Newsletter Artikel 29/2020

Anwendungsbeispiel für das Tool Elastoloads

Die Berücksichtigung von Last-Zeit-Daten in einer FE-basierten Betriebsfestigkeitsbewertung kann üblicherweise auf  zweierlei Arten erfolgen:

  1. Der Belastungsverlauf wird in der FE-Analyse nachgefahren. Die Ergebnisse in Form transienter Spannungsantworten dienen als direkter Input für die anschließende Lebensdaueranalyse in TransMAX.
  2. In der FE-Analyse wird ein einheitslastfallbasierter Ansatz verfolgt. Dabei werden die Spannungen zufolge normierter statischer Einheitslasten ermittelt, die konkreten Last-Zeit-Daten bleiben zunächst unberücksichtigt. Die Verknüpfung mit den Last-Zeit-Verläufen erfolgt in ChannelMAX gemäß dem Prinzip der linearen Superposition.  

Der erste Ansatz verwendet nicht das lineare Superpositionsprinzip, Nichtlinearitäten wie Kontakt, große Verformungen können daher in der FE-Analyse abgebildet und folglich in der Lebensdaueranalyse berücksichtigt werden.

Nachteile dieser Vorgehensweise sind v.a. in der FE-Analyse zu finden und liegen in einem beträchtlich hohen numerischen Aufwand und z. T. sehr großen  Datenmengen sowie in der Tatsache, dass im nichtlinearen Fall jeder Belastungsverlauf neu gerechnet werden muss. Aus diesen Gründen ist diese Vorgehensweise aus Effizienzgründen üblicherweise auf kurze & einfache Belastungsverläufe beschränkt.

Die zweite Möglichkeit vermeidet all diese Nachteile der FE-Analyse und bietet auf Seiten der Betriebsfestigkeitsbewertung die Vorteile, dass allgemeine, regellose & fast beliebig lange Last-Zeit-Verläufe verarbeitet werden können. Ein beträchtlicher Vorteil liegt außerdem darin begründet, dass die FE-Ergebnisse in der Lebensdaueranalyse mit verschiedenen Last-Zeit-Daten kombiniert werden können.

Diese Vorteile werden durch etwaige Abstriche hinsichtlich Genauigkeit aufgrund der Vernachlässigung möglicher Nichtlinearitäten erkauft.

Das FEMFAT Add-on Tool Elastoloads schlägt die Brücke zwischen den beiden Ansätzen, erlaubt die Verwendung nichtlinearer FE-Berechnungsergebnisse, ohne auf die Effizienz einer ChannelMAX-Analyse verzichten zu müssen.

Die Kernidee liegt in einer Interpolationsmethode, bei der in der FE-Analyse nicht der Original-Last-Zeit-Verlauf nachgefahren wird, sondern zunächst benachbarte Punkte berechnet werden. 

Diese Nachbarpunkte ergeben sich, indem um die Ortskurve der Belastung ein Gitter gelegt wird. Dadurch ergibt sich im Falle zweier Kräfte ein Rechtecksgitter und für drei Kräfte ein Quadergitter. Für diese diskreten Gitterpunkte werden nichtlineare FE-Analysen durchgeführt. Aus den Ergebnissen an den Eckpunkten werden für alle Zeitpunkte die Verformungs- bzw. Spannungszustände interpoliert. Gitterpunkte des Rasters, die für eine Interpolation nicht erforderlich sind, müssen nicht berechnet werden. Somit können nicht erforderliche Zustände in der FE-Analyse bzw. Kanäle in ChannelMAX vermieden werden.

 


Abb. 1: Diskretisierung der Ortskurve

Der Vorteil von Elastoloads besteht darin, dass alle benötigten Input-Dateien für den FE-Solver bzw. FEMFAT automatisiert erstellt werden. Besonders hilfreich sind auch die erweiterten Ausgaben für das Postprocessing in MetaPost, wodurch die Animation der Verformungen, superponierten Spannungen sowie Schädigungen effizient vorgenommen werden kann.

Anhand des Anwendungsbeispiels einer Blattfeder soll der Einsatz von Elastoloads veranschaulicht werden. Als Besonderheit sind in diesem Beispiel eine Reihe von Nichtlinearitäten enthalten (Kontakt, hyper-elastisches Materialverhalten & große Verformungen).

 

Abb. 2: Blattfeder-Modell
 

Die äußere Belastung wird in Form von Verschiebungen in x-, y-, z-Richtung eingeleitet.
Die Ortskurve der Belastung wird mit fünf Abstufungen in x-, mit acht in y- und mit fünf in z-Richtung diskretisiert (s. Abbildung oben).
Daraus ergeben sich insgesamt 25 FE-Analysen mit theoretisch 200 FEMFAT-Kanälen, von denen nach Filterung für den vorgegebenen Belastungsverlauf 107 relevante Kanäle übrig bleiben.
Die Ergebnisse zeigen Schädigungsverteilungen und Spannungsverläufe an ausgewählten Stellen. 

 

Damage results & local stress histories

Abb. 3: Schädigungsergebnisse & lokale Spannungsverläufe

 

Fazit

Mit Elastoloads ist es möglich, nichtlineare Phänomene in Kombination mit fast beliebig langen Last-Zeit-Daten mit einem effizienten kanalbasierten Ansatz in ChannelMAX hinsichtlich Betriebsfestigkeit zu bewerten. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades lässt sich dieses Tool hervorragend in den Gesamtberechnungsprozess inkludieren.

Die geschickte Wahl des Diskretisierungsgrades führt zu einer Reduktion der erforderlichen FE-Analysen sowie eine Minimierung der ChannelMAX-Kanäle. 

Zusätzliche Ausgaben in Form einer MetaPost-Session-Datei erleichtern die Auswertung und ermöglichen noch tiefere Einsicht in die zugrundeliegenden Verformungs- und Schädigungsmechanismen.