Post on 01-Jan-2016
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WeissQuadrat AGSimulation / Konstruktion / 3D Druck
Schaanerstrasse 25
FL-9487 Bendern
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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