ANSYS Conference & 19. Schweizer CADFEM Users‘ Meeting 2014

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1 ANSYS Conference & 19. Schweizer CADFEM Users‘ Meeting 2014
FKM-Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Schweissnähten einer Vakuumkammer

2 AGENDA ACUM Zürich 2014 KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG
FKM RICHTLINIE ALLGEMEIN FKM NACHWEIS WELLENSTUMMEL (EINFÜHRUNG) FKM NACHWEIS VAKUUMKAMMER (SCHWEISSNÄHTE) WEITERE PRAKTISCHE ANWENDUNGEN ZUSAMMENFASSUNG

3 ACUM Zürich 2014 KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG

4 KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG
ACUM Zürich 2014 KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG FINITE ELEMENTE BERECHNUNGEN Allgemeine Strukturmechanik mit Geometrie- und Materialnichtlinearitäten, Beulen und Knicken Temperaturfeldsimulation mit Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung (An- und Abstrahlung) Kunststoffe (Plastizität, Kriechen) und Elastomere (O-Ringe und vulkanisierte Dichtungen) Dynamik (Modalanalyse, Erdbebensimulation) und Mehrkörperdynamik (Kraftauflösung kinematischer Abläufe) Strömungssimulation CFD (Kühlkörper mit Luft und Wasserkühlung, cw-Wert Berechnungen) ANALYTISCHE BERECHNUNGEN Schweissnahtberechnung nach der FKM Richtlinie (Nenn- Strukturspannungs- oder Kerbspannungskonzepte) Festigkeitsnachweis nach der FKM Richtlinie (FKM…Forschungskuratorium für Maschinenbau) Schraubenberechnung mit KISSsoft nach VDI 2230 (auch Seminare) KONSTRUKTION Mechatronische Komponenten, Vorrichtungen, Messeinrichtungen, Montageeinrichtungen Werkzeugbau (Stanz- Biegewerkzeuge) Produktentwicklung 3D DRUCK FDM Verfahren in den Kunststoffmaterialien ABS und PLA, unterschiedliche Farben Maximale 3D Druckgrösse von 250x150x160mm, NEU ab ca. August x305x457mm Schichtdicke 0.1mm

5 FKM RICHTLINIE ALLGEMEINES
ACUM Zürich 2014 FKM RICHTLINIE ALLGEMEINES Die FKM-Richtlinie 6. Auflage 2012 (Forschungskuratorium Maschinenbau) regelt den rechnerischen Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile und Bauteile aus verwandten Bereichen. Nachweisarten - Statischer Festigkeitsnachweis mit Nennspannungen - Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Nennspannungen (Dauer- Zeitfestigkeits- Betriebsfestigkeitsnachweis) - Statischer Festigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen - Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen (Dauer- Zeitfestigkeits- Betriebsfestigkeitsnachweis) Die Nachweise erfolgen immer mit linear-elastischen Spannungen. Die Spannungskennwerte können beispielsweise aus einer FEM-Berechnung stammen (örtliche Spannungen). Bei örtlichen Spannungen ist die Bauteilform (stab- flächen- volumenförmig) nicht massgebend. Gültigkeit für Bauteile aus Eisen- und Aluminiumwerkstoffen unter normaler und erhöhter Temperatur. Unterscheidung in «nichtgeschweisste» und «geschweisste» Bauteile. Dem Ermüdungsfestigkeitsnachweis geht ein statischer Nachweis voraus. Die FKM rechnet immer mit Amplituden.

6 ACUM Zürich 2014 Örtliche Spannungen treten in der Schweissnaht als Strukturspannungen oder als Kerbspannungen auf. Strukturspannungsermittlung mit «Hot Spot Extrapolation», «Haibach», «CAB-Methode», «ASME Innenlinearisierung». Kerbspannungsermittlung mit «R1MS Methode».

7 FKM RICHTLINIE BERECHNUNGSABLAUF
ACUM Zürich 2014 FKM RICHTLINIE BERECHNUNGSABLAUF Statischer Festigkeitsnachweis Ermüdungsfestigkeitsnachweis Spannungs- kennwerte Spannungs- kennwerte Werkstoff- festigkeits- kennwerte Werkstoff- festigkeits- kennwerte Konstruktions- kennwerte Konstruktions- kennwerte Bauteil- Ermüdungs- festigkeit Bauteil-Wechselfestigkeit Statische Bauteilfestigkeit Bauteil-Dauerfestigkeit für bestimmte Mittelspannung Sicherheits- faktoren Sicherheits- faktoren Bauteil-Betriebsfestigkeit Statischer Nachweis Ermüdungsnachweis

8 BEISPIEL WELLENSTUMMEL
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL WELLENSTUMMEL Statischer und Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen an einem Wellenstummel Berechnung der örtlichen Spannungen mit dem FEM Programm ANSYS.

9 VORGANGSWEISE STATISCHER FKM NACHWEIS
ACUM Zürich 2014 VORGANGSWEISE STATISCHER FKM NACHWEIS Zuerst einfaches Beispiel durchgehen DEN Nachweispunkt zu finden ist nicht immer einfach (Kontakte, Vernetzung etc.) Globale Suche des Nachweispunktes mit Vergleichsspannungen hilfreich Hauptspannungen trotzdem notwendig (Mehrachsigkeit prüfen) Vorsicht bei unterschiedliche Beanspruchungen oder Richtungen Plotten der Hauptspannungsvektoren im Nachweispunkt ist hilfreich Erstellung eines Excel-Sheets hilfreich (Varianten rechnen) Werkstoffkennwerte Konstruktionskennwerte (Plastische Stützzahl, Doppelkriterium, Traglastberechnung) Bauteilfestigkeit Sicherheitsfaktoren Nachweis mittels Auslastungsgrad

10 VORGANGSWEISE ERMÜDUNGSNACHWEIS FKM
ACUM Zürich 2014 VORGANGSWEISE ERMÜDUNGSNACHWEIS FKM Darstellung eines Lastzyklus (z.B. Excel) Plotten der Amplitude, Mittelspannung und Ruhegrad im ANSYS Post Nachweispunkt bereits vorhanden, da statischer Nachweis vorgeht Bestimmung des Nachbarpunktes im Bauteilinneren Hauptspannungen aus ANSYS Post auslesen Amplituden und Mittelspannungen berechnen Werkstoffkennwerte Konstruktionskennwerte (Stützzahl nach «Stieler») Bauteil-Wechselfestigkeit, Bauteil-Dauerfestigkeit, Bauteil-Betriebsfestigkeit Sicherheitsfaktoren Nachweis mittels Auslastungsgrad

11 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER Ermüdungsfestigkeitsnachweis der Schweissnähte einer Vakuumkammer nach der FKM-Richtlinie Dimension der Schweisskonstruktion 1’600 x 2’000 x 700mm (L x B x H) Zunächst Globalmodell erstellen, um kritische Stellen zu lokalisieren Darstellung eines Lastzyklus (innen Vakuum, FKM arbeitet mit Amplituden)

12 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER Identifikation von 4 Nachweispunkten Noch keine Schweissnähte modelliert

13 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER Identifikation von 4 Nachweispunkten Noch keine Schweissnähte modelliert

14 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER FKM Richtlinie schreibt Struktur- oder Kerbspannungen für den örtlichen Nachweis vor, nicht aber die Methode Strukturspannungsermittlung mittels «Hot Spot Extrapolation, Haibach, CAB oder ASME Innenlinearisierung» Kerbspannungsermittlung mittels «R1MS»

15 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER Excel Liste vereinfacht Studien Für geschweisste Baustähle u. Alu-Werkstoffe legt die FKM die Wechselfestigkeit unabhängig von der Zugfestigkeit fest Der Konstruktionsfaktor für geschweisste Bauteile berücksichtigt die Kerbklasse (FAT-Klasse) und den Blechdickenfaktor Vorsicht, je nach Nachweiskonzept gelten unterschiedliche FAT-Klassen! Die Bauteil-Wechselfestigkeit reduziert die Werkstoff-Wechselfestigkeit um den Konstruktionsfaktor Die Bauteil-Festigkeit berücksichtigt den Mittelspannungs- und Eigenspannungseinfluss Die Bauteil-Betriebsfestigkeit berücksichtigt den Betriebsfestigkeitsfaktor Der Gesamtsicherheitsfaktor berücksichtigt den Last- Material- und Temperaturfaktor Der Nachweis ist mittels des zyklischen Auslastungsgrades zu führen

16 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER Darstellung der Auslastungsgrade für den Kunden

17 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER Vergleich der unterschiedlichen Methoden zur Strukturspannungsermittlung Gute Übereinstimmung der Extrapolationsmethoden und der ASME Innenlinearisierungsmethoden Haibach und CAB liefern zu hohe Strukturspannungen

18 BEISPIEL VAKUUMKAMMER
ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER Erstellung eines Berichts für den Kunden

19 ACUM Zürich 2014 ZUSAMMENFASSUNG
Die FKM-Richtlinie oberflächlich durchzulesen reicht nicht aus, man muss sich kontinuierlich damit beschäftigen! Kunden fordern vermehrt eine Aussage über die Lebensdauer, ein FEM Bild alleine genügt nicht mehr Lassen Sie sich von Hürden wie z.B. einer Traglastberechnung nicht abschrecken Die FKM-Richtlinie ist durchgängig, d.h. der Anwender wird von Punkt zu Punkt geleitet Teil-Automatisierung mittels Excel Sheet möglich Jede zugekaufte Software erfordert ebenfalls fundierte Kenntnisse über die FKM-Richtlinie Starten Sie mit einem einfachen Beispiel Eine Berechnung nach einer Richtlinie zu bewerten zeugt von Kompetenz, schafft Vertrauen und erzeugt einen Mehrwert