ANSYS Conference & 19. Schweizer CADFEM Users‘ Meeting 2014

ANSYS Conference & 19. Schweizer CADFEM Users‘ Meeting 2014 FKM-Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Schweissnähten einer Vakuumkammer

ACUM Zürich 2014 AGENDA • KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG • FKM RICHTLINIE ALLGEMEIN • FKM NACHWEIS WELLENSTUMMEL (EINFÜHRUNG) • FKM NACHWEIS VAKUUMKAMMER (SCHWEISSNÄHTE) • WEITERE PRAKTISCHE ANWENDUNGEN • ZUSAMMENFASSUNG

ACUM Zürich 2014 KURZVORSTELLUNG WeissQuadrat AG

ACUM Zürich 2014 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

ACUM Zürich 2014 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.

ACUM Zürich 2014 • 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».

Bauteil-Dauerfestigkeit für bestimmte Mittelspannung Statische Bauteilfestigkeit Sicherheits- faktoren Konstruktions- kennwerte Konstruktions- kennwerte Sicherheits- faktoren Werkstoff- festigkeits- kennwerte Werkstoff- festigkeits- kennwerte Statischer Nachweis Ermüdungsnachweis Bauteil-Betriebsfestigkeit Spannungs- kennwerte Spannungs- kennwerte Bauteil-Wechselfestigkeit ACUM Zürich 2014 FKM RICHTLINIE BERECHNUNGSABLAUF Statischer Festigkeitsnachweis Ermüdungsfestigkeitsnachweis Bauteil- Ermüdungs- festigkeit

ACUM Zürich 2014 BEISPIEL WELLENSTUMMEL Statischer und Ermüdungsfestigkeitsnachweis mit örtlichen Spannungen an einem Wellenstummel Berechnung der örtlichen Spannungen mit dem FEM Programm ANSYS.

ACUM Zürich 2014 • 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 VORGANGSWEISE STATISCHER FKM NACHWEIS

ACUM Zürich 2014 VORGANGSWEISE ERMÜDUNGSNACHWEIS FKM • 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

ACUM Zürich 2014 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)

ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER • Identifikation von 4 Nachweispunkten • Noch keine Schweissnähte modelliert

ACUM Zürich 2014 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»

ACUM Zürich 2014 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

ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER • Darstellung der Auslastungsgrade für den Kunden

ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER • Vergleich der unterschiedlichen Methoden zur Strukturspannungsermittlung • Gute Übereinstimmung der Extrapolationsmethoden und der ASME Innenlinearisierungsmethoden • Haibach und CAB liefern zu hohe Strukturspannungen

ACUM Zürich 2014 BEISPIEL VAKUUMKAMMER • Erstellung eines Berichts für den Kunden

ACUM Zürich 2014 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

ANSYS Conference & 19. Schweizer CADFEM Users‘ Meeting 2014