Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen
Was ist S-Life FKM?
S-Life FKM ist die Festigkeitsbewertungs-Software innerhalb der PART Software Suite für Stahl-, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffe. Ergebnisse aus einer Struktursimulation werden gemäß der FKM-Richtlinie [1] automatisiert ausgewertet. Die Software wird als Postprozessor eingesetzt.
Mit S-Life FKM werden auf einfache Weise mechanische Spannungen aus FEM-Simulationen so weiterverarbeitet, dass eine Bewertung der statischen Festigkeit und der Ermüdungsfestigkeit möglich ist. Als Ergebnis werden u.a. die statischen und zyklischen Auslastungsgrade des Bauteils nach FKM-Richtlinie als Konturplot dargestellt.
[1] Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, FKM-Richtlinie, 7. Auflage, Forschungskuratorium Maschinenbau, VDMA Verlag, Frankfurt am Main, Germany, 2020
Das Problem
Keine standardisierte Vorgehensweise
Die korrekte Bewertung von Simulationsergebnissen entscheidet in hohem Maße über den Nutzen der Simulation insgesamt. Regelmäßig ist im Hinblick auf die Bewertung der mechanischen Festigkeit von Bauteilen unklar, wie diese zu erfolgen hat. In besonderem Maße ist dies bei der Ermüdungsfestigkeit der Fall. Fehlende Anwendung geeigneter Vorgehensweisen führen zu Unsicherheit oder schlimmstenfalls Fehlbewertungen.
Werkstoff- und Bauteilpotenzial werden nicht ausgeschöpft
In Ermangelung geeigneter Methoden oder aus Unkenntnis wird oft eine konservative Auslegungsgrenze verwendet. Dies sind häufig die Streckgrenze des Werkstoffs oder die nominal ermittelten zyklischen Festigkeiten aus Wöhlerkurven. Das plastische Werkstoffpotenzial beim Nachweis der statischen Festigkeit und die zyklische Stützwirkung bei der Ermüdungsfestigkeit bleiben ungenutzt. Teure Überdimensionierung ist die Folge.
Fehlende zyklische Festigkeitskennwerte
Häufig liegen für einen spezifischen Werkstoff nicht die erforderlichen zyklischen Festigkeiten für die gegebenen Randbedingungen vor. Die eigene experimentelle Ermittlung dieser Kennwerte ist zeit- und kostenintensiv. Zu berücksichtigen sind z.B. Lastwechselzahl, Mittelspannungsempfindlichkeit und Kerbeinfluss.
Zeitlich variable Belastungen sind schwierig zu berücksichtigen
Im Allgemeinen unterliegen Bauteile mehreren unabhängigen zeitlich variablen Belastungen. Dies führt regelmäßig zu dem Problem, wie die daraus resultierenden Beanspruchungen hinsichtlich ihres Schädigungspotenzials zu bewerten sind. Auch ist oft die kritische Lastfallkombination als solche unbekannt. Die Lösung dieser Fragestellungen ist algorithmisch aufwändig und meist nur mit Rechnerunterstützung möglich.
Wie löst S-Life FKM das Problem?
Die FKM-Richtlinie ist der de-facto Standard für die Festigkeitsbewertung metallischer Bauteile im allgemeinen Maschinenbau. Seit nahezu drei Jahrzehnten wird die Richtlinie erfolgreich industriell eingesetzt. Mit einem Umfang von ca. 230 Seiten wird der Festigkeitsnachweis metallischer Bauteile umfassend und strukturiert dargelegt.
Mit Hilfe von S-Life FKM wird die Verarbeitung von aus FEM-Analysen erhaltenen örtlichen Spannungen im Hinblick auf statische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit nach Maßgabe der Richtlinie nahezu auf Knopfdruck durchgeführt. S-Life FKM benötigt als Eingabegröße die Ergebnisse einer Struktursimulation.
Mit S-Life FKM wird sichergestellt, dass nach dem aktuellen Stand der Technik gearbeitet wird. Es werden eineindeutige anwenderunabhängige Ergebnisse erzielt. Eine umfassende Dokumentation der angewandten Vorgehensweise ist durch die Richtlinie selbst gegeben. Zusätzlich liefert S-Life FKM einen detaillierten Bericht für die untersuchten Nachweispunkte. Eine Plausibilitätsprüfung und Kommunikation der Ergebnisse sind somit in einfacher Weise möglich.
Bauteile aus duktilen Werkstoffen, dürfen unter bestimmten statischen Lastsituationen oft weit bis in den plastischen Bereich des Werkstoffs beansprucht werden. S-Life FKM wertet hierzu die im Bauteil lokal vorliegende Beanspruchungssituation aus und entscheidet automatisch ob und in welchem Umfang ein plastisches Werkstoffpotenzial ausgeschöpft werden kann. Hierdurch kann kosteneffizienter konstruiert werden, da eine Überdimensionierung vermieden wird.
Ebenso wird mit S-Life FKM eine Stützwirkung bei vorliegenden lokalen Spannungsgradienten im Ermüdungsfestigkeitsnachweis berücksichtigt. Gegenüber einer Bewertung auf Basis nominal ermittelter Wöhler-Kurven, kann hierdurch oft die Ermüdungsfestigkeitsbewertung deutlich weniger konservativ erfolgen. Damit werden auch hier Überdimensionierung und damit unnötige Kosten vermieden.
In der S-Life FKM Materialdatenbank sind Festigkeitskennwerte von über 1600 Stahl-, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen enthalten. Eigene Werkstoffe können eingepflegt werden. Das in der FKM-Richtlinie verwendete Konzept der Norm-Wöhlerkurven ermittelt automatisch die erforderlichen zyklischen Festigkeitskennwerte für den Dauerfestigkeits- oder Betriebsfestigkeitsnachweis aus statischen Festigkeiten. S-Life FKM ermöglicht so die Durchführung von Ermüdungsfestigkeitsnachweisen ohne aufwändige experimentelle Ermittlung oder Recherche von zyklischen Festigkeitskennwerten.
Zeitlich variable Belastungsverläufe mit mehrstufigen Amplituden werden mit S-Life FKM gemäß der Richtlinie über eine Miner Schadensakkumulation berücksichtigt. S-Life FKM bietet hierzu über den integrierten Load-Manager eine Auswahl von Normbelastungskollektiven an. Eigene Kollektive können auf einfache Weise eingepflegt werden. Ebenso erlaubt S-Life FKM die Durchführung von Ermüdungsfestigkeitsnachweisen für unabhängig voneinander wirkende mehraxiale nichtproportionale Belastungsverläufe. Über den in S-Life FKM integrierten Load-Combinator kann bei mehreren überlagerten Belastungen die jeweils lokal ungünstigste Lastkombination ermittelt werden.
Einige Merkmale & Funktionalitäten
- Statischer Festigkeitsnachweis und Ermüdungsfestigkeitsnachweis für ungeschweißte metallische Bauteile gemäß FKM-Richtlinie [1]
- Materialdatenbank mit mehr als 1600 Werkstoffen (Stahl-, Eisenguss, Aluminium), eigene Werkstoffe können eingepflegt werden
- Load-Manager mit integrierten Normkollektiven (binomial und exponentiell), eigene Kollektive können eingepflegt werden
- Load-Combinator zur Spannungsvorverarbeitung (Addition, Subtraktion, Multiplikation) inklusive Ermittlung der kritischen Lastfallkombinationen bei mehreren gleichzeitig auftretenden Belastungen
- Behandlung nichtproportionaler mehraxialer Beanspruchungen gemäß FKM-Richtlinie
- Darstellung der statischen und zyklischen Auslastungsgrade auf dem Bauteil als 3D-Konturplot
- Umfassendes Reporting der Nachweisergebnisse pro Nachweisknoten im pdf-Format
- 3D-Viewer zur Ergebnisdarstellung und -auswertung
- Schnittstellen zu handelsüblichen Struktursimulationsprogrammen. Details finden Sie in der Tabelle rechts.
Schnittstellen
Nutzen
S-Life FKM erstellt statische und zyklische Festigkeitsnachweise für metallische Bauteile gemäß der FKM-Richtlinie. Damit ist sichergestellt, dass Sie nach dem Stand der Technik arbeiten. Durch die einfache Bedienung kann ein umfassender Festigkeitsnachweis nahezu auf Knopfdruck durchgeführt werden.
S-Life FKM reduziert
- Kosten für die Materialprüfung, da Festigkeitskennwerte bereits enthalten sind bzw. richtlinienkonform ermittelt werden
- Entwicklungszeit, da durch die einfache automatisierte Anwendung arbeitsaufwändige manuelle Nachweise entfallen
- Fehler, da durch die automatisierte Vorgehensweise Fehleingaben und Fehlinterpretationen weitestgehend vermieden werden
- Bauteilstück- und Nacharbeitskosten, da durch richtlinienkonforme Festigkeitsbewertung Über- oder Unterdimensionierung vermieden werden
S-Life FKM erhöht
- Verlässlichkeit der Festigkeitsbewertung, da durch Abbildung der FKM-Richtlinie standardisierte Vorgehensweisen gemäß dem Stand der Technik angewendet werden
- Vertrauen in die Festigkeitsbewertung, da durch die umfassende Dokumentation die angewandten Vorgehensweisen nachvollziehbar und überprüfbar sind
Anwender sagen
Unsere Mühlen sind dynamisch hoch belastet.
S-Life FKM ermöglicht uns in einfacher und schneller Weise eine umfassende Festigkeitsanalyse und Bauteiloptimierung. Dabei erleichtert uns das Programm auch die Berechnungsdokumentation.
Die extremen dynamischen Belastungen und nichtlinearen Eigenschaften unserer Bauteile resultieren in nichtproportionale Spannungen. Mit S-Life FKM können wir alle kritischen Lastkombinationen in wenigen Minuten bewerten.
Wir verwenden S-Life FKM zur Auswertung unserer FEM-Analysen von Generator-Rotoren.
Die intuitive und schnelle Bedienung reduziert unseren Auswerte- und Dokumentationsaufwand erheblich.
Broschüren
S-Life FKM nutzen
Sprechen Sie uns gerne an für ein unverbindliches individuelles Angebot
S-Life FKM kann auch über die Altair Partner Alliance genutzt werden, informieren Sie sich hier.
