A-Struct: Ihr Mehrwert in der Simulation
Nicht nur bunte Bilder! Ihr Mehrwert durch A-Struct, beschrieben an einem exemplarischen Beispiel.
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A-Struct: Ihr Mehrwert in der Simulation; unsere Bewertungssoftware A- Struct ermöglicht es Ihnen, die Ergebnisse Ihrer Simulation zu bewerten und anhand dieser Erkenntnisse Verbesserungen und Optimierungen zu implementieren.
Die Grundlage zur Beurteilung der statischen Festigkeit, sowie der Ermüdungsfestigkeit ist die FKM-Richtlinie mit örtlichen Spannungen, ideal für die Bewertung von Simulationsergebnissen geeignet. Somit können Berechnungen für nicht geschweißte Bauteile aus Stahl, Eisenguss sowie Aluminiumwerkstoffen durchgeführt werden.
A-Struct bietet enorme Vorteile gegenüber den herkömmlichen Berechnungsmethoden wie beispielsweise der Handrechnung, oder der Berechnung mit geeigneter Mathematik Software. Wesentlich ist die erhebliche Zeitersparnis, welche für viele Anwender von großer Bedeutung ist. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die spezielle Implementierung im Hintergrund, daher ist es nicht notwendig Formeln, Konstanten oder Variablen in der FKM-Richtlinie nachzuschlagen. Die Bedienung ist einfach und der Benutzer durchläuft einen geführten Eingabeprozess. Durch den sequenziellen Ablauf der Eingabe können falsch ausgewählte Formeln und Tippfehler ausgeschlossen werden. Durch Hinterlegung der kompletten Materialdatenbank der FKM können alle notwendigen Parameter sowie Festigkeitswerten eingelesen und eine Berechnung ohne Komplikationen durchgeführt werden.
Wir möchten in diesem Whitepaper anhand eines Beispiels die Vorteile und den Ablauf einer Berechnung mit A-Struct beschreiben.
Das Berechnungsmodell – eine kurze Beschreibung
Als Beispiel dient ein Bauteil verwendet, in welchem ein Freistich in einem Flansch zu beurteilen ist. Der Flansch hat eine abdichtende Funktion und ist mittels Schrauben an einem Gehäuse befestigt.
Abbildung 1 – Das Berechnungsmodell
Abbildung 1 zeigt eine Baugruppe und ihr FE- Netz. Verwendet wird ein 15° Modell. Die gelb markierten Flächen wurden mit einer Verschiebungs- bzw. Symmetrie Randbedingung modelliert.
Abbildung 2 – die Lasten
In Abbildung 2 sind die aufgebrachten Lasten ersichtlich. Die Schraube wurde mit einer Vorspannung beaufschlagt. Auf die gelb markierten Flächen wurde eine Druckbelastung aufgebracht. Nach durchgeführter FE-Berechnung ergibt sich folgende Spannungsverteilung.
Abbildung 3 – Spannungs- Hot Spot [MPa]
Abbildung 4 – Hot Spot im Detail [MPa]
Abbildung 3 zeigt, dass im Bereich der Schraube eine sehr hohe Von-Mises-Spannung auftritt. Der Rot markierte Bereich in Abbildung 3 wird in Abbildung 4 genauer dargestellt. Genau in diesem Bereich befindet sich der Freistich, welcher mittels A-Struct nun bewertet wird. Man kann zunächst eine Berechnung anhand des globalen Modells durchführen, welche im ersten Schritt eine Tendenz zeigt in welchem Bereich sich der Auslastungsgrad befindet.
Abbildung 5 – kritisches Element [MPa]
Nachdem die Stelle der höchsten Von-Mises-Spannung und die dazugehörigen Hauptnormalspannungen ermittelt wurden, können diese Daten in A-Struct eingegeben werden.
Die Bewertung mit A- Struct
A-Struct: Ihr Mehrwert in der Simulation, A-Struct bietet durch die Integration von Femap und NX die Möglichkeit die Hauptnormalspannungen direkt einlesen zu können. In diesem Beispiel wird der manuelle Weg gegangen, welcher unabhängig vom verwendeten FE-Programm genutzt werden kann.
Abbildung 6 – Eingabe in die Software
Abbildung 6 zeigt die vier Eingabefenster die für einen statischen Festigkeitsnachweis erforderlich sind. Links oben werden die Hauptnormalspannungen eingegeben. Rechts davon, der bereits ausgewählte Werkstoff. In diesem Beispiel wird ein Vergütungsstahl 38Cr2 für den Flansch gewählt. Links unten wird die plastische Formzahl angegeben. Diese definiert wie hoch die Tragreserven eines Bauteils sind, nachdem die elastische Grenzlast erreicht wurde. Als Plastische Formzahl wird 1 gewählt, welche die konservativste Annahme darstellt. Als letzter Punkt erfolgt die Eingabe der Sicherheitsfaktoren. Nachdem alle notwendigen Eingaben getätigt wurden, zeigt A-Struct mittels eines Ampelsystems (rot/grün) an ob alle nötigen Eingaben gemacht wurden. In weiterer Folge kann die Berechnung gestartet werde. Ist die Berechnung abgeschlossen erscheint ein Fenster in dem Vergleichsauslastungsgrad dargestellt wird, was in Abbildung 7 dargestellt ist.
Abbildung 7 – Initiales Berechnungsergebnis
Die Berechnung ergibt einen Vergleichsauslastungsgrad von 1,38 der in Rot dargestellt wird. Die Farbe Rot definiert bei A-Struct, dass der Auslastungsgrad über 1 liegt und daher kein Nachweis erbracht werden kann. Das Bauteil ist 38% überlastet.
Mittels A-Struct ist es möglich unmittelbar im Anschluss einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis zu führen. Somit erhält man eine Aussage hinsichtlich der Dauerfestigkeit.
Abbildung 8 – Eingabemaske Ermüdungsfestigkeit
In Abbildung 8 sind die Eingabefenster des Ermüdungsfestigkeitsnachweises zu sehen. Links oben werden die Hauptnormalspannungen des Stützpunktes angegeben sowie dessen Abstand zum Nachweispunkt. Die Hauptnormalspannungen vom Nachweispunkt werden vom statischen Nachweis übernommen. Rechts oben erfolgt die Eingabe der Oberflächenbeschaffenheit sowie der Faktor für eine eventuell vorliegende Randschichthärtung. Links unten wird der Überlastungsfall, im vorliegenden Beispiel mit einem konstanten Spannungsverhältnis – Überlastungsfall ausgewählt. Weiters legt man die Bauteil Lebensdauer fest. Da das Bauteil hinsichtlich Dauerfestigkeit bewertet werden soll, wird dies mit ausgewählt. Zuletzt erfolgt die Eingabe des Sicherheitsfaktors. Nachdem alle Eingaben getätigt sind, verwendet A-Struct auch hier das Ampelsystem um die korrekten Eingaben zu visualisieren. Die Berechnung für den zyklischen Auslastungsgrad kann gestartet werden
Abbildung 9 – Ergebnis Ermüdungsfestigkeit
A-Struct: Ihr Mehrwert in der Simulation, als Ergebnis erhält man den zyklischen Auslastungsgrad. Wird das Ergebnis in Rot dargestellt kann kein Nachweis erbracht werden, grün besagt, dass ein Nachweis erbracht werden kann. In diesem Beispiel ist der zyklische Auslastungsgrad der ersten Hauptnormalspannung über eins. Das heißt der Nachweis kann nicht erbracht werden. Um den Nachweis zu erbringen müssen alle Auslastungsgrade unter eins liegen.
Um eine gute Dokumentation zu gewährleisten kann an dieser Stelle der Berechnung ein Bericht erstellt werden. Dieser ist für eine detaillierte Dokumentation unumgänglich, siehe Abbildung 10.
Abbildung 10
Dies war die Betrachtung des globalen Modells. Für viele Anwender ist es jedoch wesentlich eine genauere Betrachtung der kritischen Stelle des Bauteils durchzuführen. Dafür ist es notwendig ein Submodell zu erstellen. Im vorliegenden Beispiel wurde ein kleiner Bereich rund um den Freistich als Submodell aufgebaut, um so eine höhere Auflösung hinsichtlich der Vernetzung zu erhalten.
Abbildung 11 zeigt den Unterschied der Vernetzung im Bereich des Freistichs.
Abbildung 11 – feine Vernetzung im Submodell
Nachdem das Submodell im FE-Programm berechnet wurde kann die Berechnung mittels A-Struct wiederholt werden. Ablauf und Eingabe der nötigen Daten ist ident mit dem des globalen Modells.
Abbildung 12 – schnelle Iteration im Submodell
Abbildung 12 zeigt den Auslastungsgrad des Submodells hinsichtlich statischem Festigkeitsnachweis sowie Ermüdungsfestigkeitsnachweis. Die Auslastungsgrade für beide Nachweise sind etwas höher als im globalen Modell, da auch die Spannungen im Submodell etwas höher sind. Zurückzuführen ist dies auf die höhere Anzahl von Elementen im Submodell im Bereich des Freistiches.
Das initiale Ergebnis:
Im Radius des Freistichs ist sowohl der statische als auch der Dauerfestigkeitsnachweis gemäß FKM-Richtlinie nicht erbracht. Unter den im Modell gegeben Belastungen, Materialien und der geometrischen Ausführung wird mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Versagen des Bauteils eintreten.
Um ein Bauteilversagen zu verhindern müssen somit Änderungen vorgenommen werden. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten, um den Auslastungsgrad zu verbessern.
Schnelle Iterationen zum Verbessern des Bauteils
Hier kann A-Struct die volle Stärke ausspielen, alle bereits eingegebenen Daten sind vorhanden, es können iterativ und schnell unterschiedliche Designänderungen untersucht werden, wie wir anhand dieses Beispiels nachfolgend beschreiben.
Abbildung 13 – Schraubenkraftveränderung
Im ersten Schritt kann man die Schraubenvorspannung verändern, da in diesem Fall die Vorspannung großen Einfluss auf den Spannungszustand im Freistich hat.
Abbildung 14 – lokale Veränderung
Zweite Möglichkeit ist die Geometrie im Freistich zu verändern. Als Beispiel kann hier der Radius im Freistich erhöht werden, um somit einen günstigeren Spannungszustand zu erhalten (Abbildung 14).
Direkter mehrwert – Schnelle Beurteilung Materialänderung, A-Struct
Abbildung 15 – Schnelle Beurteilung Materialänderung
Letzte Möglichkeit zur Verbesserung ist die Änderung des Materials. Dies kann über die hinterlegte Materialdatenbank der FKM sehr schnell und einfach gemacht werden. Es gehen dadurch keine zuvor getätigten Eingaben verloren, siehe Abbildung 15.
Wesentlich ist es nicht alle Veränderungen gleichzeitig vorzunehmen. Ansonsten kann man keine Aussage darüber treffen, welche Änderung (Schraubenvorspannung, Radius im Freistich, Materialwechsel) das Ergebnis positiv beeinflusst.
Direkter Mehrwert – Ergebnis Nachweis A-Struct
Abbildung 16
Für das gezeigte Beispiel wurde lediglich das Material von 38Cr2 auf 41Cr4 geändert. Wie in Abbildung 16 ersichtlich haben sich die Ergebnisse der Berechnung für beide Nachweisfälle wesentlich nach unten korrigiert. Durch die Änderung ist nun sowohl der statische als auch der Dauerfestigkeitsnachweis erbracht.
A-Struct: Ihr Mehrwert in der Simulation; das Beispiel zeigt anschaulich welche Rolle A-Struct in der Verbesserung von Bauteilen spielt und wie es eingesetzt werden kann. Im kontinuierlichen Verbesserungsprozess ist A-Struct die Konstante, welche dem Anwender die nötige Flexibilität und Sicherheit gibt.
