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Projekt Schweisskon-struktion

Autor: J. te Heesen (Praktikant) Datum: 31.10.2016 Betreuer: G. Franzoso, S.Künzli Firma: CADFEM Schweiz AG

Projekt Schweisskonstruktion

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Zusammenfassung Zur Schulung in der FEM-Simulation von Strukturbauteilen wurde im Rahmen eines Praktikums bei

der Firma CADFEM ein Übungsbeispiel aus einem Fachbuch nachgerechnet. Es handelt sich hierbei

um eine tragende Schweisskonstruktion einer Kippvorrichtung für Mulden. Die Geometrie als Grund-

lage der Berechnung wurde vom Autor zur Verfügung gestellt. Ziel der Untersuchung war die Verifi-

kation der Spannungsverhältnisse und Deformationen der Bauteile sowie eine Auswertung der

Schweissnähte. Des Weiteren sollten die Ergebnisse mit denen aus dem Fachbuch verglichen werden.

Als Simulationswerkzeuge stand ANSYS Workbench 17.2 zur Verfügung. Die Rohgeometrie wurde

zunächst mit dem CAD-Tool SpaceClaim für die Berechnung optimiert. Parallel zur Auswertung des

Originalmodelles, welches partiell Schweissnähte als Solid-Geometrie enthielt, wurde ein Schalen-

modell sowie ein Modell mit exakt modellierten Schweissnähten erstellt. Das Modell mit der Origi-

nalgeometrie wurde verwendet, um die Simulationsergebnisse aus dem Fachbuch möglichst genau

zu reproduzieren. Das Schalenmodell wurde mit Hilfe des FKM-Tools von ANSYS analysiert, beim

exakten Modell wurde auf saubere Ausführung der Schweissnähte geachtet, speziell wurden diese an

den kritischen Stellen mit Übergangsradius modelliert. Im Verlaufe des Projektes kam noch eine 3D-

Version des FKM-Tools heraus, welche zusätzlich anhand der Geometrie des Vergleichsmodells ge-

testet wurde. Des Weiteren kam das Schraubenanalysetool BAIA zum Einsatz. Alle drei Modelle wur-

den einander gegenübergestellt und verglichen. Die detailliert gezeichneten Schweissnähte nach

Norm gezeichnet wiesen die besten Ergebnisse auf. Die FKM-Tools lieferten für diese Geometrie nur

teilweise zufriedenstellende Ergebnisse, da die Originalgeometrie zur Anwendung dieser Tools weni-

ger geeignet ist. Im Fachbuch fehlen Auswertungen nach Norm.


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Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung .................................................................................................................2

1. Ausgangslage .................................................................................................................5

2. Ziele der Untersuchung ....................................................................................................5

3. Geometrie und Material...................................................................................................5

4. Aufbereitung der Rohdaten ..............................................................................................6

4.1 Voll ausmodellierte Schweissnähte .............................................................................6

5. Randbedingungen der Simulation ......................................................................................7

5.1 Kontakte und Kontaktflächen .....................................................................................7

5.2 Vernetzung..............................................................................................................9

5.2.1 Vernetzungsdetails des Vergleichsmodells ............................................................9

5.2.2 Vernetzung des Schalenmodells ........................................................................ 10

5.2.3 Vernetzung des Volumenmodells mit voll ausmodellierten Schweissnähten............. 11

5.2.4 Vernetzung des Volumenmodells für das 3D-FKM-Tool ......................................... 11

5.3 Schraubenverbindungen ......................................................................................... 13

5.4 Belastungen und Supports ....................................................................................... 14

6. Ergebnisse ................................................................................................................... 15

6.1 Nachbau der Simulation aus dem Fachbuch ............................................................... 15

6.1.1 Vergleich der von-Mises-Spannungen................................................................. 15

6.1.2 Vergleich der Gesamtdeformationen.................................................................. 16

6.1.3 Lagerreaktionen .............................................................................................. 17

6.1.4 Problematische Stellen..................................................................................... 18

6.1.3 Auswertung von Schweissnähten ............................................................................ 19

6.2 Ergebnisse des Schalenmodells mit dem 2D-FKM-Tool ................................................. 22

6.2.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor ..................................................... 22

6.2.2 Totale Deformation ......................................................................................... 22

6.2.3 Lagerreaktionen .............................................................................................. 23

6.2.4 Auswertung der Schweissnähte ......................................................................... 23

7. Ergebnisse des Volumenmodells mit dem 3D-FKM-Tool .................................................. 26

7.1.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor ..................................................... 26


7.1.3 Lagerreaktionen .................................................................................................... 26

7.1.3 Auswertung der Schweissnähte ......................................................................... 27

8. Ergebnisse des Submodells mit ausmodellierten Schweissnähten ..................................... 29

8.1.1 Von-Mises-Spannungen und Fehlerenergie ......................................................... 29


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8.1.3 Untersuchung der Schraubenverbindung ............................................................ 33

9. Diskussion.................................................................................................................... 35

9.1 Vergleich der Simulationen ...................................................................................... 35

9.2 Diskussion der Modelle ........................................................................................... 36

9.3 Diskussion der Vorgehensweise im Fachbuch ............................................................. 36

10. Ausblick.................................................................................................................... 37

11. Quellen .................................................................................................................... 38


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1. Ausgangslage Im Rahmen eines Ausbildungspraktikums bei der Firma CADFEM Schweiz AG in Aadorf wurde ein

Übungsbeispiel aus dem Lehrbuch „FEM-Praxis mit SolidWorks“ von Michael Brand nachgerechnet

[1]. Es handelt sich dabei um das Beispiel 8 „Berechnung einer Schweisskonstruktion“. Die Geometrie

der Schweisskonstruktion in Form einer STP-Datei konnte von der Internetseite des Springer-Vieweg-

Verlages heruntergeladen werden. Zur Überprüfung dieses Beispiels standen die Softwaretools von

ANSYS „SpaceClaim 17.2“ und „Workbench 17.2“ zur Verfügung.

2. Ziele der Untersuchung Hauptzweck der Untersuchung dieses Beispiels war die Ausbildung in den Softwaretools von ANSYS

sowie das Aneignen der Denkweise eines Ingenieurs. Das Beispiel aus dem Buch sollte zum einen

analog zur Vorgehensweise im Buch durchgerechnet werden, zum anderen sollten der Vorgehens-

weise aus dem Fachbuch drei Vorgehensweisen der Firma CADFEM gegenübergestellt werden. Dies

wären im speziellen das „FKM-Inside-Ansys-Tool“ in der 2D- und 3D-Ausführung, zum anderen eine

saubere Ausmodellierung der Schweissnähte nach Norm. Mittels dieser beiden Verfahren sollen die

Ergebnisse aus dem Fachbuch überprüft werden. Neben den im Buch angesprochenen Nähten am

Grundkörper wurden weitere Nähte dem Lagerbock angefügt und untersucht.

3. Geometrie und Material Da die Kippvorrichtung aus zwei identischen Schweisskonstruktionen beidseitig der Mulde besteht,

wurde nur ein Gerüstteil mit halber Gesamtlast als Simulationsgeometrie benutzt. Das verwendete

Material ist gemäss Buch Seite 152 ein nichtlegierter Baustahl. Für die folgenden Berechnungen wur-

de von einem Baustahl S235 ausgegangen. Die Verbindung zwischen Quertraverse und Aufbau ist

gemäss Fachbuch ein fixiertes Gelenk, im ausführlichen Modell wurden Schraubenverbindungen

verwendet. Diese besteht aus zwölf Zylinderkopfschrauben der Dimension M24x60 und Festigkeits-

klasse 8.8. Die Schrauben wurden mit

SpaceClaim gezeichnet, da sie nicht im

Modell enthalten waren. Der Reibungs-

koeffizient der Schraubenverbindung

beträgt 0.14. Das Koordinatensystem liegt

etwa mittig auf der Quertraverse. Da im

Verlauf dieses Projektes auch die Flä-

chenpresskraft durch den Schraubenkopf

auf die Auflageplatte des Lagerbocks be-

rechnet wird, wurde der maximale Druck

für die Grenzflächenpressung mit Hilfe

der VDI 2230 Norm bestimmt. Unter der

Annahme, einen niedriglegierten Stahl

vorliegen zu haben, wurde ein Mittelwert

von 500 MPa für die zulässige Flächen-

pressung definiert [3]. Es wurden nur

lineare Materialeigenschaften verwendet.

Abbildung 1: Rohteilgeometrie der Schweisskonstruktion


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4. Aufbereitung der Rohdaten Um den Rechenaufwand der Simulation zu reduzieren, wurden am Originalmodell für diesen Versuch

unwichtige Details an der Geometrie mit Hilfe von SpaceClaim entfernt. Hierbei handelte es sich vor

allem um diverse Bohrungen, deren Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit des Modells vernachlässigbar

ist. Es wurde am Gerüst ein Blechteil entfernt, welches offensichtlich keinen Einfluss auf die Simulat i-

on hat. Des Weiteren wurde eine Lücke im Gerüst geschlossen. All diese Anpassungen wurden

durchgeführt um die Komplexität der Vernetzung zu reduzieren. Alle Bauteile einer Unterbaugruppe,

ausser den modellierten Schweissnähten, sind in einer sogenannten „Shared Topology“ enthalten.

Für die spätere Anwendung des 2D-FKM-Tools wurde diese bereits vereinfachte Geometrie zusätzlich

noch zu einem Schalenmodell umgewandelt. Schalenmodelle benötigen bedingt durch die einfachere

Vernetzung bedeutend weniger Rechenzeit. Für das ausführliche Modell wurde die Originalgeomet-

rie noch weiter optimiert. Zum einen wurden die vorhandenen Schweissnähte gelöscht. Dann wur-

den alle Blechteile miteinander verbunden, so dass die Baugruppe schlussendlich nur noch aus vier

Bauteilen bestand, aus der Quertraverse, dem Gerüstaufbau, dem Lagerbock sowie dem Befesti-

gungsbolzen. Am Lagerbock und an der Quertraverse wurden dann Schweissnähte nach FKM-Norm

[4] modelliert, also mit Übergangsradius von 1mm.

Für die zusätzlichen Untersuchungen am Lagerbock wurden Nähte nach Norm ausgelegt und unter-

sucht. Die Dimensionierung der Schweissnähte am Lagerbock wurde den Geometriebedingungen des

Lagerbocks angepasst. Nach Norm muss das Mass „a“ der Schweissnaht, welches als Höhe des Quer-

schnittdreiecks definiert ist, mindestens die halbe Blechdicke des Dünneren der beiden verschweiss-

ten Bleche haben. So wurden die horizontalen Nähte am Lagerbock mit Nähten der Seitenlänge 20

mm versehen (a = 14.14 mm). Aus Platzgründen wurden im Falle der vertikalen Nähte am Lagerbloch

Nähte der Seitenlänge 10 mm modelliert (a = 7.07 mm).

4.1 Voll ausmodellierte Schweissnähte

Um die Vereinfachungen und die FKM-Tools zu verifizieren wurde ein Modell mit Submodellen, wel-

che detaillierte Schweissnähte enthalten erstellt. Die Schweissnähte sind nach FKM-Norm gezeich-

net, das heisst die Übergangsecken der Schweissnähte sind mit Radius 1 mm abgerundet und die

Wurzel der Schweissnähte ist ebenfalls mit Rundungsradius 1 mm freigestellt (Beispiele Abbildung 2

und Abbildung 3).

Abbildung 2: Schweissnähte am Lagerbock

Abbildung 3: Geschweisster Stoss nach Norm


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5. Randbedingungen der Simulation

5.1 Kontakte und Kontaktflächen

Die Basis einer Berechnung mit ANSYS Workbench bildet die Wahl geeigneter Kontaktflächen. In die-

sem Projekt wurden zwei verschiedene Kontakttypen angewendet. In Abbildung 4Abbildung 4 bis

Abbildung 5 sind die jeweiligen Bereiche dargestellt, welche mit einem „Frictional“-Kontakt verbun-

den wurden. Hierbei handelt es sich um einen nicht-linearen Kontakttyp. Als Parameter muss hier ein

Haftreibungskoeffizient angeben werden, in diesem Projekt wurde ein Koeffizient von 0.14 gewählt.

Der Kontakttyp „Frictional“ kann Scherbelastungen bis zu einem gewissen Wert aufnehmen, bevor es

zu verrutschen kommt. Dieser Kontakttyp lässt ein auseinanderklaffen der Kontaktflächen zu. Zur

Formulierung der Kontaktalgorithmen wurde das „Pure Penalty“-Verfahren gewählt.

Abbildung 4: Frictional Kontakt Lagerbock (Contact)

Abbildung 5: Frictional Kontakt Lagerbock (Target)

Abbildung 6: 2x Frictional Kontakt Aufbau (Contact)

Abbildung 7: 2x Frictional Kontakt Aufbau (Target )

Der Bolzen, welcher zuoberst im Aufbau platziert ist, ist ebenfalls mittels eines „Frictional“ -Kontakts

verbunden, unter den gleichen Bedingungen wie der Aufbau die Quertraverse berührt. Dieser Kon-

takt ist nur im Vergleichsmodell sowie im Modell mit den detaillierten Schweissnähten vorhanden.

Da der Bolzen beim Schalenmodell fehlt, verfügt dieses Modell nur über diese drei Kontaktregionen.


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Das Vergleichsmodell weist an den Schweissnähten noch mehrere „Bonded“-Kontakte auf, welche

mit dem Multipoint-Constraint-Verfahren formuliert werden. Um saubere Kontaktbedingungen zu

erhalten, wurden auf den Bauteilen, welche durch die jeweiligen Schweissnähte verbunden werden,

Imprints mit SpaceClaim generiert (Abbildung 8 und Abbildung 9). Der Boden dieses Modells weist

zwei kleine Lücken auf, diese wurden auch mittels „Bonded“-Kontakt miteinander verbunden. Auf

diese Lücke wird im nächsten Kapitel (Vernetzung) nochmals eingegangen.

Abbildung 8: Schweissnaht mit verdeckten Imprints

Abbildung 9: Imprints auf den verbundenen Bauteilen

Das Modell mit den detaillierten Schweissnähten verfügt des Weiteren über zwölf Schrauben. Diese

sind sowohl mit „Bonded“-Kontakten im Bereich der Gewinde verbunden (ebenfalls mit Imprints), als

auch mit „Frictional“-Kontakten im Bereich der Auflagefläche der Schraubenköpfe. Da die Schrauben

feiner vernetzt sind, sind sie jeweils als Contact und der Lagerbock, respektive der Aufbau, als Target

definiert.

Im Vergleichsmodell und in den beiden Modellen mit dem FKM-Tool werden Grundkörper und Auf-

bau mit „Fixed Joints“ verbunden. Einzig im Modell mit den detaillierten Schweissnähten kommt das

Bolt Assessment Tool BAIA als Nebenuntersuchung zum Einsatz.


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5.2 Vernetzung Die Vernetzung der Modelle ist leicht unterschiedlich, sie ist den jeweiligen Bedingungen etwas an-

gepasst. Es wurde dennoch darauf geachtet, dass die Modelle miteinander vergleichbar sind. In Ab-

bildung 10 ist ein Überblick ersichtlich, welcher verdeutlichen soll, welche Bezeichnungen für die

jeweiligen Bauteile gewählt wurden. Die Vernetzung der Bauteile wurde je nach Anforderung an die

Simulation lokal etwas angepasst. Auf diese Anpassungen wird im Folgenden jeweils kurz eingegan-

gen.

Abbildung 10: Überblick der verwendeten Begriffe für Unterbaugruppen der Schweisskonstruktion

5.2.1 Vernetzungsdetails des Vergleichsmodells

Im Vergleichsmodell wurde die maximale Elementgrösse auf 30 mm festgelegt, dies weil im Buch

ebenfalls diese Elementgrösse verwendet wird. Das ganze Modell wurde mit dieser Elementgrösse

vernetzt, die Form der verwendeten Elemente sind Tetraeder (Abbildung 11).


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Abbildung 11: Vernetzung des Vergleichsmodells

Lediglich in der im vorigen Kapitel angesprochenen Lücke musste die Elementgrösse etwas verringert

werden (neu 8 mm), um Kontaktprobleme und somit Konvergenzprobleme zu vermeiden (Abbildung

12).

Abbildung 12: Verringerte Netzgrösse bei Kontaktlücke im Boden

5.2.2 Vernetzung des Schalenmodells Im Schalenmodell wurde eine generelle Netzgrösse von 8 mm gewählt, dies weil mit diesem Modell

auch noch die Genauigkeit der Ergebnisse gegenüber dem Vergleichsmodell erhöht werden sollte. Es

wurde mittels einer Methode die Elementform Tetraeder definiert. Um die Auswertung nach FKM-

Norm mittels der Hot-Spot-Methode zu verbessern, wurde lokal die Elementgrösse reduziert. Dies

betrifft bei diesem Modell lediglich den Lagerbock. Dieser wurde mit einer Elementgrösse von 1 mm

vernetzt. Aus Gründen der Darstellung wird auf eine Abbildung der Vernetzung verzichtet.


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5.2.3 Vernetzung des Volumenmodells mit voll ausmodellierten Schweissnähten Am detailliertesten sind die Submodelle dieses Volumenmodells vernetzt. Das gröber vernetzte

Hauptmodell ist übergeordnet mit einem 30 mm Netz versehen. Ausser dem Bolzen und den model-

lierten Schrauben besteht das ganze Netz aus Tetraedern. Der Lagerbock wurde mit 10 mm vernetzt.

Der Bolzen (Abbildung 13) und die Schrauben (Abbildung 14) sind die einzigen Elemente mit einer

Hexaeder-Vernetzung. Die Vernetzungsgrösse des Bolzens wurde auf 10 mm festgelegt, mit einer

Verfeinerung von 5 mm an den Auflageflächen. Die Schrauben wurden generell mit 4 mm Netzgrösse

versehen.

Abbildung 13: Vernetzung des Bolzens

Abbildung 14: Vernetzung der Schrauben

Die Submodelle wurden jeweils mit einer maximalen Netzgrösse von 1 mm modelliert, die Über-

gangsradien wurden mit 0.1 mm Netzgrösse deutlich feiner vernetzt.

5.2.4 Vernetzung des Volumenmodells für das 3D-FKM-Tool Für das 3D-FKM-Tool wurde ebenfalls ein Volumenmodell erstellt. Dieses wurde ebenfalls generell

mit 30 mm Netzgrösse versehen. Der Lagerbock wurde dabei mit 10 mm etwas feiner vernetzt, da

hier das FKM-Tool zur Anwendung kommt. Des Weiteren wurden noch drei Kanten feiner vernetzt,

da auch hier die Hot-Spot-Methode zur Kontrolle angewendet wurde (Abbildung 15 und Abbildung

16).

Abbildung 15: Feinere Kante am Lagerbock

Abbildung 16: Feinere Kante am T-Stoss

Der Bolzen wurde gleich wie beim anderen Volumenmodell vernetzt.


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Die Modelle bestehen nach der Vernetzung aus den folgenden Anzahlen an Elementen und Knoten:

Modell Anzahl Elemente Anzahl Knoten Mittlere Elementqualität Vergleichsmodell 118‘226 229‘767 68%

Schalenmodell 308‘543 613‘908 96% Volumenmodell 3D-FKM 325‘375 583‘579 76%

Detailliertes Hauptmodell 192‘515 437‘898 68% Submodell 1 9‘239‘719 13‘047‘727 84% Submodell 2 288‘015 1‘201‘995 87%

Submodell 3 294‘588 1‘240‘339 64% Tabelle 1: Vergleich der Vernetzung der verschiedenen Modelle

Im Buch bestand das Modell aus 108593 Elementen und 208442 Knoten. Zur Netzqualität werden

keine Angaben gemacht. Diese dürfte vergleichbar sein mit der des Vergleichsmodells.


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5.3 Schraubenverbindungen Neben den Überprüfungen der Schweissnähte wurde auch die Schraubenverbindung zwischen dem

Träger und den Aufbauelementen auf Festigkeit überprüft. Dies wurde einerseits wie im Fachbuch

mit fixierten Gelenken durchgeführt, andererseits mit dem Bolt Assessment Tool (BAIA) von Ansys.

Um die Bauteile zu verbinden wurde eine M24x50 Zylinderkopfschraube der Festigkeitsklasse 8.8

konstruiert und eingefügt. Gemäss VDI 2230 [2] wurden die Schrauben mit einer Vorspannkraft von

183 kN versehen. Die Schrauben sollen bezüglich Festigkeit, Flächenpressung unter dem Schrauben-

kopf und Verrutschen überprüft werden.

Abbildung 17: Schraubenverbindungen für die Simulation mit BAIA

Die Schrauben wurden mittels einer Multizone mit Hexaedern vernetzt. Dies weil mit dieser Element-

form eine höhere Qualität und Regelmässigkeit der Vernetzung erreicht werden kann. Die Vernet-

zung der Schrauben ist exemplarisch in Abbildung 14 ersichtlich.


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5.4 Belastungen und Supports In Abbildung 18 ist eine teilweise Übersicht zu sehen, an welchem Punkt der Schweisskonstruktion

welcher Support oder welche Last definiert ist. Der Lastfall „Label D“ in der Legende ist in dieser Ab-

bildung nicht ersichtlich, er wird in Abbildung 19 gezeigt.

Abbildung 18: Lastanbringung und Supports unterer Teil

Die Schweisskonstruktion ist an den beiden Bodenplatten (Label A und B) fest eingespannt. Der Last-

fall, wie er im Buch beschrieben ist, setzt sich aus zwei Kräften an zwei Angriffspunkten zusammen.

Es wird ein Augenblick simuliert, in welchem eine Mulde zum Kippen angehoben wird. Der Hydraulik-

zylinder, welcher die Kraft aufbringt um die Mulde anzuheben, ist am Lagerbock befestigt, der in

Abbildung 18 mit „Label C“ beschriftet ist. Der zweite Angriffspunkt ist zugleich der Drehpunkt der

Kippmulde, dies ist der Bolzen, welcher in Abbildung 19 ersichtlich ist. Die beiden beschriebenen

Kräfte liegen jeweils in der X-Y-Ebene des angezeigten Koordinatensystems. Kurz nach dem Anhe-

bend der Mulde sind die Kraftrichtungen näherungsweise entgegengesetzt. Die Kraft am Lagerbock

teilt sich auf in 46 kN in X-Richtung und -369.5 kN in Y-Richtung, respektive am Bolzen in -46 kN in X-

Richtung und 148.7 kN in Y-Richtung. Die Kräfte wurden als „Bearing Load“ simuliert.

Abbildung 19: Lastanbringung oberer Teil


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6. Ergebnisse

6.1 Nachbau der Simulation aus dem Fachbuch

6.1.1 Vergleich der von-Mises-Spannungen Um den Nachbau zu verifizieren wurden die Bilder mit den Sondierungsergebnissen aus dem Fach-

buch nachgestellt. Die Spannungs-Labels wurden rein optisch nach der Vorgabe aus dem Buch plat-

ziert. Die Farbskala wurde ebenfalls der Skala aus dem Buch nachempfunden (Maximalwert 60 MPa).

Auch wurde auf Konturbänder bei der Farbdarstellung verzichtet, um optisch ein vergleichbares Er-

gebnis zu erzielen. In Abbildung 20 ist der Kopfbereich der Konstruktion dargestellt. Die Label-Werte

weichen maximal 7.1% ab. Eine Ausnahme bilden die Sondierungswerte 21.26 und 19.593. Diese sind

markant geringer, was auf die fehlenden Bohrungen um den Bolzen herum zurückzuführen ist.

Abbildung 20: Stelle 1, Bereich des Bolzens oben

Gleich wurde für Stelle 2, also im Bereich des linken Radsatzes verfahren. Auch hier wurden Ver-

gleichs-Labels gesetzt. Die maximale Abweichung der gesetzten Messpunkte beträgt 4.2%.

Abbildung 21: Bereich Stelle 2, Befestigung Radsatz links


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Ebenso Stelle 3. Die Abweichung der Messpunkte beträgt maximal 2.5%.

Abbildung 22: Stelle 3, Befestigung Lagerbock

Auf eine Darstellung von Stelle 4 wird verzichtet, da die Ergebnisse ebenfalls vergleichbar waren.

6.1.2 Vergleich der Gesamtdeformationen Die Deformation der gesamten Schweisskonstruktion beträgt maximal 2.43 mm am obersten Punkt

der Konstruktion (Abbildung 23). Das Fachbuch gibt eine maximale Deformation von 2.37 mm an. Der

Unterschied zwischen beiden Simulationen bezüglich der maximalen Gesamtdeformation beträgt

somit 2.6 %. In der übertriebenen Darstellung ist deutlich ein abheben der Aufbauelemente zu sehen.

Abbildung 23: Deformation links realistisch und rechts übertrieben (250-fach)


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6.1.3 Lagerreaktionen Da die gesamte Konstruktion Kräftemässig im Gleichgewicht sein muss, wurden die Lagerreaktionen

untersucht. In Abbildung 24 ist die Richtung der Lagerreaktionskraft A ersichtlich, in Abbildung 25

sind die Komponenten der Reaktionskraft A ersichtlich. Hierbei ist anzumerken, dass nur Zeitschritt 1

relevant ist (Zeile 3 der Tabelle).

Abbildung 24: Resultierende der Lagerreaktion A

Abbildung 25: Kraftkomponenten der L agerreaktion A

Gleiches wurde für die Lagerreaktion B durchgeführt. Richtung und Komponenten der Reaktion sind

in Abbildung 26 und Abbildung 27 dargestellt. Auch hier ist nur Zeitschritt 1 zu beachten.

Abbildung 26: Resultierende der Lagerreaktion B

Abbildung 27: Kraftkomponenten der L agerreaktion B


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6.1.4 Problematische Stellen Der Nachbau des Modells aus dem Buch offenbarte einige problematische Stellen, welche in der Fol-

ge noch genauer untersucht werden, vor allem auch an den anderen Modellen. Die erste Stelle, die

in dieser Untersuchung als kritisch eingestuft wurde (Abbildung 28), ist die Befestigung des Lager-

bocks. An den Kanten, an welchen dieser vermutlich ebenfalls angeschweisst ist, treten hohe Von-

Mises-Spannungen auf. Diese liegen zwar unterhalb der Streckgrenze, dennoch sollten diese näher

untersucht werden. Es ist in dieser Untersuchung nicht klar, ob es sich um ein mathematisches Prob-

lem handelt oder ob hier tatsächlich hohe Spannungen auftreten. An dieser Stelle wird angenom-

men, dass diese ebenfalls mit 10 mm breiten Schweissnähten verbunden wurden.

Abbildung 28: Problematische Stelle 1, Lagerbock

Eine weitere problematische Stelle ist in Abbildung 29 aufgezeigt. Die Stelle mit dem Label „115.9

MPa“ wird in einem späteren Modell untersucht, in welchem das Bolt Assessment Tool BAIA zur An-

wendung kommt. Die Stelle mit dem Label „123.61 MPa“ wird ebenfalls nach der FKM-Norm unter-

sucht, respektive in den weiteren Modellen noch mit ausmodellierten Schweissnähten respektive

noch mit dem 2D-FKM-Tool (beim Schalenmodell) und dem 3D-FKM-Tool (3D-Modell).

Abbildung 29: Problematische Stelle 2, Schraubenverbindung und Support-Platte


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6.1.3 Auswertung von Schweissnähten Um die Festigkeit von Schweissnähten zu bewerten, wurde das Strukturspannungsverfahren der

FKM-Norm angewendet. In Abbildung 30 ist ersichtlich, welche Stelle für eine genauere Überprüfung

ausgewählt wurde. Der blaue „Min-Label“ markiert eine Stelle, welche gemäss Hauptspannungs-Plot

einen Wert von etwa 280 MPa aufweist. Dies gibt einen Hinweis darauf, dass die Schweissnaht an

dieser Stelle potentiell gefährdet ist. Also wurde orthogonal zur Naht ein Pfad definiert, entlang wel-

chem Werte aufgenommen werden sollten (Abbildung 31).

Abbildung 30: Wahl der Auswertungsstelle

Abbildung 31: Pfad zur Auswertung

Die Ergebnisse der Spannungsanalyse sind in Abbildung 32 dargestellt. Der Pfad beginnt bei Punkt 1

(Abbildung 31), ist 80 mm lang und endet bei der Wurzel der Schweissnaht. Die Schrittgrösse ent-

spricht 1 mm, um Spannungswerte für eine Analyse gemäss Hot-Spot-Methode zu erhalten. Das dün-

nere der beiden verschweissten Bleche ist 15 mm dick, es wurde aber eine 20 mm breite Schweiss-

naht modelliert, damit der Nahtquerschnitt „a“ in etwa der Dicke des Bleches entspricht. Dieser Wert

von 20 mm dient als Referenzdistanz zum Auswerten der Schweissnaht. In der Tabelle von Abbildung

32 ist nur der interessante Bereich von 40 mm bis 80 mm dargestellt.


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Abbildung 32: Spannungskurve entlang des gewählten Pfades

Die folgende Formel entspricht der Hot-Spot Methode. Die auszuwertende Spannung der Schweiss-

naht entspricht dem Spannungswert entlang des Pfades, welcher 100% der Blechdicke entfernt vom

Nahtfuss liegt minus den Spannungswert in einer Entfernung von 40% der Blechdicke. Die beiden

Spannungswerte sind zusätzlich skaliert. Da die Schweissnähte 20 mm breit modelliert wurden be-

ginnt der Fuss der Naht also bei 60 mm.

Formel gemäss Hot-Spot-Methode:

Mit Zahlenwerten bei 40 mm gemäss Tabelle respektive 52 mm:

In Abbildung 33 ist eine weitere Problemzone ersichtlich, hier sind die Hauptspannungen ebenfalls

deutlich erhöht. In Abbildung 34 ist der Pfad zur Auswertung abgebildet.


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Abbildung 33: Hauptspannungen am Fuss der Konstruktion

Abbildung 34: Pfad am Fuss

Der Pfad ist wiederum 80 mm lang. Somit wurden auch für diesen Problemfall die Spannungswerte in

den gleichen Abständen aufgenommen, da die Blechdicke hier ebenfalls 15 mm beträgt.

Abbildung 35: Spannungswerte entlang de s Pfades

Mit Zahlenwerten bei 40 mm gemäss Tabelle respektive 52 mm:

Im Bereich des Grundkörpers konnten keine Schweissnaht-Auswertungen nach Norm vorgenommen

werden, da die Extrapolationsflächen zu klein waren.


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6.2 Ergebnisse des Schalenmodells mit dem 2D-FKM-Tool

6.2.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor

Die maximalen Von-Mises-Spannungen sind im Bereich der Bohrungen zu finden und betragen rund

815 MPa. Dieser Wert ist allerdings nicht relevant, da die Schraubenverbindung im 3D-Modell mit

dem BAIA untersucht wird. An einer vergleichbaren Stelle wie im vorherigen Modell kann ein Span-

nungswert von rund 287 MPa herausgelesen werden (Maximalwert an der Kante). Spannungswerte

höher als 110 MPa treten nur in direkter Nähe zu scharfen Kanten auf. Diese werden separat ausge-

wertet.

Abbildung 36: Von-Mises-Spannungen am Schalenmodell

6.2.2 Totale Deformation

Die totale Deformation des Schalenmodells beträgt im Maximum 2.35 mm. Die Abweichung gegen-

über dem Modell beträgt am Punkt der maximalen Deformation etwa 1 %.

Abbildung 37: Totale Deformation am Schalenmodell, rechts 260-fach verstärkt


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6.2.3 Lagerreaktionen Die Lagerreaktionen in der X-Richtung sind entgegengesetzt etwa gleich gross. Verglichen mit dem

Referenz-Modell aus dem letzten Kapitel sind die X-Achsen-Lagerreaktionen betragsmässig etwa

11076 N grösser.

Abbildung 38: Lagerreaktionen am Fixed Support A

Abbildung 39: Lagerreaktionen am Fixed Support B

6.2.4 Auswertung der Schweissnähte

Das Schalenmodell ist speziell für das 2D-FKM-Tool von ANSYS aufgestellt worden. Die Untersuchung

mit diesem Tool ergab für die Schweissnähte am Lagerbock gemäss Abbildung 40 Auslastungsgrade

von bis zu 220 % an den vertikalen Nähten respektive rund 85 % an den horizontalen Nähten.

Abbildung 40: Schweissnähte um den Lagerbock

Im Bereich der Befestigung der Quertraverse ermittelte das 2D-FKM-Tool einen Auslastungsgrad von

73.3 %.


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Abbildung 41: Schweissnähte im Bereich der Befestigung der Quertraverse

Im Bereich des Grundkörpers weisen die Schweissnähte gemäss Abbildung 42 Auslastungsgrade bis

zu rund 230 % auf.

Abbildung 42: Schweissnähte am Grundkörper

Des Weiteren wurden die Schweissnähte an den ausgewählten Stellen auch mit der Hot-Spot-

Methode ausgewertet, um einen Vergleich der Modelle präziser bewerten zu können. Es wurden

stets die gleichen Stellen ausgewertet. Abbildung 43 und Abbildung 44 zeigen Ort der Untersuchung

sowie den gewählten Pfad für die Hot-Spot-Methode.


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Abbildung 43: Gewählte Stelle am Lagerbock

Abbildung 44: Pfad für Hot -Spot -Methode

Abbildung 45: Spannungsverlauf entlang des Pfade s

Mit Zahlenwerten bei 40 mm gemäss Tabelle aus Abbildung 45 respektive 52 mm:


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7. Ergebnisse des Volumenmodells mit dem 3D-FKM-Tool

7.1.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor Die Von-Mises-Spannungen

Abbildung 46: Von-Mises-Spannungen am 1. Volumenmodell

7.1.2 Totale Deformation Die totale Deformation am Modell mit

Abbildung 47: Totale Deformation, rechts 230-fach verstärkt

7.1.3 Lagerreaktionen Die Lagerreaktionen in der X-Richtung sind entgegengesetzt etwa gleich gross. Verglichen mit dem

Referenz-Modell sind die X-Achsen-Lagerreaktionen betragsmässig etwa 2260 N grösser.


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Abbildung 48: Lagerreaktionen am Fixed Support A

Abbildung 49: Lagerreaktionen am Fixed Support B

7.1.3 Auswertung der Schweissnähte

Die in Abbildung 50 gezeigte Auswertung mit dem 3D-FKM-Tool zeigt, dass die Schweissnähte gegen

den Rand hin eine Auslastung von 100 % übersteigen. Nimmt man im Falle der kurzen Naht einen

Wert aus der Mitte der Schweissnaht, so resultiert eine Auslastung von etwa 80 – 100 %. Für die lan-

gen Nähte resultiert ein Wert im Bereich von 60 – 100 %.

Abbildung 50: Auswertung der horizontalen Schweissnähte am Lagerbock

Die vertikalen Nähte (Abbildung 51) sind bis maximal 67.7 % am Rand ausgelastet. In der Mitte resul-

tiert ein Minimalwert von etwa 20 %.


28

Abbildung 51: Auswertung der vertikalen Schweissnähte am L agerbock

Für die oberen Nähte am Grundkörper resultiert gemäss Abbildung 52 eine maximale Auslastung von

etwa 45 %.

Abbildung 52: Auswertungen am Grundkörper


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8. Ergebnisse des Submodells mit ausmodellierten Schweissnähten Als Verifikation der Untersuchungen mit den FKM-Tools wurden als letztes noch drei Submodelle

eines Volumenmodells erstellt, bei welchen die Schweissnähte vollständig ausmodelliert sind. Unter-

sucht wurden drei Stellen, welche auch in den letzten Modellen betrachtet wurden. Diese drei Stel-

len sind in Abbildung 53 und Abbildung 54 ersichtlich. Am Grundkörper (Submodell der Stelle 2 und

3) wurden Schweissnähte mit einer Seitenlänge von 10 mm gezeichnet, welche an den Rändern mit

einem Übergangsradius versehen sind, so wie es die FKM-Norm vorschreibt. Die Grösse der

Schweissnähte wurde gleich wie im Fachbuch gewählt. Bei der Zusatzuntersuchung am Lagerbock

wurden die vertikalen Nähte ebenfalls mit einer Seitenlänge von 10 mm modelliert. Grund hierfür

waren die Platzverhältnisse. Die horizontalen Nähte wurden mit einer Seitenlänge von 20 mm model-

liert.

Abbildung 53: Lokalisierung Untersuchungsstelle 2

Abbildung 54: Lokalisierung Untersuchungsstelle 1 und 3

8.1.1 Von-Mises-Spannungen und Fehlerenergie Im untersuchten Bereich des Lagerbocks (Abbildung 55) treten maximale Von-Mises-Spannungen von

etwa 2145 MPa auf. Diese sind in den Bereichen der scharfen Kanten zu finden und sollten nicht

genauer beachtet werden, da auch keine Ausläufe der Schweissnähte modelliert sondern diese

scharf abgeschnitten wurden. Relevant sind hingegen die Spannungswerte in der Mitte der

Schweissnähte. Hier treten im Falle der horizontalen Schweissnähte Werte um die Streckgrenze des

Werkstoffes auf, was auf eine Auslastung der Nähte von 100 % hinweist. Im Falle der vertikalen

Schweissnähte treten Spannungen im Bereich bis etwa 60 MPa auf, was auf eine Auslastung von et-

wa 30 % hinweist.


30

Abbildung 55: Von-Mises-Spannungen des Submodells 1

Um einen Einfluss einer zu schlechten Vernetzung zu untersuchen, wurde in einem weiteren Schritt

die gemittelte Fehlerenergie in den Elementen angezeigt (Abbildung 56). Diese Fehlerenergie liegt im

Bereich der Fläche Schweissnähte sowie im Bereich der Übergangsradien bei unter 4%.

Abbildung 56: Mittlere Fehlerenergie in den Elementen


31

Im Bereich der Auflage der Quertraverse (Stelle 2, Abbildung 57) liegen die höchsten Spannungen an

der Schweissnaht im Bereich von 141 MPa. Der Maximalwert tritt an der Schnittkante auf und ist

somit nicht relevant für diese Beurteilung. Die Auslastung dieser Schweissnaht liegt somit etwa bei

60 %.

Abbildung 57: Von-Mises-Spannungen an der Auflage der Quertraverse

Auch für dieses Submodell wurde die mittlere Fehlerenergie der Elemente untersucht. Wie in Abbil-

dung 58 ersichtlich treten im Bereich der Schweissnaht sowie an den Übergangsradien Werte von

unter 0.1 % auf. Höhere Werte von 25 % treten im Bereich des Radius 1 mm an der Freistellung der

Nahtwurzel auf.


32

Abbildung 58: Mittlere Fehlerenergie der Elemente am zweiten Submodell

Die Auswertung nach Von-Mises an der Stelle 3 ergeben Spannungswerte von 185 MPa im Bereich

des Übergangsradius der Schweissnaht. Die Schweissnaht an dieser Stelle ist somit etwa zu 79 % aus-

gelastet.

Abbildung 59: Von-Mises-Spannungen an der Stelle 3

Die Fehlerenergie der Elemente bleibt für diese Schweissnaht unter 5 %.


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Abbildung 60: Mittlere Fehlerenergie der Elemente am dritten Submodell

8.1.2 Totale Deformation

Die totale Deformation beträgt im Maximum 2.45 mm. In Abbildung 61 ist links eine reale Darstel-

lung zu sehen, rechts die Deformation 250-fach übertrieben.

Abbildung 61: Totale Deformation des Modells mit den detaillierten Schweissnähten

8.1.3 Untersuchung der Schraubenverbindung

Um den Einfluss der Fixed Joints, mit welchen der gesamte Aufbau an der Quertraverse befestigt ist,

zu untersuchen, wurden alle drei Verbindungen noch mit Schrauben versehen und mit dem BAIA

untersucht. Die Schraubenverbindungen wurden bezüglich Schraubenspannung, Flächenpressung

unter dem Schraubenkopf und Verrutschen der Schraubenverbindung untersucht. In Abbildung 62 ist

das Ergebnis der Untersuchung bezüglich der Schraubenspannung ersichtlich. Der Sicherheitsfaktor

der Schraubenspannung beträgt 119%.


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Abbildung 62: Sicherheitsfaktor der Schraubenspannung

In Abbildung 63 ist der Sicherheitsfaktor bezüglich der Flächenpressung unter dem Schraubenkopf

ersichtlich. Dieser liegt bei 110%.

Abbildung 63: Sicherheitsfaktor der Fl ächenpressung unter dem Schraubenkopf

In Abbildung 64 ist der Sicherheitsfaktor der Schraubenverbindung bezüglich verrutschen der

Schraubenverbindung ersichtlich, bezogen auf die Fuge zwischen den beiden Platten, welche durch

die Schrauben verbunden werden. Der Sicherheitsfaktor beträgt minimal etwa 0.96 am Lagerbock,

Eine Schraube (grün) liegt bei Sicherheitsfaktor 1. Die Verbindung zwischen Gerüst und Quertraverse

verfügt über Sicherheitsfaktoren zwischen 7 und 18.5.

Abbildung 64: Sicherheitsfaktor der Schraubenverbindung bezüglich Verrutschen


35

9. Diskussion Wichtig für den Leser dieses Berichtes ist, dass dieser Bericht lediglich als Teillösung zu verstehen ist.

Der Grund hierfür ist, dass das Projekt zeitlich mit dem Ende des Praktikums kollidierte. Die Untersu-

chungen, welche nicht oder nur teilweise durchgeführt wurden, sind im nächsten Kapitel Ausblick

aufgeführt.

Bei den aufgestellten Modellen wurde davon ausgegangen, dass der im Buch auf Seite 167 gezeich-

nete Lastfall zutrifft. Auch wurde in diesem Bericht nicht hinterfragt, ob die vorgenommenen Verein-

fachungen der Gesamtgeometrie so vorgenommen werden dürfen. Da nichts über die exakte Lage-

rung der Konstruktion bekannt ist, wurde der Ansatz aus dem Buch übernommen, wobei beide Sei-

ten fest eingespannt sind. Dies beinhaltet wahrscheinlich einen Fehler, da davon ausgegangen wer-

den muss, dass die Hubvorrichtung fahrbar, das heisst mit Rollen, ausgestattet ist. Bei den zusätzlich

untersuchten Schweissverbindungen am Lagerbock und an der Quertraverse wird jeweils davon aus-

gegangen, dass diese durchgeschweisst sind. Es wurden keine Untersuchungen bezüglich der Materi-

alermüdung durchgeführt. Diese Untersuchungen stützen sich auf die Anwendung der FKM-Richtlinie

der 6. Auflage 2012. Es war teilweise sehr schwierig, die Norm auf die Konstruktion anzuwenden.

Idealerweise würde eine Schweisskonstruktion so konstruiert, dass sie eine zweifelsfreie Anwendung

der Norm ermöglicht.

9.1 Vergleich der Simulationen

Die Gesamtdeformationen der verschiedenen Modelle weichen nur unerheblich von der Gesamtde-

formation im Fachbuch ab. Die grösste Abweichung zum Fachbuch hat das Volumenmodell mit der

3D-FKM-Analyse, hier beträgt die Abweichung etwa 5.5 %. Das Schalenmodell weicht um etwa 1 %

ab, das detaillierte Modell um 2 %. Diese Abweichungen können zumindest teilweise mit der unter-

schiedlichen Vernetzung und der verschiedenen Verbindung zwischen Grundkörper und Aufbau er-

klärt werden (Fixed Joints versus Schraubenverbindungen). Somit wäre auch die errechnete Gesamt-

deformation aus dem Fachbuch bestätigt.

Bei den Auswertungen der Schweissnähte des Buchmodelles fällt auf, dass die Spannungskurven

entlang der gewählten Pfade deutliche Knicke aufweisen. Dies liegt daran, dass für eine derartige

Auswertung nach der FKM-Norm die Vernetzung des Modelles deutlich zu grob gewählt wurde. Der

Solver interpoliert die Spannungen zwischen den Stützstellen, welche auf der Vernetzung basieren

linear. Bei den Vergleichsmodellen wurde dieser Tatsache Rechnung getragen und im Bereich der

auszuwertenden Schweissnahte auf eine ausreichend feine Vernetzung geachtet.

Bei den 3D-Vergleichsmodellen mit voll ausmodellierten Schweissnähten wurde statt der „Fixed-

Joint“- Verbindung eine Schraubenverbindung mit M24x60 Zylinderkopfschrauben modelliert. Dies

weil beim Buch-Modell sowie beim Schalenmodell sehr hohe Spannungen im Bereich der Schrauben-

bohrungen auftraten, welche nicht eindeutig zugeordnet werden konnten. Daher wurde das 3D-

Modell mit den Submodellen zum Vergleich mit dem BAIA-Tool von ANSYS verifiziert. Über die

Schraubenverbindung kann gesagt werden, dass diese sehr wahrscheinlich halten wird. Der Sicher-

heitsfaktor der Schraubenspannung hat einen Wert von 1.19, der der Flächenpressung unter dem

Schraubenkopf beträgt 1.1 und die Sicherheit gegen Verrutschen der Platten beträgt minimal 0.96

am Lagerbock. Diese ist somit zu tief gewählt. In diesem Falle sollte eine Schraubenverbindung der


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Festigkeitsklasse 10.9 gewählt werden. Die Sicherheit der Verbindung des Gerüstes ist mit mindes-

tens Faktor 7 deutlich höher.

Als beste wenn auch aufwändigste Lösung kann das Modell mit den voll modellierten Schweissnäh-

ten gewertet werden, da dieser Ansatz einem idealen Modell am nächsten kommt. Die Auslastung

der horizontalen Nähte von Stelle 1 entspricht den Ergebnissen der Auswertung mit dem 3D-FKM-

Tool. Bei beiden Lösungen ergibt sich eine Auslastung der Schweissnähte im Bereich von 100 %. So-

mit wäre diese Schweissnaht zu knapp ausgelegt. Da allerdings davon ausgegangen werden kann,

dass beim realen Modell (welches gemäss Herr Brand im Einsatz ist und bisher hält) diese Schweiss-

nähte teilweise penetrieren oder sogar durchgeschweisst sind, dürfte eine gewisse Sicherheit gege-

ben sein. Aus Mangel an Information muss diese Vermutung aber so stehen gelassen werden. Die

Naht an Stelle 3 ist gemäss Submodell zu etwa 79 % ausgelastet. Das 3D-FKM-Tool erreicht lediglich

eine Auslastung von maximal 45 %. Hierbei dürfte das Resultat des Submodells als deutlich präziser

eingestuft werden, da diese Schweissnaht über viel zu kurze Extrapolationsflächen verfügt und somit

eine zuverlässige Analyse mittels des 3D-FKM-Tools verunmöglicht.

Vergleicht man die Schweissnahtauswertung mittels dem Schalenmodell und dem 2D-FKM-Tool mit

den voll ausmodellierten Nähten und dem 3D-FKM-Modell, so fällt auf dass im Bereich der Nähte

längs des Grundkörpers massiv höhere Auslastungsgrade auftreten. Bei Stelle 2 lässt sich eine eini-

germassen gute Übereinstimmung mit den voll modellierten Schweissnähten erkennen. Das 2D-FKM

errechnete für Stelle 2 eine Auslastung von 73.3 %, während im Falle der modellierten Nähte eine

Auslastung von etwa 60 % resultierte. Die Auswertung des 2D-FKM-Tools im Bereich des Lagerbocks

war zuerst noch schlechter, da die „Fixed-Joint“-Verbindungen offensichtlich einen Einfluss auf die

Ergebnisse hatten. Deswegen wurde extra für die Nahtauswertung der Kontakttyp zwischen Lager-

bock und Grundkörper auf „Bonded“ umgestellt und die Fixed Joints unterdrückt. Damit kamen die

Ergebnisse näher in den Bereich der Simulation mit dem 3D-FKM-Tool, es bleibt aber eine Restabwei-

chung (Abbildung 40). Diese kann einerseits mit der nicht korrekten Lastanbringung auf den Rand der

Schalen erklärt werden zum anderen wird das Ergebnis nicht wie beim 3D-Tool mit Verlauf angezeigt

sondern quasi „verschmiert“. Daher lässt sich nicht sagen, im welchem Bereich sich die Auslastung

effektiv bewegt. Das vorliegende Modell mit den Blechen, welche Ecke auf Ecke angeschweisst sind,

eignet sich nicht für eine Untersuchung mittels Schalen und dem 2D-FKM-Tool, da die Wirklichkeit zu

stark verzerrt wird.

9.2 Diskussion der Modelle Das Schalenmodell weist bei der Anbringung der Last einen Fehler auf. Dies weil die Lastanbringung

„Bearing Load“ nur bei Volumenmodellen funktioniert. Beim Schalenmodell musste die Kraft auf die

Bohrungskante angebracht werden. Dies hat den Nachteil, dass die Kraft auf dem gesamten Radius

der Bohrung angreift, was nicht der Realität entspricht.

9.3 Diskussion der Vorgehensweise im Fachbuch

Als kritisch betrachtet werden muss bei der Vorgehensweise im Buch, dass keinerlei Festigkeitsnach-

weise nach einer Norm wie der FKM-Norm vorgenommen wurden. Das Verifizieren der Konstruktio-


37

nen nach gültiger Norm sollte in der Entwicklung oberste Priorität haben. Eine alleinige Spannung s-

betrachtung nach Von-Mises reicht keinesfalls aus. Gerade in einem Lehrbuch sollte vor allem dieser

Punkt den Lesern klargemacht werden. Diesbezüglich stimmen auch die Aussagen zur Produktehaf-

tung auf Seite 179 nicht. Es ist gemäss Schweizer Rechtsordnung nicht möglich, die Haftung für ein

Produkt vertraglich auszuschliessen oder zu begrenzen. Sollte jemand durch ein Materialversagen

der Schweisskonstruktion verletzt werden oder gar zu Tode kommen, dann entscheidet ein Richter

basierend auf einer unabhängigen Expertenmeinung, welche sich auf die geltenden Normen stützt,

ob der Ingenieur alles Mögliche getan hat um einen Unfall zu vermeiden. Trifft dies nicht zu, wird die

Haftpflichtversicherung mit hoher Wahrscheinlichkeit Regress einlegen und den Schaden nicht über-

nehmen.

Des Weiteren stellt sich die Frage, warum die Lagereaktionen auf Seite 167 nicht stimmen. Die Sum-

me der Kräfte in X-Richtung beträgt gemäss Skizze:

Die X-Komponenten der angreifenden Kräfte heben sich gegenseitig auf. Gemäss den Lagerreaktio-

nen im Fachbuch bleiben 2000 N übrig. Es stellt sich somit die Frage ob die Skizze auch mit dem So-

lidWorks-Modell übereinstimmt.

10. Ausblick

Auch für die Modelle, mit welchen das Beispiel aus dem Buch nachgerechnet wurde, wurden einige

Vereinfachungen getroffen. Dies betrifft vor allem die Art der Lagerung. Da nicht wirklich bekannt ist,

wie dieses Modell gelagert ist (Räder, Schienen, etc.), wurde beidseitig ein fixiertes Lager definiert.

Dies entspricht natürlich nicht der Realität. Für weitere Untersuchungen müsste einerseits klar defi-

niert werden, wie die Konstruktion in Realität gelagert ist, da dies vermutlich einen grossen Einfluss

auf die Resultate hat. Des Weiteren ist über den Lastfall nichts Eindeutiges bekannt und da die Anla-

ge aus zwei gleichen miteinander verbundenen Schweisskonstruktionen besteht, müsste der Einfluss

aufeinander untersucht werden (diese sind über Querstreben verbunden). Allerdings sind für diese

weiterführenden Untersuchungen keine Geometriedaten vorhanden, demzufolge müssten sie beim

Autor angefragt werden.

Die Geometrie könnte dahingehend verändert werden, so dass die FKM-Tools besser zur Anwendung

kommen können. Dann könnten auch alle möglichen Schweissnähte ausgewertet werden, auf dies

wurde verzichtet da keine Zeit mehr dafür blieb.


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11. Quellen

1. FEM-Praxis mit SolidWorks, Springer Vieweg Verlag, Autor Michael Brand

2. Handbuch der Norm VDI 2230, Seite 109, Angaben zur Montagevorspannkraft von Schrauben

3. Handbuch der Norm VDI 2230, Seite 122, Angaben zur Flächenpresskraft und Streckgrenze

von Materialien

4. Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, FKM-Richtlinie 6. Auflage 2012

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