question marks

Material

  • Wie funktioniert die automatische Materialdatengenerierung?
  • Je mehr Daten von einem Werkstoff zur Verfügung stehen, desto besser wird auch das Endergebnis sein. Leider sind aber bei der Entwicklung oftmals nicht alle Daten des Werkstoffes bekannt. Daher gibt es in FEMFAT die Möglichkeit, mit Hilfe des Materialgenerators schon mit wenigen bekannten Daten näherungsweise einen kompletten Werkstoffdatensatz zu erzeugen. Diese Hilfestellung, die FEMFAT anbietet, basiert auf bestimmten Gesetzmäßigkeiten in den verschiedenen Materialklassen (Aluminiumguss ,Grauguss,...). Auf die Aktivierung der richtigen Werkstoffklasse ist daher bei der Generierung unbedingt zu achten!

    Zur Kontrolle sollte nach Eingabe im Werkstoffgenerator unbedingt das Haigh-Diagramm betrachtet werden, da man dort auf etwaige Fehler sehr schnell aufmerksam wird.

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

     

  • Wie kann man den Gusszustand in FEMFAT berücksichtigen?
  • 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.

     

    Wöhlerkurven für unterschiedliche DAS

     

    Auswirkung des DAS auf dieberechneten Dauersicherheiten*
    *[P. Nefischer, F. Steinparzer, H. Kratochwill, G. Steinwender, BMW Motoren GmbH;„Neue Ansätze bei der Lebensdauerberechnung von Zylinder-köpfen“,12. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2003; Aachen]

  • Wie berücksichtigt man den technologischen Größeneinflusses in FEMFAT ?
  • 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.

  • Wie kann der isotherme Temperatureinfluss berücksichtigt werden?
  • 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´

  • Das Material des Bauteils ist nicht in der Datenbank – was nun?
  • 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.

    Abb. 1    

    Abb. 2

    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.

    Abb. 3

    Es 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. 

    Abb. 4: Dialogfenster für Defektdefinition

    FEMFAT Support is of course also happy to assist you with any further material data generation issues.

  • Wie kann man temperaturabhängige Materialeigenschaften berücksichtigen?
  • In FEMFAT besteht die Möglichkeit, temperaturabhängige Materialkennwerte (statische und dynamische) zu definieren und somit bei der Betriebsfestigkeitsberechnung zu berücksichtigen. Am einfachsten ist es, ein bereits bestehendes Material aus der FEMFAT Materialdatenbank einzulesen, z.B. das Gussmaterial AlSi12CuNiMg.


    Ganz unten im Dialog “Werkstoffdaten“ gibt es den Eintrag “Eigenschaften bei höheren Temperatu-ren“. Hier können Wertepaare aus Temperatur und dem dazugehörigen Materialkennwert eingege-ben werden (derzeit insgesamt 7, ab Version FEMFAT 4.7 - 12 Eigenschaften). Dabei ist zu be-achten, dass die Festigkeitskennwerte bei 20°C mit den eingelesenen Basiskennwerten überein-stimmen. Für eine benutzerdefinierte Bewertung des Temperatureinflusses ist mindestens die Temperaturabhängigkeit der Zugfestigkeit und der Wechselfestigkeit vorzugeben.


    Die restlichen temperaturabhängigen Werkstoffkennwerte können von FEMFAT automatisch abge-schätzt 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 Temperatur-einfluss zu aktivieren und die Methode auf benutzerdefiniert umzustellen.

  • Nichtlineares Materialverhalten in der FEA oder mit PLAST berücksichtigen?
  • Hier soll an einem einfachen Beispiel gezeigt werden, wo die Grenzbereiche der PLAST-Methode liegen.

    Es werden dieselben zyklisch plastischen Materialdaten in FEMFAT und ABAQUS verwendet (Parameter K´ und n´). Für einen Feinkornstahl wurden folgende Berechnungen durchgeführt:

    1. ABAQUS mit einer zyklischen plastischen Materialkurve mit einer wahren Spannungs-/Dehnungskurve mit nichtlinearer Geometrie
    2. ABAQUS mit linearem Materialverhalten und Umlagerung mit FEMFAT PLAST

    Berechnet wurde eine gekerbte Zugprobe aus Stahl mit Kerbradius 0,7 mm, (Kerbwirkungszahl  = 2.15) bei einer Wechselbelastung von bis zu 40kN (Spannungsverhältnis R=-1). In Abb.1 sieht man den Spannungsverlauf im Kerbgrund für die Mises- und max. Hauptnormalspannung. Erstes Plastifizieren in der Kerbe tritt bei ca. 8kN auf.

    Die Neuber Regel gilt für Bereiche mit örtlich begrenzten plastischen Zonen.

    Abb.1: Kerbspannungsverlauf im Kerbgrund mit plastischem Materialverhalten in ABAQUS

    In Abb. 1 werden die einzelnen Bereiche dargestellt. Im Bereich 1 (0-10kN) herrscht örtliches, auf die Kerbe beschränktes Plastifizieren. Im Bereich 2 (10-20kN) beginnt der gesamte Querschnitt zu plastifizieren. Im Bereich 3 (über 20kN) plastifiziert der gesamte Querschnitt durch. In unserem Fall kann bis etwa 20kN die Neuber Regel verwendet werden, da bis zu dieser Grenze der Grundquerschnitt nur sehr wenig plastifiziert. Bei 40kN Last kommt es durch den Steifigkeitsverlust zu einem starken Anstieg der örtlichen Beanspruchung.

    Abb. 2 zeigt den Vergleich der Spannungsamplituden zwischen ABAQUS und FEMFAT PLAST. In BASIC wird die Hauptnormalspannung für die Umlagerung herangezogen, dazu folgt die plastische Berechnung in ABAQUS nach der Mises-Vergleichsspannung. Deswegen kommt es zu Abweichungen der Spannung in FEMFAT und auch weil in FEMFAT die knotengemittelten Spannungen zur Umlagerung verwendet werden und nicht jene am Element-Integrationspunkt.

    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.

  • Was tun, wenn die gewünschte Materialklasse im Werkstoffgenerator nicht verfügbar ist?
  • m einfachsten Fall wird in FEMFAT ein neuer Datensatz unter Angabe der Materialklasse und zumindest der Zugfestigkeit mit dem Materialgenerator erstellt.

    Manchmal scheitert man aber selbst in dieser einfachen Situation bereits am aller ersten Schritt: dann nämlich, wenn die gewünschte Materialklasse (wie z.B. Sinterstahl) nicht verfügbar ist.

    Für diese Fälle finden Sie rechts eine Tabelle mit von uns empfohlenen äquivalenten Materialklassen.

    Nach der Materialgenerierung ist unter den allgemeinen Daten noch die eigentliche Materialklasse festzulegen (falls verfügbar, s. 3. Spalte in Tabelle).