
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• Nachweis der maximalen Zugspannung:
Simulation in der Betriebsfestigkeitsanalyse, Bewertung der Bauteilbeanspruchungen
Schrauben
22
max
0
maxmax
P
G
Sz
WM
AF
=
=
t
s
© CADFEM 2014 ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 85
• 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
ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation 86
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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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87ACUM 2014 Lebensdauer und Simulation
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