WeissQuadrat AGSimulation / Konstruktion / 3D Druck

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ANSYS Conference & 19. Schweizer CADFEM Users‘ Meeting 2014

FKM-Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Schweissnähten einer Vakuumkammer

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ACUM Zürich 2014

AGENDA

1.KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG

2.FKM RICHTLINIE ALLGEMEIN

3.FKM NACHWEIS WELLENSTUMMEL (EINFÜHRUNG)

4.FKM NACHWEIS VAKUUMKAMMER (SCHWEISSNÄHTE)

5.WEITERE PRAKTISCHE ANWENDUNGEN

6.ZUSAMMENFASSUNG

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KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG

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KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG

FINITE ELEMENTE BERECHNUNGEN

Allgemeine Strukturmechanik mit Geometrie- und Materialnichtlinearitäten, Beulen und Knicken

Temperaturfeldsimulation mit Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung (An- und Abstrahlung)

Kunststoffe (Plastizität, Kriechen) und Elastomere (O-Ringe und vulkanisierte Dichtungen)

Dynamik (Modalanalyse, Erdbebensimulation) und Mehrkörperdynamik (Kraftauflösung kinematischer Abläufe)

Strömungssimulation CFD (Kühlkörper mit Luft und Wasserkühlung, cw-Wert Berechnungen)

ANALYTISCHE BERECHNUNGEN

Schweissnahtberechnung nach der FKM Richtlinie (Nenn- Strukturspannungs- oder Kerbspannungskonzepte)

Festigkeitsnachweis nach der FKM Richtlinie (FKM…Forschungskuratorium für Maschinenbau)

Schraubenberechnung mit KISSsoft nach VDI 2230 (auch Seminare)

KONSTRUKTION

Mechatronische Komponenten, Vorrichtungen, Messeinrichtungen, Montageeinrichtungen

Werkzeugbau (Stanz- Biegewerkzeuge)

Produktentwicklung

3D DRUCK

FDM Verfahren in den Kunststoffmaterialien ABS und PLA, unterschiedliche Farben

Maximale 3D Druckgrösse von 250x150x160mm, NEU ab ca. August 2014 305x305x457mm

Schichtdicke 0.1mm

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FKM RICHTLINIE ALLGEMEINES

Die FKM-Richtlinie 6. Auflage 2012 (Forschungskuratorium Maschinenbau) regelt den rechnerischen Festigkeitsnachweis

für Maschinenbauteile und Bauteile aus verwandten Bereichen.

Nachweisarten

- Statischer Festigkeitsnachweis mit Nennspannungen

- Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit Nennspannungen (Dauer- Zeitfestigkeits- Betriebsfestigkeitsnachweis)

- Statischer Festigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen

- Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen (Dauer- Zeitfestigkeits- Betriebsfestigkeitsnachweis)

Die Nachweise erfolgen immer mit linear-elastischen Spannungen.

Die Spannungskennwerte können beispielsweise aus einer FEM-Berechnung stammen (örtliche Spannungen).

Bei örtlichen Spannungen ist die Bauteilform (stab- flächen- volumenförmig) nicht massgebend.

Gültigkeit für Bauteile aus Eisen- und Aluminiumwerkstoffen unter normaler und erhöhter Temperatur.

Unterscheidung in «nichtgeschweisste» und «geschweisste» Bauteile.

Dem Ermüdungsfestigkeitsnachweis geht ein statischer Nachweis voraus.

Die FKM rechnet immer mit Amplituden.

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Örtliche Spannungen treten in der Schweissnaht als

Strukturspannungen oder als Kerbspannungen auf.

Strukturspannungsermittlung mit «Hot Spot

Extrapolation», «Haibach», «CAB-Methode», «ASME

Innenlinearisierung».

Kerbspannungsermittlung mit «R1MS Methode».

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FKM RICHTLINIE BERECHNUNGSABLAUF

Bauteil-Ermüdungs-festigkeit

Statischer Festigkeitsnachweis Ermüdungsfestigkeitsnachweis

Spannungs-

kennwerte

Werkstoff-

festigkeits-

kennwerte

Konstruktions-

kennwerte

Statische

Bauteilfestigkeit

Sicherheits-

faktoren

Statischer Nachweis

Spannungs-

kennwerte

Werkstoff-

festigkeits-

kennwerte

Konstruktions-

kennwerte

Bauteil-Wechselfestigkeit

Sicherheits-

faktoren

Ermüdungsnachweis

Bauteil-Dauerfestigkeit für bestimmte Mittelspannung

Bauteil-Betriebsfestigkeit

BEISPIEL WELLENSTUMMEL

Statischer und Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen an einem Wellenstummel

Berechnung der örtlichen Spannungen mit dem FEM Programm ANSYS.

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VORGANGSWEISE STATISCHER FKM NACHWEIS

Zuerst einfaches Beispiel durchgehen

DEN Nachweispunkt zu finden ist nicht immer einfach (Kontakte, Vernetzung etc.)

Globale Suche des Nachweispunktes mit Vergleichsspannungen hilfreich

Hauptspannungen trotzdem notwendig (Mehrachsigkeit prüfen)

Vorsicht bei unterschiedliche Beanspruchungen oder Richtungen

Plotten der Hauptspannungsvektoren im Nachweispunkt ist hilfreich

Erstellung eines Excel-Sheets hilfreich (Varianten rechnen)

Werkstoffkennwerte

Konstruktionskennwerte (Plastische Stützzahl, Doppelkriterium, Traglastberechnung)

Bauteilfestigkeit

Sicherheitsfaktoren

Nachweis mittels Auslastungsgrad

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Darstellung eines Lastzyklus (z.B. Excel)

Plotten der Amplitude, Mittelspannung und Ruhegrad im ANSYS Post

Nachweispunkt bereits vorhanden, da statischer Nachweis vorgeht

Bestimmung des Nachbarpunktes im Bauteilinneren

Hauptspannungen aus ANSYS Post auslesen

Amplituden und Mittelspannungen berechnen

Werkstoffkennwerte

Konstruktionskennwerte (Stützzahl nach «Stieler»)

Bauteil-Wechselfestigkeit, Bauteil-Dauerfestigkeit, Bauteil-Betriebsfestigkeit

Sicherheitsfaktoren

Nachweis mittels Auslastungsgrad

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VORGANGSWEISE ERMÜDUNGSNACHWEIS FKM

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

Ermüdungsfestigkeitsnachweis der Schweissnähte einer Vakuumkammer nach der FKM-Richtlinie

Dimension der Schweisskonstruktion 1’600 x 2’000 x 700mm (L x B x H)

Zunächst Globalmodell erstellen, um kritische Stellen zu lokalisieren

Darstellung eines Lastzyklus (innen Vakuum, FKM arbeitet mit Amplituden)

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

Identifikation von 4 Nachweispunkten

Noch keine Schweissnähte modelliert

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

Identifikation von 4 Nachweispunkten

Noch keine Schweissnähte modelliert

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

FKM Richtlinie schreibt Struktur- oder Kerbspannungen für den örtlichen Nachweis vor, nicht aber die Methode

Strukturspannungsermittlung mittels «Hot Spot Extrapolation, Haibach, CAB oder ASME Innenlinearisierung»

Kerbspannungsermittlung mittels «R1MS»

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

Excel Liste vereinfacht Studien

Für geschweisste Baustähle u. Alu-Werkstoffe legt die FKM die Wechselfestigkeit unabhängig von der Zugfestigkeit fest

Der Konstruktionsfaktor für geschweisste Bauteile berücksichtigt die Kerbklasse (FAT-Klasse) und den Blechdickenfaktor

Vorsicht, je nach Nachweiskonzept gelten unterschiedliche FAT-Klassen!

Die Bauteil-Wechselfestigkeit reduziert die Werkstoff-Wechselfestigkeit um den Konstruktionsfaktor

Die Bauteil-Festigkeit berücksichtigt den Mittelspannungs- und Eigenspannungseinfluss

Die Bauteil-Betriebsfestigkeit berücksichtigt den Betriebsfestigkeitsfaktor

Der Gesamtsicherheitsfaktor berücksichtigt den Last- Material- und Temperaturfaktor

Der Nachweis ist mittels des zyklischen Auslastungsgrades zu führen

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

Darstellung der Auslastungsgrade für den Kunden

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

Vergleich der unterschiedlichen Methoden zur Strukturspannungsermittlung

Gute Übereinstimmung der Extrapolationsmethoden und der ASME Innenlinearisierungsmethoden

Haibach und CAB liefern zu hohe Strukturspannungen

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BEISPIEL VAKUUMKAMMER

Erstellung eines Berichts für den Kunden

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ZUSAMMENFASSUNG

Die FKM-Richtlinie oberflächlich durchzulesen reicht nicht aus, man muss sich kontinuierlich damit beschäftigen!

Kunden fordern vermehrt eine Aussage über die Lebensdauer, ein FEM Bild alleine genügt nicht mehr

Lassen Sie sich von Hürden wie z.B. einer Traglastberechnung nicht abschrecken

Die FKM-Richtlinie ist durchgängig, d.h. der Anwender wird von Punkt zu Punkt geleitet

Teil-Automatisierung mittels Excel Sheet möglich

Jede zugekaufte Software erfordert ebenfalls fundierte Kenntnisse über die FKM-Richtlinie

Starten Sie mit einem einfachen Beispiel

Eine Berechnung nach einer Richtlinie zu bewerten zeugt von Kompetenz, schafft Vertrauen und erzeugt einen Mehrwert