Frequently Asked Questions

Nach einer FEMFAT-Berechnung werden detaillierte lokale Ergebnisse (z.B. Haigh-Diagramm, Wöhlerlinie, Vergleichsspannungsverlauf für MAX) standardmäßig für den kritischsten Knoten ausgegeben. Bedingt durch Einspann- oder Kontaktbedingungen kann es aber sein, dass dieser Knoten für den Benutzer nicht interessant ist. Daher bietet FEMFAT einige Möglichkeiten, diese Ausgaben für eine bestimmte Knotengruppe anzufordern.

Die erste und einfachste Möglichkeit ist die gezielte Ausgabe für einen einzelnen Knoten. Sie finden diese im FEMFAT Menü „Berechnungsparameter“, siehe Abb. 2. Dazu wählt man die Option „Ausgewählter Knoten“ und gibt das gewünschte Knotenlabel ein.

Für mehrere Knoten kann man die erweiterte Ausgabe über die „Detailed Results“ Gruppe in FEMFAT anfordern. Die Definition erfolgt im FEMFAT „Gruppen“-Menü, wie in Bild 3 gezeigt z.B. über einen Knotenlabelbereich. Mit dem Klick auf den Button „Detailed Results“ generiert FEMFAT diese Gruppe.

Achtung: Diese Gruppe ist jedoch nicht die Berechnungsgruppe, da sie nur die Knoten für die zusätzliche Ausgabe enthält.

Zusätzlich werden für die DETAILED RESULTS Gruppe bei einer MAX Analyse detaillierte Ausgaben wie der lokale Vergleichsspannungs– oder Teilschädigungsverlauf in externe ASCII Files geschrieben.

Diese Files können z.B. in EXCEL importiert und weiterverarbeitet werden. Außerdem werden diese Daten auch in das fps-File geschrieben. Daher ist es möglich z.B. den lokalen Vergleichsspannungs-verlauf im VISUALIZER anzuzeigen.

Soll bei einer FEMFAT-Berechnung nur ein kleiner Teil des FEModells bewertet werden, oder sollen nach bereits er folgter Berechnung die kritischen Stellen nochmals mit veränderten Parametern (andere Oberflächenbeschaffenheit, anderes Material,...) als Varianten analysiert werden, ist es wichtig, dass sich neben den Knoten die man auswer ten möchte, auch alle Nachbarknoten und -elemente in der neuen Berechnungsgruppe befinden, damit die gemittelte Elementspannung am Knoten und die Gradientenberechnung in FEMFAT korrekt ablaufen kann.

Soll z.B. der rote Knoten (Abb. 1) richtig berechnet werden, müssen für die korrekte Ermittlung der Spannungswerte die angrenzenden Elemente ebenfalls in der Gruppe sein. Für die richtige Ermittlung des relativen Spannungsgradienten muss auch der Spannungswert an den „über eine Elementkante verbundenen“ FE-Knoten korrekt ermittelt werden (Spannungsmittelung).

1) Erzeugen der Gruppe mit zu betrachtenden Knoten.
2) Gruppe durch Hinzufügen aller Elemente, die mit diesen Knoten verbunden sind, vergrößern.
3) Durch Hinzufügen aller mit diesen Elementen verbundenen Knoten und deren wiederum verbundenen Elementen ist die Berechnungsgruppe nun definiert.

Falls der betrachtete Knoten von einem parabolischen Element stammt ist darauf zu achten, dass auch mindestens die angrenzenden Mittelknoten in die Berechnungsgruppe genommen werden (Abb. 2).

Natürlich ist es möglich für einen Detailbereich die Berechnungsgruppe größer zu wählen als auf den Bildern dargestellt.

Das Hinzufügen von umgebenden Knoten und Elementen kann im FEMFAT Gruppenmenü mit der Option “Knoten/Elemente verknüpft mit Elementen/Knoten aus Gruppe xx” einfach und schnell durchgeführt werden (Abb. 3).

Es sind nur zwei Grundinformationen erforderlich: die Materialgruppe und die Zugfestigkeit des Materials. Im Materialgenerator kann aus 12 Materialgruppen gewählt werden (10 Eisen-, 2 Aluminiumwerkstoffgruppen, siehe FKM Richtlinie).

Der Materialgenerator basiert standardmäßig auf der FKM-Richtlinie und generiert Materialdaten für eine Überlebenswahrscheinlichkeit von 97,5% für einen Probendurchmesser von 7,5mm.

Nach Auswahl der Materialgruppe kann mit der Eingabe der Zugfestigkeit der komplette Materialdatensatz erstellt werden.

Mit solch einem Datensatz kann nun eine Berechnung durchgeführt werden. Es ist jedoch zu erwähnen, dass mit diesen Materialdaten konservative Ergebnisse zu erwarten sind. Um die Aussagegenauigkeit zu erhöhen sind folgende Daten von Vorteil:

• Zug/Druck Wechselfestigkeit σZW
• Zug/Druck Schwellfestigkeit σZSCH (in FEMFAT als Oberspannung definiert)
• Biegewechselfestigkeit σBW

Damit kann die Mittelspannungsempfindlichkeit des Materials über den Zusammenhang

M =2*σZW / σZSCH - 1

ermittelt werden. Zusätzlich ist die Stützwirkung, durch das Verhältnis V= σBW /σZW definiert (wichtig bei Bewertung mit Gradienteneinfluss nach FEMFAT). Sollte nur einer der genannten Werte bekannt sein, gelten folgende Schritte:

1. Bestimmung der Werte V und M des Basismaterials.
2. Modifikation aller Werte auf Basis der z.B. zusätzlich bekannten Zug/Druck Wechselfestigkeit σZW.

Beispiel: 
Materialgruppe allgemeiner Baustahl, Rm = 500 N/mm², Rp02 = 300 N/mm2, σZW = 250N/mm².

Schritt 1: Auswahl der Materialgruppe und Eingabe von Rm führt zu dem Ergebnis in Bild 1.

Abbildung 1

Dieser Einfluss steht für die Ermittlung der lokalen statischen Materialeigenschaften unter Berücksichtigung des Spannungsgradienten, isothermen Temperatur- und des technologischen Größeneinflusses. Für den Einfluss „Spannungsgradient“ wird im 1. Schritt auf Grund der Bruchdehnung des Materials die Duktilität abgeschätzt (siehe Abb.1), die in weiterer Folge den maximal erreichbaren Wert der lokalen Bruchfestigkeit bestimmt.

Im nächsten Schritt wird auf Grund der Kenntnis der Zugfestigkeit (rel. Gradient= 0), der Biegebruchfestigkeit (rel. Gradient = 2/Probendicke) und des zuvor ermittelten relativen Spannungsgradienten der dazugehörige Bruchfestigkeitswert ausgerechnet (siehe Abb. 2). Die „Grenzlinie“ (rot) ergibt sich aus dem Faktor des ersten Schrittes.

Falls mit einem benutzerdefinierten Temperatureinfluss gearbeitet wird, übernimmt FEMFAT den entsprechenden Polygonzug aus der Materialdefinition (Temperatur -> Festigkeitsreduktion auf Bruchfestigkeit).

Weiters kann man noch zusätzlich für große Wandstärken/ Durchmesser den technologischen Größeneinfluss berücksichtigen, der ebenfalls entsprechend der FKM Richtlinie Berücksichtigung findet.

Wenn diese neue Gruppe für die Analyse ausgewählt wird, ist das Ergebnis an den FE-Knoten in der ursprünglichen Gruppe (die zu Beginn kopiert wurde) korrekt.

Wenn mehrere Gruppen definiert wurden, z.B. für die Definition der Oberflächenrauheit, Temperaturen usw., muss berücksichtigt werden, dass vor dem Start der FEMFAT-Berechnung oder der Generierung der MAX-Scratch-Dateien die richtige Berechnungsgruppe aktiviert sein muss. Dies kann sehr einfach mit "CHECK INPUT DATA" überprüft werden, da dort die aktive Gruppe für die Berechnung erneut erwähnt wird.

In FEMFAT basic stehen sechs Vergleichspannungen zur Wahl, in MAX sind es sogar 11 Vergleichspannungen. Im allgemeinen muss sich der Benutzer um die Wahl der korrekten Vergleichsspannung nicht kümmern. Dazu gibt es in BASIC und MAX die Standardeinstellung „Automatisch“, deren Verwendung vom ECS in allen Fällen empfohlen wird. Bei dieser Einstellung wird aufgrund des lokal am Knoten vorhandenen Materials entschieden, welche Vergleichsspannung zur Anwendung kommen soll. Liegt ein (spröder) Grauguss vor, so wird sowohl in BASIC als auch in MAX die Normalspannungshypothese in Verbindung mit dem kritischen Schnittebenenverfahren angewandt. Bei allen anderen Werkstoffen wird in BASIC in den Schnittebenen eine modifizierte Vergleichsspannung aus Normal- und Schubspannung gebildet.

Wird in FEMFAT max mit der Defaulteinstellung „Automatisch“ gerechnet, so wird bei allen Werkstoffen außer Grauguss in den Schnittebenen eine skalierte Normalspannung gebildet. Die Verwendung der skalierten Normalspannung löst das sogenannte „Vorzeichenproblem“, welches bei den meisten anderen Vergleichspannungen auftreten kann. Das Vorzeichen wird zur Bildung eines Vergleichsspannungsverlaufs benötigt, um sowohl Zug- als auch Druckspannungen berücksichtigen zu können. Dabei kann es aber, je nach gewählter Vergleichsspannung, bei nichtproportionaler Belastung zu unphysikalischen Sprüngen im Vergleichsspannungsverlauf und damit zu ungenauen, nämlich sehr konservativen Schädigungsergebnissen, kommen.

Die Verwendung von Invarianten (von Mises und Max./Min. Hauptnormalspannung) erlaubt dagegen keine Berücksichtigung beliebiger Werkstoff-Verhältniszahlen. Die Verwendung dieser Vergleichsspannungen wird somit nicht mehr empfohlen. Sie werden aus historischen Gründen noch angeboten.

Ein besonderer Vorteil der automatischen Auswahl ist die Möglichkeit,verschiedene Werkstoffe während eines Berechnungslaufes zu kombinieren.

Mit der skalierten Normalspannung wird ein Verfahren angeboten, mit welchem dieses Problem beseitigt ist und das noch dazu genauso effizient arbeitet wie die „simple“ Normalspannung ohne Skalierung. Durch einen Skalierungsfaktor auf die Normalspannung wird die Werkstoffduktilität (spröd/semiduktil/duktil) und die Belastungsart (Zugdruck/ Biegung, Schub/Torsion, hydrostatischer Spannungszustand) eingerechnet und auch bei nicht-proportionaler Belastung adäquat berücksichtigt. Ein besonderer Vorteil dieser skalierten Normalspannung liegt auch darin, dass dreiachsige Spannungszustände im Bauteilinneren oder an druckbelasteten Bauteiloberflächen gut bewertet werden können. Die i.a. geringe schädigende Wirkung hydrostatischer Spannungszustände wird korrekt abgebildet. 

FEMFAT berechnete bisher den Spannungsgradienten entlang der Finite-Elemente-Kanten, indem das Spannungsgefälle zwischen zwei Knoten betrachtet wird.

In den meisten Fällen liegt der maximale Spannungsgradient senkrecht zur Oberfläche. Da bei der Vernetzung einer komplex geformten Struktur typischerweise parabolische Tetraeder zum Einsatz kommen, liegen oft keine Finite-Elemente-Kanten senkrecht zur Oberfläche vor. Dadurch kann es zu ungenaueren Ergebnissen kommen.

Die neue Methode ("Vektor Rekonstruktion") nützt die Spannungsgradienten entlang der Finite-Elemente-Kanten, um daraus den maximalen Spannungsgradienten zu rekonstruieren. Dies erfolgt unabhängig davon, ob in diese Richtung eine Elementkante vorliegt, oder nicht.

Hinweis: diese neue Methode ist ab FEMFAT 2022 die Standardeinstellung für BASIC, TransMAX und SPECTRAL.

ChannelMAX weist diesbezüglich zwei Besonderheiten auf: zum einen wird die Methode "Vektor Rekonstruktion reduziert" als Standard verwendet. Dabei werden nicht alle Zeitpunkte der Last-Zeit-Verläufe herangezogen, sondern nur jene, zu denen Minimum und Maximum in den jeweiligen Lastzeitverläufen der Kanäle auftreten. Außerdem wird in ChannelMAX bei Auswahl einer "Vektor Rekonstruktion"-Methode zusätzlich der Gradient analog zu TransMAX auf Basis der superponierten, zeitabhängigen Spannungstensoren gebildet.

Werden FEMFAT-Job-Dateien (*.ffj) älter als v2022 verwendet, so wird automatisch die alte Gradientenmethode "FEMFAT 2.4" aktiviert.

FEMFAT bietet dem Benutzer verschiedenste Möglichkeiten seine Eingaben während der Berechnungsvorbereitung bzw. nach der Berechnung zu überprüfen. Diese sind:

FE-Modell

• Anzahl der eingelesenen Knoten & Elemente (Achtung etwaige nicht unterstützte Elementtypen werden übersprungen) .
• Ausdehnung des Modells (gegebenenfalls Korrektur der Einheiten auf mm)
• Minimale/maximale Schalendicken
• Visuelle Kontrolle im VISUALIZER inklusive Gruppendefinition; Gruppen können im Hauptprogramm als Label-Liste angezeigt werden

Materialdaten 

• Numerische Kontrolle der Werte im Werkstoffmenü .
• Grafische Kontrolle durch Haigh-Diagramm, Wöhlerlinie und zyklisches σ - ε -Diagramm
• Im Knoteneigenschaften Menü durch überprüfen der Knotenlabels
• Überprüfung sämtlicher Eigenschaften (Material, Rauhigkeit, Temperatur, Oberflächenbehandlung,...)

Spannungen

• In BASIC Hauptnormalspannung des Elements mit der höchsten v. Mises Vergleichsspannung
• Für MAX steht die visuelle Kontrolle der Spannungsabfolge bzw. der Einheitsspannungen im VISUALIZER zur Verfügung.

Menüpunkt „Eingabedaten prüfen“

Unmittelbar vor Berechnungsstart bzw. im Scretchmenü (nur MAX, SPECTRAL) steht eine Funktion zur Verfügung, mit der noch einmal eine Reihe von Eingabedaten überprüft werden können, insbesondere, ob die Spannungen und die Werkstofffestigkeit in einem plausiblen Verhältnis stehen. Die Ausführung dieses Checks wird dringend empfohlen, siehe folgende Abbildung. 

Sollten Sie Hilfe bei der Erstellung von Materialien benötigen, wenden Sie sich bitte an den FEMFAT-Support: femfat.support.mpt(at)magna.com​​​​​​​​​​​​​​

Moderne kommerzielle Simulationswerkzeuge bieten die Möglichkeit, den Gießprozess zu simulieren und die damit einhergehenden inhomogenen Gefügezustände im Bauteil vorherzusagen. Man erhält damit z.B. eine Verteilung des sekundären Dendritenarmabstandes (SDAS), der Erstarrungszeit, der Abkühlrate oder der Mikroporosität. Es ist möglich, diese Verteilungen in FEMFAT einzulesen und deren Einfluss auf die Dauerfestigkeit zu berücksichtigen. Erstarrungszeit und Abkühlrate können dabei über einen exponentiellen Ansatz in einen SDAS umgerechnet werden. Die derzeit implementierte Abhängigkeit der Dauerfestigkeit vom SDAS ist für Aluminium Sand- und Kokillenguss abgestimmt. Der Einfluss des SDAS auf die Dauerfestigkeit kann aber, falls bekannt, auch vom Benutzer als Wertepaar-Tabelle für beliebige Werkstoffe vorgegeben werden. Dafür wurde ein neuer Werkstoff-Datensatz mit der Nr.220 geschaffen. Es ist aber auch möglich, Mikroporositäten oder andere Gefügeparameter zu berücksichtigen. Anstatt einer SDAS-Verteilung kann in FEMFAT über dieselbe Schnittstelle die Verteilung eines beliebigen anderen Gefügeparameters importiert werden. Einzige Voraussetzung dafür sind knotenbezogene Werte. Der Aufbau der Datei entspricht also (knotenbezogenen) Temperaturdaten. Weiters muss für eine Betriebsfestigkeitsbewertung auch der Einfluss des vorgegebenen Gefügeparameters auf die Werkstoffdauerfestigkeit bekannt sein und über eine Tabelle (Datensatz 220) im Materialfile (*ffd) definiert werden.

Der Gussgefügeeinfluss in FEMFAT wird bei BMW bereits erfolgreich in der Motorenentwicklung eingesetzt, z.B. für Zylinderköpfe.

Der technologische Größeneinfluss in FEMFAT berücksichtigt die mit zunehmender Bauteilabmessung prozessbedingt abnehmende Werkstoffdauerfestigkeit. Dabei wird bei FE-Schalenstrukturen als technologische Größe die eingelesene Schalendicke verwendet, welche in FEMFAT an den Knoten gemittelt wird. Bei FE-Solid-Strukturen dagegen muss der Benutzer die technologische Größe explizit als Zahlenwert in [mm] vorgeben, und zwar bei den Knoteneigenschaften z.B. gruppenweise.
Aktivieren können Sie den technologischen Größeneinfluss im Menü "Einflussfaktoren".

Auch die Probendicke geht in die Berechnung ein, wobei zu beachten ist, dass die Probendicke an 5 Stellen in den Werkstoffdaten enthalten ist, nämlich bei den Festigkeitsdaten für Zug, Druck, Biegung und Schub, und nochmals bei den allgemeinen Wöhlerdaten. Beim technologischen Größeneinfluss kommt jedoch nur der Wert von den allgemeinen Wöhlerdaten zur Anwendung!

Details aus der FKM-Richtlinie

In FEMFAT wird bei aktiviertem Größeneinfluss ein Einflussfaktor auf die Werkstoff-Wechselfestigkeit, nach der FKM-Richtlinie [1, 2], berechnet, . Der dort in den Formeln aufscheinende „effektive Durchmesser“ ist identisch mit der in FEMFAT bei den Knoteneigenschaften für den Bauteil einzugebenden „Technologischen Größe an 3D Knoten“.

In der folgenden Grafik ist der Dauerfestigkeitseinfluss der technologischen Größe für verschiedene Werkstoffklassen dargestellt. In Klammern sind die zugehörigen FEMFAT-Werkstoffklassen angegeben.

[1] FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen“, 4. Ausgabe 2002, www.vdma-verlag.de.
[2] FKM-Guideline „Analytical Strength Assessment“, 5th Edition 2003, www.vdma-verlag.de

Die Aktivierung des isothermen Temperatureinflusses bewirkt, dass an allen berechneten Knoten die örtliche Betriebstemperatur berücksichtigt wird.

FEMFAT stellt dabei verschiedene Berechnungsmethoden zur Verfügung:

Methode “FKM-Richtlinie” 
Die isotherme Temperatur beeinflusst ausschließlich die dynamischen Festigkeitswerte im Haigh-Diagramm (vertikale Skalierung).

Methode “FEMFAT 4.5” 
Diese Option verändert sowohl die dynamischen Festigkeitskennwerte im Haigh-Diagramm (analog wie Einfluss nach FKM-Richtlinie), als auch die statischen Festigkeitswerte (horizontale Skalierung des Haigh-Diagramms). Für die Änderung von Streckgrenze und Zugfestigkeit werden ebenfalls die Formeln aus der FKM-Richtlinie benutzt. Falls die Temperatur den definierten Bereich der FKM-Richtlinie überschreitet, wird der Benutzer darauf hingewiesen und der Einflussfaktor analog der hinterlegten Formeln extrapoliert.

Methode “Benutzerdefiniert” 
Dabei werden die vom Anwender spezifizierten temperaturabhängigen Werkstoffdaten, die man im Menü „Werkstoffdaten -> Eigenschaften bei höherer Temperaturen“ definieren kann, berücksichtigt. Minimale Definition für diese Methode ist die temperaturabhängige Vorgabe der Zug/Druckwechselfestigkeit und der Zugbruchfestigkeit.

Methode “FEMFAT 4.6” (default) 
Diese Option basiert auf der Methode 4.5, wobei zusätzlich der zyklische Verfestigungskoeffizient K´ der zyklischen Spannungs-Dehnungskurve analog der Zug/Druckbruchfestigkeit reduziert wird. Damit wird auch der isotherme Temperatureinfluss bei der Mittelspannungsumlagerung von linear-elastischen Spannungen nach Neuber (FEMFAT plast Modul) korrekt berücksichtigt.

Isothermer Temperatureinfluss auf Rm, Re und K´

Aus den Kurven ist ersichtlich, dass alle Temperatureinflüsse basierend auf FKM konservative Ergebnisse liefern.

Falls man das benötigte Material nicht in der zur Verfügung gestellten Materialdatenbasis findet, hat man die Möglichkeit, sich die Daten für die Berechnung basierend auf wenigen bekannten Materialeigenschaften zu generieren. Hierfür stehen dem Benutzer 2 Möglichkeiten zur Verfügung. Die erste nennt sich in FEMFAT „spannungskontrolliert“.

Hierzu braucht man nur die entsprechende Materialklasse (Abb.1) und die Zugbruchfestigkeit angeben. Basierend auf implementierten Verhältniszahlen, die von der FKM-Richtlinie (Forschung-kuratorium Maschinenbau) abgeleitet worden sind, werden nun alle fehlenden Materialkennwerte, die für die Berechnung notwendig sind, automatisch erstellt (Abb.2).

Natürlich ist es für die Aussagequalität der Berechnungsergebnisse besser, wenn man zusätzlich die Zugstreckgrenze, Zugschwellfestigkeit und Zug–/ Druck-Wechselfestigkeit aus Probenversuchen vorgeben kann. Allerdings sollte man vorsichtig sein, wenn man Materialparameter außerhalb des Werkstoffgenerator verändert, da für die FEMFAT Berechnung verschiedene Verhältnisse aus den Materialdaten verwendet werden. Zum Beispiel das Verhältnis “k” (siehe FAQ Material "Unterschied TGL-/FKM-Materialdaten?") als Maß für die Duktilität des Werkstoffes.

Die zweite Möglichkeit um ein Material zu generieren ist „dehnungskontrolliert“. Hierfür muss der Benutzer neben der Materialklasse (analog Bild 1) die Daten für die Zugbruchfestigkeit, Zugstreckgrenze und Dehnungswöhlerlinie (ungekerbte, polierte Probe auf Zug/Druck wechselnd belastet) eingeben (Bild 3). Letztlich ist noch eine Ecklastspielzahl notwendig, dann wird für diese Lastspielzahl die Dehnungsamplitude mit Hilfe der Ramberg-Osgood Gleichung in eine Spannungsamplitude (entspricht der Zug/Druckwechselfestigkeit) umgerechnet. Der Schwingfestigkeitsexponent b wird für die Ermittlung der Spannungswöhlerlinienneigung verwendet (k=1/b). Nach der Ermittlung der Materialkennwerte sollte man noch folgende Punkte überprüfen und ggf. ändern: Überlebenswahrscheinlichkeit, Probendurchmesser, Bruchdehnung, Haigh-Diagramm und Spannungswöhlerlinie.

Seit FEMFAT 5.0 können auch für porenbehaftete Materialien Werkstoffparameter abgeschätzt werden. Insbesondere bei Komponenten aus Aluminium-Druckguss gibt es innenliegende Bereiche mit Poren bzw. Defekten, während die Randschichten oft porenfrei sind.

Durch Verwendung des FEMFAT-Randschichtmodells ist es möglich, solche Bauteil-Bereiche einer korrekten Betriebsfestigkeitsbewertung zuzuführen. Jedoch sind die erforderlichen Parameter für porenbehaftetes und porenfreies Material oft nicht bekannt.

Mit Hilfe des Dialogs zur Definition von Defekten ist es möglich, ausgehend von einem Werkstoff, der entweder fehlerfrei ist oder bei dem die maximale Defektgröße bekannt ist, Werkstoffparameter für beliebige andere Defektgrößen abzuleiten. 

Die restlichen temperaturabhängigen Werkstoffkennwerte können von FEMFAT automatisch abgeschätzt werden – besser ist es aber, mehr temperaturabhängige Materialeigenschaften, wie zum Beispiel die Schwellfestigkeiten, einzugeben. Dieses erweiterte Material kann nun für spätere Berechnungen wieder in die Materialdatenbank mit “Schreiben in Werkstoffdatenbank“ zurückgespeichert werden. Für die aktuelle FEMFAT Sitzung wird es automatisch herangezogen. In weiterer Folge muss nun eine Knotentemperaturverteilung als “isothermer Einfluss” vorgegeben werden. Unter “Einflussfaktoren“ darf nicht darauf vergessen werden, den isothermen Temperatureinfluss zu aktivieren und die Methode auf benutzerdefiniert umzustellen.

Abb. 2: Vergleich der Spannungsamplituden mit FEMFAT PLAST/ABAQUS

Resümee:
Obwohl in der Kerbe bereits ein mehrachsiger Spannungszustand vorliegt liefert PLAST bis ca. 15kN (~ 0.3% plastische Dehnung) brauchbare Werte für die örtliche Spannung in der Kerbe. Wenn mit höheren Dehnungen oder stärkerer Mehrachsigkeit der Beanspruchung zu rechnen ist können die Abweichungen steigen und dann sollte generell ein nichtlineares Materialgesetz verwendet werden.

Aktuell werden Strukturdaten im Format NASTRAN op2/bdf, MEDINA, I-DEAS MS-Universal, ANSYS cdb unterstützt. Die mögliche Anzahl einlesbarer Materialien beträgt 500.

Wenn K´ und/oder n´ nicht vom Benutzer definiert wurden, werden sie automatisch von FEMFAT basierend auf dem Uniform Material Law (UML) [1] generiert, als Funktion der Materialgruppe und der Zugfestigkeit Rm.

Anmerkung: Das Uniform Material Law wurde basierend auf Probenversuchen für spezifische Materialklassen entwickelt, um eine Korrelation basierend auf der Materialklasse und der Zugfestigkeit des Materials zu generieren.

[1] Bäumel, A. jr.; Seeger, T.: Materials data for cyclic loading, Supplement 1. Elsevier, Amsterdam (1990).

FEMFAT break ist ein sehr praktisches Werkzeug zur Berechnung von statischen Sicherheiten aus linear elastischen FE Spannungen. Bei stoßartigen Belastungen mit geringer Häufigkeit (z.B. Knallstart Getriebe, Randsteinrempeln Fahrwerk) wird empfohlen, vor der Betriebsfestigkeitsanalyse eine BREAK Analyse durchzuführen. Ergibt sich dabei bereits eine zu kleine statische Sicherheit (Sicherheitsfaktor kleiner 1,0), so liegt bereits eine statische Unterdimensionierung vor.

Mit der statischen Sicherheit bewertet man die lokale Dehnfähigkeit des Materials bis zum Anriss bei monotoner Belastung.

Bitte beachten Sie, dass BREAK nicht das globale Versagen (Durchbrechen, Gewaltbruch) eines Bauteils beurteilen kann (außer das Material ist sehr spröde), sondern nur das lokale Werkstoffversagen aufgrund zu geringer Duktilität. Das heißt, durch hohe Beanspruchungsspitzen entsteht eventuell eine Vorschädigung (kleiner Riss), die bei einer nachfolgenden Betriebsbeanspruchung zum Weiterwachsen des Risses und schließlich zum Bruch führen kann. Weiters wird davon ausgegangen, dass die monotone Belastung nicht hochdynamisch aufgebracht wird, d.h. BREAK berücksichtigt keine Dehnrateneffekte.

Im Modul BREAK wird der Kerbeinfluss über den relativen Spannungsgradienten berücksichtigt. Erforderliche Werkstoffkennwerte:

• E-Modul
• Statische Zugfestigkeit Rm
• Statische Druckfestigkeit
• Statische Schubfestigkeit
• Statische Bruchdehnung A5

In BASIC hat man die Möglichkeit zu der gegebenen Amplitudenund Mittelspannung (σa, σm) noch einen dritten Lastfall einzulesen, der als Konstantspannung (σc) bezeichnet wird. Dies können berechnete Eigen- oder Schraubenvorspannungen sein. Die Konstantspannung wird bei aktiviertem Konstantspannungseinfluss (Einflussfaktoren -> Allgemeine Faktoren; Abb. 1) während der Berechnung in die Mittelspannung eingerechnet. Der Unterschied zum Mittelspannungsdatensatz zeigt sich bei der Definition des Lastkollektivs, bei dem allein die Mittelspannung mit dem „Faktor Mittelspannung“ (F_M) aus dem Kollektiv skaliert wird. Bei der Dauerfestigkeitsanalyse wird bei der R=const. Option (FKM Überlastfälle) die Konstantspannung als Verschiebung im HAIGH-Diagramm berücksichtigt (Abb. 2).

Neben dem Werkstoff, der Bauteilgeometrie und dem Beanspruchungszustand beeinflusst der Herstellungsprozess eines Bauteiles das Ermüdungsverhalten wesentlich.

In FEMFAT stehen dazu folgende Oberflächenbehandlungen zur Verfügung:

• Kugelstrahlen (nach FKM, Eurocode oder BS)
• Rollen (nach FKM)
• Einsatzhärten (nach FKM)
• Nitrieren (nach FKM)

Hierbei kann zusätzlich noch der Zustand vor dem Nitrieren berücksichtigt werden. Möglich sind vergütet oder normalgeglüht.

• Induktivhärten (nach FKM)
• Flammhärten (nach FKM)

"Knoteneigenschaftenmenü“ der aktuellen Gruppe

Wichtig bei diesen Behandlungen ist es, dass man unter “Knoteneigenschaften“ die technologische Größe an 3D-Knoten eingibt (siehe Abb.1). Bei Schalenstrukturen wird die technologische Größe automatisch aus den gemittelten Schalendicken bestimmt. Die technologische Größe ist beispielsweise die Wandstärke eines Rohres oder der Durchmesser einer Welle an der Stelle, wo die Oberflächenbehandlung durchgeführt wird. Andere Einflüsse, wie relativer Spannungsgradient und Werkstofffestigkeit werden von FEMFAT automatisch berücksichtigt. 

Eine gute Möglichkeit, Versuchserfahrung in die Rechnung einzubringen, bietet der Oberflächenbehandlungsfaktor. 

Dieser verändert direkt die lokale Dauerfestigkeit. Ein häufiger technologischer Einfluss ist die Oberflächenrauhigkeit, welche der aktuellen Gruppe zugewiesen werden kann. Bei den Methoden unter “Einflussfaktoren“ kann man zwischen gemittelter Rautiefe Rz (TGL bzw. FKM) oder maximaler Rautiefe Rt (IABG) der zu bewertenden Bauteiloberfläche auswählen. Der ehemalige TGL Standard - 1994 durch die FKM Richtlinie abgelöst - wird nicht mehr empfohlen.

Zur Berücksichtigung des Vergütungszustandes bei Vergütungsstählen steht in FEMFAT ebenfalls eine Möglichkeit zur Verfügung. Bei Veränderung des Vergütungszustandes (= neue Zugfestigkeit) werden alle maßgeblichen Werkstoffkennwerte dem neuen Vergütungszustand angepasst. Bitte nicht darauf vergessen, die Prozesseinflüsse unter “Einflussfaktoren“ zu aktivieren (Oberflächenrauhigkeit, Technologischer Größeneinfluss, Vergütungseinfluss,...)!

Übrigens ist diese Umrechnung sehr komfortabel mit dem FEMFAT Results Manager durchführbar, wo mit Hilfe des Formeleditors auch obige Fallunterscheidung für den Sicherheitsfaktor automatisch vorgenommen werden kann.

Die Zeitinformation (Einheit Sekunden) kann auf mehrere Arten definiert werden. Entweder kann die Step-Zeit aus den Spannungs-, Dehnungs- oder Temperaturergebnissen verwendet werden (was eher unübliche Step-Zeit-Definitionen notwendig macht) oder es wird eine eigene Tabelle als Textfile eingelesen. Dies ist unter dem Karteireiter “Zeitinformation” möglich.

Es besteht die Möglichkeit, die Lastfolge in TransMAX wiederholen zu lassen - der zuvor eingestellte Zeitbereich wird entsprechend dem vorgegebenen Faktor wiederholt. Gibt man bei zehn Zeitpunkten einen Faktor von 100 an, entspricht das einer Gesamtanzahl von 1.000 Zeitpunkten. Die Erhöhung dieses Faktors ist für Schädigungsrechnungen sinnvoll, um den Einfluss des Rainflow- Residuums auf das Ergebnis zu verkleinern (nicht erforderlich für Standard-Rainflow-Klassiermethode). 

Für Berechnungen der Dauerbruchsicherheit wirkt sich der Faktor nicht auf das Ergebnis aus und sollte unverändert bleiben (Defaultwert 1).

Dieser Wiederholungsfaktor kann beliebig verändert werden, ohne dass die Scratch-Dateien neu erstellt werden müssen, da die Vervielfältigung der Zeitpunkte erst während der Berechnung vorgenommen wird.

Da die Anzahl der Zeitpunkte linear in die Rechenzeit eingeht, sollte die Wiederholung mit Bedacht gewählt werden (s. Abb.). 

Abbildung 2: 1000 Abtastungen (Original-Signal), nur 211 Abtastungen (komprimiertes Signal)

Besonders effizient ist diese Methode, wenn nur kleine Teilbereiche der Struktur berechnet werden sollen. Da oft viele Belastungsrichtungen nur sehr geringe Spannungen an der Stelle verursachen, können diese Kanäle stark komprimiert bzw. überhaupt gelöscht werden, was eine deutliche Reduktion der Rechenzeit zur Folge hat. Sowohl das Einlesen der Last- Zeit-Verläufe als auch die Komprimierung gehen sehr schnell vonstatten, somit ist diese Vorgangsweise auch wiederholt (für mehrere kritische Stellen) anwendbar.

Nach der FEMFAT-Analyse erhält man schließlich eine Schädigungsverteilung unter näherungsweiser Berücksichtigung von nichtlinearen Kontakteffekten.

Das Verfahren ist auch bei multiaxialen Belastungen möglich, allerdings werden durch nichtlineare Über tragungseffekte mehrerer Kanäle die Kontaktzustände eventuell ungenauer dargestellt. Da in jedem Zeitpunkt meist nur wenige Kraftrichtungen dominieren, tritt dieser Effekt selten auf.

Entscheidend ist in jedem Fall der richtige Arbeitspunkt, welcher in den praxisrelevanten Fällen nahe an den auftretenden Spitzenwerten liegt. (Dies folgt einfach daraus, weil die größten Lastspitzen in der Regel die höchsten Teilschädigungen erzeugen).
Umsicht ist bei Vorspannungszuständen geboten. Hier müssen diese Spannungen von den Betriebslastzuständen abgezogen und ein weiterer konstanter Kanal definiert werden.

Die Kosinus- und Dreiecksfunktion bieten durch die Möglichkeit, die Anzahl der Abtastpunkte pro Schwingung, die Amplitude, die Mittellänge und eine Phasenverschiebung in einem kleinen Dialogfeld vorzugeben. Die Gesamtanzahl der Abtastungen wird erst beim Scratchen der Lastzeitverläufe abgefragt, falls keine Lastdaten von Schnittstellen eingelesen werden. Typische Anwendungen für konstante Signale sind Schraubenvorspannungen. Kosinus Signale können z.B. für eine umlaufende Belastung verwendet werden.

Bei manchen Belastungssituationen, z.B. bei Kurbelwellen mit kombinierter Biege-/Torsionslast, kann es lokal zu einer zeitlichen Änderung oder Drehung der Hauptnormalspannungsrichtungen kommen.

Probenversuche mit kombinierter Biege-/Torsions-Wechsellast und 90 Grad Phasenverschiebung haben gezeigt, dass bei duktilen Werkstoffen (Vergütungsstahl) das kritische Schnittebenen- Verfahren die Lebensdauer überschätzt (siehe z.B. FKM-Bericht „Lebensdauerberechnung mehraxial“, 2002). Mit dem „Einfluss drehende Hauptspannungen“ in FEMFAT MAX ist es möglich, die Lebensdauer zur Korrelation zu bringen.

Abhängig von einem statistischen Mehrachsigkeitsgrad, der zwischen 0 (= proportionale Beanspruchung mit konstanten Hauptspannungsrichtungen) und 1 (= stark nicht-proportionale Beanspruchung mit zeitlich veränderlichen Hauptspannungsrichtungen) liegt, wird die lokale Wöhlerlinie abgesenkt.

Der Einfluss bewirkt somit bei duktilen Werkstoffen eine Lebensdauerreduktion, bei spröden Gusswerkstoffen (Grauguss, Al- Guss, Mg-Guss) ist keine Wirkung definiert.

Es wird i.A. empfohlen, den Einfluss drehende Hauptspannungen zu aktivieren. Allerdings können sich in gewissen Fällen, z.B. bei hohen Konstantspannungen (Schraubenvorspannungen, Eigenspannungen), konservative Ergebnisse einstellen.

Möglichkeit 2 – Komprimierung Lastzeitverlauf

Eine Vorgangsweise um wenig relevante Kanäle zu eliminieren bietet sich mit der Last-Zeit Datenreduktion in ChannelMAX an. Dazu müssen im Komprimierungsmenü die Einstellungen „nach dem kritischsten Kanal mit Berücksichtigung der Kanalspannung“ gewählt werden (siehe Abb. 2 oben).

Der Vorteil liegt hier darin, dass Kanäle mit kleinen Spannungsanteilen komplett gelöscht werden. Weiters werden Datenpunkte, welche zwischen Minimum und Maximum liegen, eliminiert, sowie kleine Amplituden unter einem benutzerdefinierten Limit, die nur einen geringen Schädigungsanteil hervorrufen, gelöscht (Abb. 2 unten). Neben dem Vorteil, dass Phasenverschiebungen berücksichtigt werden, ergibt sich auch eine deutliche Reduktion der Rechenzeit.

Möglichkeit 3 - VISUALIZER 

Der FEMFAT Visualizer bietet die Möglichkeit, für einzelne Knoten (aus der „Detailed Result Gruppe“) neben dem Vergleichsspannungsverlauf, Schädigungsverlauf und den Teilschädigungen auch die entsprechenden Lastfaktoren multipliziert mit der Spannung aus dem Einheitslastfall darzustellen. Nach Klick auf einen beliebigen Zeitpunkt, welcher z.B. einen hohen Schädigungsanstieg liefert, wird ein Diagramm mit den entsprechenden Spannungswerten pro Kanal darstellt. Zur besseren Übersichtlichkeit sind diese betragsmäßig sortiert. Daraus kann man nun schließen, welche Belastungskanäle wiederum einen hohen Anteil an der Schädigung haben.

Falls man für eine FEMFAT spot (JSAE-Methode) bzw. FEMFAT weld (SSZ/MSZ-Methode) Analyse die Knotenkräfte einlesen möchte, muss zuvor der entsprechende Schalter (siehe Bild) aktiviert werden. Diese Option beugt übermäßigem Speicherverbrauch vor. Hinweis: zur Zeit können aus NASTRAN op2, Abaqus otb und MEDINA bof Knotenkräfte gelesen werden

Dadurch, dass FEMFAT WELD mittels einer Datenbasis im ASCII Format die Schweißbewertung durchführt, hat der Anwender auch die Möglichkeit, diese an seine Bedürfnisse anzupassen bzw. falls eine spezielle Nahtform nicht unterstützt wird, zu erweitern.

In der Datenbasis sind Kerbfaktoren, Schweißnahtwöhlerlinien, Schweißnaht-Haigh-Diagramme, usw. abgelegt. FEMFAT unterscheidet bei der Berechnung zwischen der Schalen-Membra nund Biegespannung. Deshalb ist es notwendig, Kerbfaktoren für beide Belastungsarten bei einer Erweiterung der Datenbank einzutragen.

Die Kerbfaktoren werden üblicher Weise mit einem Radaj Modell (1 mm Ausrundungsradius für Wurzel/Übergang und 10 mm Blechdicke), welches mit verschiedenen Membran- und Biegelastfällen belastet wird, berechnet. Die daraus gewonnenen Faktoren gelten für die Bewertung quer zur Schweißnahtrichtung. Bei der Auswertung der Radaj Modelle ist zu beachten, dass die Spannungskomponente in Belastungsrichtung herangezogen wird (Kerbfaktor=Kerbspannung/Nennspannung).

Für das Schweißnahtende kann man die Faktoren von einem ähnlichen Stoß übernehmen, oder mittels 3D-Modell (analoger Aufbau wie Radaj Modell) ermitteln. Nach dem Eintragen der ausgewerteten Kerbfaktoren muss man bei Stoßtypen mit Nachbarelementen (z.B. T-Stoß) die Ersatzelemente-Liste entsprechend erweitern, siehe folgendes Beispiel: 

$ Ersatzelementzuordnung

$ ------------------------------

$ T-Stoß, Einseitige Kehlnaht mit Wurzelunterschnitt

$ ---------------------------------------------------------------

R 201 202

R 202 201

R 203 204

R 205 206

R 206 205

Falls man neben der Standard-FEMFAT-Methode auch die knotenkraftbasierte SSZ/MSZ Methode verwenden möchte, sollte man die neuen MAT-Labels gleichfalls in der SSZ-Parameterliste eintragen.

Damit neu definierte Schweißnähte auch im VISUALIZER zur Verfügung stehen, müssen die SID Labels angepasst werden. Hierbei ist darauf zu achten, die vordefinierten SID Bereiche zu verwenden (siehe Handbuch FEMFAT weld).

Nun muss noch das kleine Detailmodell, welches im VISUALIZER zur Kontrolle angezeigt wird, in der Datenbank als Polygonzug eingetragen und das Bild im *.gif Format abgelegt werden. Dieses Bild muss dem "weld_ images" Verzeichnis hinzugefügt werden, welches sich im Verzeichnis der WELD-Datenbank befindet.   

Falls man für eine FEMFAT spot (JSAE-Methode) bzw. FEMFAT weld (SSZ/MSZ-Methode) Analyse die Knotenkräfte einlesen möchte, muss zuvor der entsprechende Schalter (siehe Bild) aktiviert werden. Diese Option beugt übermäßigen Speicher verbrauch vor. Hinweis: Zur Zeit können aus NASTRAN op2 und MEDINA bof Knotenkräfte gelesen werden

Für die Ausgabe und Darstellung von Ergebnissen an Schweißnahtknoten stehen im VISUALIZER drei Auswertepositionen zur Verfügung:

Darstellung des Ergebnisses der Berechnung als Mittel- oder Endknoten,

Darstellung der Ergebnisse an der Schweißnahtwurzel oder am Nahtübergang,

Darstellung der Ergebnisse der einzelnen Spannungskomponenten(Normalspannungen längs oder quer zur Naht, Schubspannung, Vergleichsspannung).

Grundsätzlich werden zunächst beim Aufrufen der Ergebnisse jeweils die kritischen Werte für jede der drei Kategorien angezeigt. Die benutzerdefinierte Auswahl der Auswertepositionen kann über ein Drop-Down-Menü vorgenommen werden.

Dabei ist allerdings zu beachten, dass an einem Schweißnahtknoten nicht für alle beteiligten Bleche/Elemente alle Ergebnisse für Wurzel & Übergang vorliegen. Berechnet werden nur jene Übergänge und Wurzeln, für die in der WELD-Datenbank auch Kerbfaktoren definiert wurden. Es werden dann die Werte des kritischsten Elements entsprechend der Einstellungen dargestellt.

Dies bedeutet nun z.B., dass wenn das kritische Element gar keinen Übergang hat (weil es auf der nahtabgewandten Seite liegt wie ein Element vom Typ 202, Abb. unten), dann ist der Wert auch nicht verfügbar. Im VISUALIZER wird bei Auswahl von „Toe“ für Übergang an diesem Knoten „Not Analysed“ ausgewiesen, s. das Beispiel eines T-Stoßes: