Lebensdauer & Betriebsfestigkeit

Verschleißbeständigkeit, hohe Dauerfestigkeit und lange Lebensdauer bedeuten weniger Gewährleistungsfälle, größtmögliche Sicherheit und niedrige Kosten

Überblick Fatigue

Lebensdauer und Betriebsfestigkeit sind Eigenschaften mit zentraler Bedeutung. Nur wenn man weiß, wie und wann eine Struktur versagt, kann Design und Sicherheit nachhaltig verbessert werden. Die Vorhersage von Versagen und Materialermüdung zählt aber zu den schwierigsten Aufgaben in der Produktentwicklung. Es gibt physische Tests, mit denen alle vorstellbaren Fehlerszenarien untersucht werden können. Die Kosten dafür sind allerdings oft unerschwinglich. Lebensdauer und Betriebsfestigkeit mit Hilfe von FE-Modellen zu analysieren, gewinnt daher eine immer größere Bedeutung.

Bei der Analyse geht es nicht mehr nur um die Berechnung der Lebensdauer. Inzwischen können auch sichere Betriebsbelastungen errechnet oder Kurven zu Gewährleistungsfällen dargestellt werden. Darüber hinaus gehören die Auswirkungen hoher Temperaturen, Fertigungsprozesse und Spannungen im montierten Zustand zu den untersuchten Aspekten.

MSC Software verfügt in seinem Portfolio über FE-basierte Lösungen für Material- und Festigkeitsprobleme. Diese ermöglichen präzise Vorhersagen der Lebensdauer und Ermüdung unter jeder erdenklichen Kombination aus zeit- oder frequenzabhängigen Belastungsbedingungen.

MSC Software wird für viele Arten der Lebensdauerberechnung eingesetzt:

Spannungsbasierte Langzeitermüdung (S-N)
Dehnungsbasierte Kurzzeitermüdung (E-N)
Neuber-Methode und weitere Korrekturverfahren für die Umformbarkeit
Rissbildung und Wachstum nach Paris
Erkennung von Spitzenlastpunkten
Deformations- und Schadensanalyse
Virtueller Dehnungsmessstreifen für das Verhältnis zwischen Test und Analyse
Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner
Ermüdungsbeständigkeit rotierender Systeme
Schwingungsermüdung durch Zufallsbelastung
Punkt- und Nahtschweißanalyse
Klassischer Ansatz der Ermüdungsbeständigkeitsanalyse durch Schweißstellenklassifizierung
Vorhersage von Werkstoffversagen
Nichtproportionale, mehrachsige Spannungszustände
Vielfache gleichzeitige Belastung und mehrere Ereignisse zulässig
Sicherheitsfaktoranalyse

Die verschiedensten Komponenten in vielen Industrien können untersucht werden:

Luft- und Raumfahrt: Flügel, Plattenfelder, Triebwerksschaufeln, Räder, Nietverbindungen, Schweißverbindungen, Stellglieder, Getriebekomponenten, Ventile, Fahrwerk, Gondeln
Automobilbau: Getriebe, Schweißverbindungen, Chassis, Aufhängevorrichtungen, Nietverbindungen, Bolzen, Räder, Kurbelwellen, Spurstangen, Kolben, Vollkarosserien
Medizintechnik: Stents, Prothesen, Zahnimplantate, Hüftimplantate, Knieimplantate
Energie: Rohre, Druckbehälter, Bohrausrüstung, Regel- & Sicherheitsventile, Schweißverbindungen, Lüfter, Turbinen, Windkraftanlagen, Offshore-Plattformen, Zahnräder
Elektronik: Lötmittel, Anschlussdrähte, Leiterplatten, Stellglieder, Schaltschränke, Schaltgehäuse
Konsumgüter: Dichtungen, Lüfter, Steckverbindungen, Kabel, Ventile, Fahrradpedale, Trainingsgeräte
Maschinenbau: Zahnräder, Riemen, Ventile, Dichtungen, Rohre, Schläuche

Nastran Embedded Fatigue (NEF)

Die traditionelle Vorgehensweise zur Berechnung von Lebensdauer und Ermüdung ist oft sehr mühsam und zeitaufwändig. Nastran Embedded Fatigue (NEF) hat daher einen anderen Ansatz: die Lebensdaueranalyse wird nicht als Aufgabe im Rahmen des Postprozessing angesehen, sondern im Zuge des Rechenprozesses vorgenommen.

Mit NEF müssen weit weniger Dateien verwaltet werden, was wiederum mit einer entsprechenden Verringerung der Bearbeitungszeit einhergeht – vor allem bei großen Modellen. Es sind keine großen Dateien als Zwischenergebnisse für die Spannungsdaten mehr notwendig. Demnach müssen diese Spannungsdaten auch nicht mehr übertragen werden, wodurch die Anforderungen an den Pre- und Postprozessor sowie an die entsprechende Verarbeitungsleistung für die Daten geringer ausfallen. Somit ist der Weg frei für Lebensdauerberechnungen auch bei großen Modellen.

Neben der vereinfachten Datenverwaltung ist NEF unabhängig von der verwendeten Plattform, GUI neutral und reduziert die CPU-Anforderungen.

FE-basierte Lebensdaueranalyse über eine grafische Benutzeroberfläche

MSC Fatigue ist das branchenweit fortschrittlichste Produkt für die Analyse von Lebensdauer und Ermüdung.

Mit diesem Programm können Anwender umfangreiche Analysen zur Ermüdungsbeständigkeit durchführen. Sie können alle relevanten kritischen Stellen ermitteln und die Lebensdauer von Produkten bei jeder beliebigen Kombination von zeit- oder frequenzabhängigen Belastungsbedingungen schnell und genau vorhersagen. Dank der Softwareumgebung lassen sich CAE- sowie die Dynamik- und Lebensdaueranalyse auf einer einzigen Oberfläche verwalten. Das Programm enthält nicht nur erweiterte Module, die von MSC Software über einen Zeitraum von 20 Jahren entwickelt wurden, sondern auch aktuellere Module, die im Rahmen der Entwicklung des Programmpakets nCode DesignLife entstanden sind.

MSC Fatigue ist vollständig in Patran integriert. Daher kann von dort aus auf die enorm leistungsstarken Pre- und Postprozessing-Funktionen dieser Modellierumgebung zugegriffen werden.

Analysefunktion für die nichtlineare Rissausbreitung

Im FE-Solver Marc ist eine umfangreiche Liste von Fehlermodellen enthalten, die für verschiedene Werkstoffklassen geeignet sind. Dazu gehören beispielsweise zähe und spröde Stoffe, Verbundwerkstoffe, Elastomere oder Beton. Mit der soliden Funktion zur Rissausbreitung können Ingenieure die Fehlermechanismen besser erfassen und geeignete Methoden anwenden, um einem folgenschweren Versagen vorzubeugen.

Auch mit MSC Nastran können Funktionen für die Rissausbreitung berechnet werden, allerdings nicht so detailliert wie mit Marc. Beide Ergebnisse können jedoch für die Risswachstumsberechnung in MSC Fatigue herangezogen werden.

Virtuelle Lasten und Mehrkörperdynamik

Mit Adams/Durability, einem Modul aus dem Adams-Softwarepaket, gelingt der Schritt aus der realen Welt der Materialermüdungstests hin zu einem virtuellen Prüfstand. Adams/Durability kann Betriebszyklen für die Ermüdung simulieren, Protokolle zur Komponentenbelastung erstellen oder aber einen Prüfstand mit Hilfe von Ausgabedaten im Format RPC II oder DAC betreiben. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Spannungen grafisch darzustellen, Spitzenlastpunkte in flexiblen oder starren Komponenten zu ermitteln oder die Komponentengestaltung durch Verknüpfung mit Programmen für die Prognose der Lebensdauer zu verbessern.

Somit ist Adams ein wertvolles Werkzeug, um Protokolle zur FE-Belastungsdauer zu erstellen. Sowohl MSC Fatigue als auch Nastran Embedded Fatigue greifen auf diese Protokolle zurück. Zu diesem Zweck sind beide Produkte mit einem Link versehen, über den sich Adams integrieren lässt.

Realistische Werkstoffdaten

Realistische Werkstoffdaten sind eine wesentliche Grundvoraussetzung für die Berechnung der Lebensdauer. Nicht geeignete und ungenaue Materialeigenschaften oder mangelhafte Lastspezifikationen führen bei Simulationen oft zu unrealistischen Analyseergebnissen, mit denen die Lebensdauer nicht vorhergesagt werden kann. Mit den richtigen Prüfverfahren lassen sich Werkstoffeigenschaften jedoch genau charakterisieren. MSC Software hat sich mit dem Unternehmen HBM nCode UK Ltd. zusammengeschlossen, um gemeinsam einen umfassenden, schnellen und konkurrenzfähigen Service für die Bereitstellung solcher Daten anbieten zu können. Mit diesem Service können Ingenieure genauere Vorhersagen zur Betriebsfestigkeit ihrer Produkte abgeben, da ihnen realistische Werkstoffdaten zur Verfügung stehen.

Ein anderes Werkzeug für die effektive Berechnung von Materialdaten ist die Software Digimat des MSC Tochterunternehmens e-Xstream. In Verbindung mit den Simulationswerkzeugen von MSC ermöglicht Digimat die Simulation einer Vielzahl von Materialien und Werkstoffen. Im Fokus stehen dabei die genaue Bestimmung von Versagen und Materialbruch, mikromechanische Materialberechnungen sowie nichtlineare, multiskalaren Strukturmodellierung.

Schulungsangebote & Ingenieurdienstleistungen

MSC Software bietet speziell auf die Berechnung von Lebensdauer & Betriebsfestigkeit zugeschnittene Schulungen und Ingenieurdienstleistungen. Die Schulungen werden entweder mit dem Schwerpunkt Software (PAT319) oder Technologie (NAS319) angeboten. Ein exakt auf die Anwenderbedürfnisse zugeschnittener Ausbildungsplan garantiert, dass das Kursangebot jedem Anwender gleichermaßen gerecht wird. Alle Schulungen orientieren sich am individuellen Know-How der Kursteilnehmer und stellen so einen optimalen Schulungserfolg sicher.