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Beschränkt sich die Beanspruchung auf zwei dominante Zustände (z.B. Ober- und Unterlast) und gegebenfalls eine Konstantlast, so ist FEMFAT basic das ideale Werkzeug für die Betriebsfestigkeitsanalyse.

Das Basismodul ermöglicht die Analyse von Lebensdauer bzw. Dauersicherheit von Komponenten unter proportionaler Belastung.

Die Berücksichtigung einer Vielzahl von möglichen Einflussfaktoren erleichtert die realistische Lebensdauervorhersage.
Schweißnähte und Punktschweißverbindungen können im selben Berechnungsdurchlauf mit dem Grundmaterial analysiert werden.

Im Funktionsumfang ist zusätzlich eine umfassende Materialdatenbank mit über 400 Datensätzen enthalten, sowie der sogenannte Material Generator zur Erzeugung neuer Materialdatensätze.

Bei mehrachsiger Beanspruchung stellt die Lebensdauervorhersage eine große Herausforderung dar. Denn durch die Überlagerung mehrerer Belastungen können selbst an Stellen, die unter den Einzellasten völlig unauffällig sind, versagenskritische Schadenssummen erreicht werden.   

Typisch multiaxial belastete Komponenten (Radachsen, Karosseriestrukturen usw.) werden zeitgleich Belastungen aus verschiedenen Richtungen ausgesetzt. Die auftretenden Kräfte durch Bremsen/Beschleunigen, Schlagloch etc. beanspruchen die Struktur variabel.

Für zuverlässige Lebensdaueranalysen sind daher spezielle Lösungsansätze erforderlich. Die dabei angewandten Methoden basieren auf wissenschaftlichen Publikationen, den neuesten internen Entwicklungen sowie Forschungsstudien in Kooperation mit international führenden Instituten. Alle Methoden, Theorien und Hypothesen wurden und werden in zahllosen Projekten erfolgreich angewendet und validiert.
Die möglichen Berechnungsziele in FEMFAT max umfassen Schädigungs- bzw. Lebensdaueranalysen, Dauersicherheitsfaktoren, statische Sicherheitsfaktoren und Mehrachsigkeitsgrad, separat für jeden FE-Knoten.

Je nach Art der Belastung können Sie zwischen ChannelMAX und TransMAX wählen:

Last-Zeit-Signale werden bei ChannelMAX mit den entsprechenden Spannungen aus den Einheitslastfällen in FEMFAT kombiniert und linear superponiert. Damit ist die Simulation mit der Situation am Prüfstand vergleichbar, wo das Bauteil durch servohydraulische Zylinder zeitgleich in mehrere Richtungen belastet wird.

TransMAX ist das Modul der Wahl, wenn die Abfolge der Lastfälle durch transiente Spannungsverteilungen beschrieben werden kann. Dies bedeutet, dass Sie für jeden Zeitpunkt der Belastungsgeschichte ein eigenes Spannungsergebnis zur Verfügung haben. Im Gegensatz zur kanalbasierten Vorgehensweise in ChannelMAX erfolgt hier keine lineare Superposition. Dadurch ist eine Betriebsfestigkeitsanalyse auch bei Berücksichtigung nichtlinearer Effekte in der FE-Analyse möglich.

Vorteile MAX:

• Zuverlässige und effektive multiaxiale Betriebsfestigkeitsbewertung von Achsbauteilen, Aufhängungssystemen, Karosserierahmen, Motorkomponenten, Rohkarosserien, usw.
• Schnittstellen zu verschiedenen Last-Zeit-Signal-Formaten aus Mehrkörpersimulationen und Messdaten-Softwarepaketen
• Kanalbasierte oder transiente Lastdatendefinition
• Schnittebenen- und Knotenfilter zur Verringerung der Analysezeiten
• Verschiedenste Vergleichsspannungs-Hypothesen
• Ermüdungsvorhersage kurzfaserverstärkter Kunststoffe einschließlich orthotroper Materialdaten
• Unbegrenzte Anzahl an Belastungskanälen
• Möglichkeit zur Komprimierung großer Zeitverläufe (geringere Analysezeiten)
• Kompatibel zu FEMFAT weld und FEMFAT spot für die gleichzeitige Analyse von Grundstruktur und Fügeverbindungen
• Bewertung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit LAMINATE (nur in ChannelMAX)
• Add-on Tools wie Harmonic und Elastoloads zur Modellierung/Bewertung von Schwingungsphänomenen bzw. Elastomeren.

Unzählige Punktschweißungen und Stanznieten sind erforderlich, um die strukturelle Festigkeit eines Fahrzeugs oder einer Fahrzeugkabine zu garantieren. Da es sich dabei durchwegs um potentielle Anrissorte handelt, sind besonders zuverlässige Methoden zur Lebensdaueranalyse erforderlich.

FEMFAT spot bietet genau diese geforderten Methoden für die korrekte Steifigkeits- und Betriebsfestigkeitssimulation von punktförmig verbundenen Komponenten.
Dabei stehen zwei unterschiedliche Ansätze zur Auswahl:

Spannungsbasierte Bewertung
Für eine spannungsbasierte Bewertung werden die einzelnen Fügestellen durch ein steifigkeitsoptimiertes, detailliertes Schalen-Modell (Rondenmodell) abgebildet. Diese Ronden können entweder in FEMFAT mit dem integrierten Remesher-Modul oder mit einem anderen Präprozessor erzeugt werden. Der Vorteil der Verwendung des Remeshers oder des Präprozessors ANSA liegt dabei in der vollautomatischen Definition.

Der nächste Schritt ist die Spannungsanalyse des lokal modifizierten Modells als Grundlage für die Lebensdauervorhersage.

Eine weitere Möglichkeit der FEMFAT-Spot Bewertung ist der Einsatz der Nastran-Superelemente. Hier ist eine detaillierte Analyse der Kerbspannungen in der Fuge auch für ganze Karosserien möglich.

Kraftbasierte Bewertung
In diesem Fall werden Punktschweißverbindungen durch einfache Verbindungen (Balken + Connectoren, Solid + Connectoren, CWELD, …) repräsentiert. Die Lebensdaueranalysen basieren auf analytischen Spannungen, die aus den Schnittkräften und -momenten gemäß der JSAE-Methode berechnet werden, einer verbesserten Version der bekannten Rupp-Methode. Nicht zuletzt aufgrund der gegenüber der spannungsbasierten Methode entfallenden Rondengenerierung sind die Gesamtanalysezeiten besonders niedrig. Dem stehen dafür netzsensiblere Resultate entgegen.

Das Herzstück der Lebensdauervorhersage bildet für beide Bewertungsansätze eine auf Testergebnisse abgestimmte Datenbank im XML-Format mit umfangreichen ermüdungsrelevanten Parametern.
Diese Datenbank erlaubt außerdem die flexible Definition von Verbindungen, z.B. Verwendung unterschiedlicher Verbindungstypen (Spotweld, Rivets) und Vergleichsspannungen im selben Berechnungslauf oder separate Materialzuweisungen für jedes Blech einer Verbindung etc. Außerdem können speziell für die Bewertung von Schraub­verbindungen insgesamt dreireihige Rondenelemente erzeugt (Remesher oder ANSA) und analysiert werden.

FEMFAT spot ist als Einflussfaktor für die Lebensdaueranalyse in BASIC, MAX und SPECTRAL  verfügbar und auch mit WELD kombinierbar.

Erregungsmechanismen mit star­kem Zufallscharakter (z.B. Shaker- Anregungen auf Prüfständen oder Straßenanregungen) führen auf­grund der notwendig langen Zeitrei­hen zu erhöhtem Berechnungsauf­wand. FEMFAT spectral bietet dafür eine ideale Lösung. Die mehrachsige Schädigungsbewertung wird direkt im Frequenzbereich („Random Re­sponse Fatigue“) durchgeführt, wo­durch die Berechnungsdauer dras­tisch reduziert wird.

SPECTRAL verwendet dazu die alternative Beschreibung von Signalen im Frequenzbereich, sogenannte Leistungsdichtespektren (PSDs – Power SPECTRAL Densities). Die mehrachsige Schädigungsbewertung erfolgt auch im Frequenzbereich.

Ähnlich einer kanalbasierten Simulation mit ChannelMAX verfolgt FEMFAT spectral einen einheitslastbasierten Ansatz. Dabei wird in den einzelnen Lastrichtungen eine über der Frequenz konstante Einheitsanregung betrachtet. Eine effiziente numerische Simulation dieser Belastungen wird durch die Verwendung einer modal reduzierten Antwortberechnung im Frequenzbereich ermöglicht. Als Ergebnis erhält man die entsprechenden modalen Spannungen und einen Satz an modalen Transferfunktionen pro Einheitslastfall. Daraus bildet SPECTRAL die entsprechenden Transferfunktionen der lokalen Spannungen, welche in weiterer Folge mit den Leistungsdichten der Belastungen skaliert werden und die tatsächlich wirkende Gesamtbelastung ergeben.

Da bei sehr vielen Anwendungen die Belastungen nicht vollständig unabhängig erfolgen, bietet FEMFAT spectral die Möglichkeit, die Phasenbeziehungen der einzelnen Lasten durch Definition von Kreuzleistungsdichten (Cross–PSDs) zu berücksichtigen. Die Verwendung von Cross–PSDs hat zusätzlich den Vorteil, dass die Bildung der Vergleichsspannungs-PSD statistisch korrekt durchgeführt werden kann.

Für die anschließende Schädigungsberechnung kommen neben den klassischen Schnittebenenverfahren Wahrscheinlichkeitsmodelle nach Dirlik oder Rayleigh zur Anwendung.

SPECTRAL Vorteile:

• Mehrachsige Schädigungsanalyse für stochastische Belastungen
• Geringe Berechnungsdauer durch einen numerisch effizienten & robusten Simulationsprozess im Frequenzbereich
• Wahrscheinlichkeitsmodelle nach Dirlik, Rayleigh sowie eigene Mittelspannungsmodelle
• Bewertung unterschiedlicher Belastungssituationen ohne neuerliche FE-Analyse
• Vielzahl an Einflussfaktoren verfügbar, u.a. WELD zur simultanen Bewertung von Grundmaterial und Schweißnähten.

Dieses Modul ermöglicht die Berechnung von Sicherheitsfaktoren oder Schädigungen auf Basis von gemessenen Dehnungsverläufen sowie den Vergleich von gemessenen und simulierten Dehnungen.

FEMFAT strain stellt das Bindeglied zwischen Erprobung am Prüfstand und virtuellen Strukturanalysen dar.
Mit diesem Modul können Sie einerseits lokale Ermüdungsvorhersagen auf Basis gemessener Dehnungen treffen – dazu ist nicht einmal ein FE-Modell erforderlich (STRAIN calc).
Die zweite Anwendungsmöglichkeit zielt auf die Kalibrierung des Modells ab: es werden die am realen Bauteil gemessenen Dehnungen den aus der Simulation stammenden Werten (grafisch) gegenübergestellt (STRAIN comp).

FEMFAT strain steht in BASIC und MAX als zusätzliches Analyseziel (STRAIN comp) zur Verfügung. STRAIN calc ist ein eigenständiges Modul.

LAMINATE ist ein Modul zur Bewertung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (in ChannelMAX verfügbar). 

Bei Laminaten wird die Ober- und Unterseite jeder Schicht einer Schädigungsanalyse zugeführt. Die Berechnungsmethode ist eine an Laminate angepasste Variante des „Kritische Komponente kritische Schnittebene“-Verfahrens, welche sowohl Faserbruch als auch Zwischenfaserbruch in Betracht zieht. Zusätzlich kann bei Verwendung von Volumenmodellen (i.A. 8-knotigen Hexaedern) Delamination berücksichtigt werden. 

Für Schädigungsanalysen werden statische (Zug- und Druckfestigkeit) und zyklische Werkstoffdaten (Wöhlerlinien) für Belastung längs und quer zur Faser sowie Schub in der Laminat-Ebene benötigt. 

Derzeit werden Schalen- und Volumenelemente mit COMPOSITE-Eigenschaft aus Abaqus inp- und odb-Datei unterstützt.

Vorteile Laminate:

• Multiaxiale Lebensdaueranalyse von endlosfaserverstärkten Kunststoffen
• Bewertung von Faserbruch, Zwischenfaserbruch und Delamination
• Simultane Bewertung einer gemischten Struktur aus Standard-Werkstoffen (Stahl, Aluminium, etc.) und Laminaten in einem Rechenlauf
• Ergebnisdarstellung (Schädigung, Spannungsamplitude, Mittelspannung, Wöhlerkurve, etc.) für jede einzelne Schicht und jede Spannungskomponente separat möglich
• Mittelspannungseinfluss auf Dauerfestigkeit und Neigung/Ecklastspielzahl 
• Allgemeiner Oberflächenbehandlungsfaktor für alle Schichten
• Statistischer Einfluss

Für die moderne Entwicklung von geschweißten Strukturen ist die präzise Bewertung dieser Fügeverbindungen unabdingbar. FEMFAT weld unterstützt Sie dabei.

Bei der Ermittlung von Lebensdauer bzw. Sicherheitsfaktoren geschweißter Strukturen können Sie auf die Flexibilität von FEMFAT weld zählen: die implementierten Methoden ermöglichen die gleichzeitige Analyse von Schalen- und Solidmodellen.
Die aufwändige, detaillierte Modellierung der Schweißnahtgeometrie mit Ausrundungen für Schweißnahtwurzel und –übergang kann vollständig entfallen.

Für Shell-Shell und Shell-Solid Verbindungen kann die Schweißnahtdefinition auf komfortable Weise im FEMFAT visualizer vorgenommen werden – und zwar unabhängig von der FE-Analyse.
Für die Ermüdungsanalyse werden die FE-Strukturspannungen, mittels einer Datenbank entnommenen Kerbfaktoren für Wurzel und Übergang sowie für Anfang und Ende, zu Kerbspannungen hochskaliert und bewertet. Die Datenbank liegt im ASCII-Format vor. Daher können Sie für eine noch bessere Vorhersagequalität die darin enthaltenen Kerbfaktoren & Materialkennwerte an Ihre spezielle Situation anpassen bzw. überhaupt neue Stöße hinzufügen.

Die SolidWELD Methode hingegen setzt bei der Bewertung auf eine Spannungsinterpolation. Dabei werden in einer bestimmten (durch den Anwender vorgebbaren) Tiefe die Spannungen durch Interpolation ermittelt und einer auf zahlreichen Versuchen basierenden Master-Wöhlerlinie gegenüber gestellt.
Für maximale Benutzerfreundlichkeit sorgt hier die automatische Generierung der Schweißnahtanbindung und aller für die WELD-Analyse erforderlichen Definitionen mit den Präprozessoren ANSA und SimLab. Die Definitionen können aber auch mit allen anderen Präprozessoren vorgenommen werden.

Der eindrucksvolle Funktionsumfang von WELD umfasst des Weiteren Sensitivitätsanalysen zur Identifizierung kritischer Schweißnaht-Geometrie-Parameter sowie richtlinienkonforme Bewertungsmöglichkeiten z.B. nach BS7608 oder Eurocode 3. 

Das Modul FEMFAT weld ist gemeinsam mit BASIC, MAX und SPECTRAL verwendbar.

TMF-Analysen d.h. Lebensdauervorhersagen von Komponenten unter kombinierter thermischer und mechanischer Belastung zählen mit zu den anspruchsvollsten Problemstellungen in der Betriebsfestigkeit. Mit FEMFAT heat sind Sie bestens gerüstet für diese Herausforderung.

Ziel von TMF-Analysen ist die Berechnung von Schädigungsergebnissen für mechanisch beanspruchte Komponenten unter  hoher, schwankender Temperaturbelastung, wie z.B. Turbolader, Zylinderköpfe, Auspuffkrümmer etc.

FEMFAT heat stützt sich im Wesentlichen auf die erprobte Methode nach Professor Sehitoglu (Universität Illinois, USA). 

Diese verwendet die in FE-Analysen ermittelten zeitabhängigen Verteilungen von Temperaturen sowie elasto-plastischen Spannungen und Dehnungen zur Lebensdauerbewertung. 

Der wesentliche Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie die drei relevanten Schädigungsmechanismen berücksichtigt:

• Mechanische Schädigung
• Schädigung durch Oxidation
• Schädigung durch Kriechen

Da für derartige Analysen zusätzliche Werkstoffparameter sowie temperaturabhängige Materialcharakteristika benötigt werden, wurde die FEMFAT Werkstoffdatenbank um eine begrenzte Anzahl häufig verwendeter Materialien mit allen erforderlichen Werkstoffkennwerten ergänzt.

Gerne beraten wir Sie zu den Themen Erprobung und FEMFAT-Materialkartenerstellung für nicht in der Datenbank enthaltene Werkstoffe.

Dieses Modul ermöglicht die Berechnung statischer Sicherheitsfaktoren
FEMFAT break ist das einzige Modul, das nicht auf die Bewertung von dynamischen Lasten ausgerichtet ist. Stattdessen bewertet BREAK auf Basis linearer Spannungen die Dehnfähigkeit bis zum Anriss bei monotoner Belastung.
Als Einflussfaktoren können dabei Spannungsgradienten, Werkstoffduktilität, technologischer Größeneinfluss, Temperatur, lokale Materialeigenschaften sowie Oberflächeneigenspannungen berücksichtigt werden.

FEMFAT break ist als Berechnungsziel für BASIC und MAX verfügbar.

Der VISUALIZER ist ein schneller, schnittstellenunabhängiger 3D Postprozessor zur Veranschaulichung von FEMFAT-Ergebnissen und FE-Spannungen. Darüberhinaus besticht der VISUALIZER mit Funktionalitäten bei der Schweißnahtdefinition für Schalenmodelle. 

Der VISUALIZER ermöglicht die Auswertung und Dokumentation von FEMFAT-Ergebnissen wie Schädigung/Lebensdauer oder Sicherheitsfaktoren. Besonders hilfreich für ein tieferes Verständnis bzw. die Interpretation der Ergebnisse sind jedoch die zusätzlichen Ausgabemöglichkeiten. Diese umfassen alle für die FEMFAT-Analyse relevanten Größen (aktuell über 50 Parameter), u.a. Vergleichsspannungsamplitude & -mittelspannung oder die Größe der Auswirkungen aller aktivierten Einflussfaktoren auf die lokale Wöhlerlinie. 

Die grafische Aufbereitung der lokalen Vergleichsspannungs- und Schädigungsverläufe sowie die Darstellung der meistschädigenden Kanäle/Moden steht außerdem für MAX Analysen zur Verfügung.

Neben den klassischen Funktionalitäten eines Postprozessors stellt FEMFAT visualizer auch hilfreiche Präprozessorfunktionen für das Programmmodul FEMFAT weld bereit. Diese ermöglichen die schnelle und einfache Schweißnaht-Definition. Dies kann vollkommen automatisch über den im VISUALIZER integrierten WELDseamScanner erfolgen. Alternativ kann der Verlauf einer Schweißnaht mit nur wenigen Mausklicks am FE-Modell definiert werden. Die Verbindungsart (T-Stoß, Überlappstoß usw.) wird automatisch erkannt. Details zur Nahtform können - mit visueller Unterstützung - definiert werden.

Ein weiteres nützliches Feature – der 3D-Screenshot – macht jedes PowerPoint-Dokument zu einem kleinen Postprozessor: Modell und aktuell angezeigtes FEMFAT-Ergebnis können aus dem VISUALIZER exportiert und in PowerPoint eingebunden werden. Dort ist die Struktur nicht als statischer Screenshot, sondern als vollwertiges Modell verfügbar, mit einer Vielzahl an Möglichkeiten zur Anpassung der Ansicht!

Es besteht die Möglichkeit, die Berechnung auf mehrere parallel ablaufende Prozesse automatisch aufzuteilen und auf der aktuellen Rechenmaschine durchführen zu lassen. Die Parallelisierung erfolgt durch Aufspalten der Berechnungsgruppe in die angegebene Anzahl möglichst gleich großer Teilgruppen und Starten von ebenso vielen FEMFAT-Instanzen mit jeweils einer Teilgruppe. Die Teilergebnisse (*.fps-Files) werden anschließend zu einem Gesamtergebnisfile zusammengefügt. Für die Lizenzierung der parallelen Lebensdauerrechnung kommen entweder eigene Parallel-Token oder reguläre Lizenzen zur Anwendung.