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Modul max

  • Was bedeutet die Anzahl der Berechnungsdurchläufe in TransMAX? 
  • 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 (Abb. 1). 

     

    Abb. 1

  • Warum erfolgt die Last-Zeit-Komprimierung in ChannelMAX unter Berücksichtigung der Spannung?
  • Um erhebliche Rechenzeit einsparen zu können, ist es möglich, die bereits eingelesen Lastzeitverläufe im Modul ChannelMAX zu komprimieren. Nach dem Drücken des Buttons „Komprimierung Lastzeitverlauf“ können einerseits Zwischenpunkte, die in der Rainflow-Klassierung i. a. keinen Einfluss haben, weggefiltert werden („peak slicing“), andererseits können Zyklen mit kleinen Amplituden vernachlässigt werden („cycle omission“). Für die Definition des Grenzwertes dieser Teilzyklen stehen drei verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, wobei eine Option die Bauteilspannungen mitberücksichtigt (s. folgende Abb.).

    Für die Filterung wird für die aktuelle Berechnungsgruppe die größte vorkommende Spannung über die gesamte Belastungsgeschichte ermittelt. Zusammen mit dem benutzerdefinierten Filterlimit (Standardwert5%) ergibt sich eine Spannungshöhe bei der die kleinen Zyklen aller Belastungskanäle gefiltert werden.

    Daraus ergeben sich mehrere Vorteile:
    • Belastungsrichtungen, auf welche die Struktur nur sehr unsensibel reagiert (vgl. Balken auf Zug/Biegung) werden stark gefiltert.
    • Einheitenunterschiede zwischen Belastungskanälen spielen keine Rolle mehr (z.B. Kanäle, die in [kN] definiert sind, werden gegenüber Kanälen in [N] nicht bevorzugt gefiltert).
    • Verschiedene Belastungsarten wie Kraft, Moment, Druck, etc., werden im Verhältnis zueinander richtig bewertet und komprimiert.

    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.

  • Wie wende ich nichtlineare FE-Berechnungsergebnisse in FEMFAT ChannelMAX an?
  • Linearität ist eine wesentliche Voraussetzung für ChannelMAX-Analysen aufgrund der Superposition der einzelnen Kanäle.  Mit ChannelMAX ist es allerdings möglich, auch nichtlineare Berechnungsergebnisse – zum Beispiel aufgrund von Kontaktproblemen – einer Betriebsfestigkeitsanalyse zu unterziehen. Anders als bei TransMAX, wo diese Nichtlinearitäten schon in der Berechnung der Belastungsfolge inkludiert sind, müssen diese für ChannelMAX speziell behandelt werden. Als Beispiel soll uns ein Radträger dienen, bei dem zwischen dem grünen und dem orangefarbigen Teil eine Kontaktbedingung herrscht. Als Belastung soll am oberen Ende des Radträgers eine Querkraft angreifen. Die nichtlinearen Spannungsergebnisse können nicht einfach mit dem unten angeführten Last-/Zeitverlauf (schwarz), der positive und negative Werte beinhaltet, überlagert werden, weil ansonsten die Kontaktverhältnisse völlig falsch wiedergegeben werden.

     

     

     

    Um dennoch eine ChannelMAX-Berechnung durchführen zu können, sind folgende zwei Schritte notwendig:

    1. Es muss der Last-/Zeitverlauf in einen positiven und negativen Anteil aufgeteilt werden:

    Originalsignal:

    Positiver Anteil:

    Negativer Anteil:

    2. Weiters müssen aus dem Last-/Zeitverlauf charakteristische Arbeitspunkte (=Belastungshöhen) festgelegt werden, bei denen schädigungsrelevante Anteile gut zur Geltung kommen. Dies muss für den positiven und negativen Bereich gemacht werden. Bei diesem Beispiel liegt dieser Anteil bei ca. 75% der Maximalbelastung, das heißt ca. 700 N für den positiven und 400 N für den negativen Anteil. Mit diesen zwei charakteristischen Belastungen werden nun die nichtlinearen FE-Berechnungen durchgeführt. Die daraus gewonnenen Spannungsergebnisse werden in FEMFAT als „neue“ Einheitslastfälle zu den dazupassenden aufgeteilten Last-/ Zeitverläufen in ChannelMAX eingelesen. Dabei ist zu beachten, dass der Faktor auf die Spannungsergebnisse mit 1/700 für den ersten Kanal bzw. 1/400 für den zweiten Kanal eingegeben wird, um wieder das korrekte Spannungsniveau zu erreichen.

    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.

    Zusammenfassend handelt es sich um ein praktisches, meist ausreichend genaues Verfahren, welches gegenüber der Berechnung vieler nichtlinearer Spannungszustände und einer TransMAX-Analyse enorme Zeitvorteile (bis mehrere Größenordnungen) bietet.

  • Wie kann man einfache Lastzeitverläufe in ChannelMAX berücksichtigen?
  • Einfache Signale wie konstantes, Kosinus- oder Dreieckssignal können direkt in Channel MAX definiert werden. 

    Es wurde eine Erweiterung für das einfache Erzeugen von Signalen geschaffen (als Ergänzung zu den diversen Schnittstellen). 

    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.

  • Was bedeutet „Einfluss drehende Hauptspannungen"?
  • 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.

     

    Umlaufbiegung mit Torsion

    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.

  • Wie kann man kritische Belastungskanäle herausfinden?
  • Bei der Auswertung von Berechnungsergebnissen stellt sich bei einem mehrachsig belasteten Bauteil immer die Frage, welche Kanäle (Belastungsrichtungen bzw. Moden) bei einem ausgewählten Knoten für das Schädigungsergebnis relevant sind. Im folgenden werden dafür drei Möglichkeiten in MAX vorgestellt:

    Möglichkeit 1 – Eingabedaten prüfen
    Mit diesem Befehl im Berechnungsstartfenster bekommt der Benutzer (ggf. nach dem Scratch-Vorgang) eine Liste der höchsten Spannungen pro Kanal (Abb. 1). Man erkennt somit sehr rasch, welche Kanäle hohe Beanspruchungen in der Berechnungsgruppe verursachen.
    Bei der modalen Methode fällt die höchste Spannung ab einer gewissen Modenzahl deutlich ab. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass das Anregungsspektrum die Struktur nur mehr wenig beeinflusst.
    Nachteilig bei dieser Methode ist, dass man keinen Überblick über den Phasenbezug hat und somit Gefahr läuft, Kanäle mit geringer Spannung zu eliminieren, die eine relevante Schädigung ergeben könnten.   

    Abb. 1 

    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.

     

    Abb. 2

    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.

     

     

    Abb. 3

    Abb. 4 (Ausschnitt Abb. 3)

    Abb. 5 (Ergebnis für Bereich rot)

     

    Abb. 6 (Ergebnis für Bereich blau)

    Zum Beispiel wurden im Gesamtschädigungsverlauf (Abb. 3) zwei Bereiche gefunden, wo ein deutlicher Anstieg in der Schädigung auftritt. Um die entsprechenden Datenpunkte genau zu identifizieren, wurden auch die Teilschädigungen betrachtet (Abb. 4). Durch Anklicken der „Zeitpunkte“ mit hohen Teilschädigungen bekommt der Anwender die entsprechende Ausgabe der zugehörigen Einheitsspannungen multipliziert mit dem Lastfaktor pro Kanal (Abb. 5 und 6). Weiters stehen andere Diagrammoptionen z. B. nur mit den Einheitsspannungen bzw. nur mit den Lastfaktoren zur Verfügung.