Betriebsfestigkeit mit Wöhlerlinie

Die Gestaltoptimierung wird zunehmend zur methodischen Verbesserung vorliegender Designentwürfe eingesetzt, wodurch umfangreiche Variantenkonstruktionen und zeitaufwändige Try-and-Error Modifikationen größtenteils vermieden werden können. Viele der heutzutage kommerziell verfügbaren Programmpakete zur Strukturoptimierung, wie etwa Tosca, arbeiten mit parameterfreien Algorithmen. Diese Werkzeuge erlauben die rasche und einfache Definition der Optimierung, da Modellparametrisierung bzw. die explizite Definition von Designvariablen nicht nötig sind. Bei der parameterfreien Gestaltoptimierung wird der Optimierungsbereich über eine Gruppe von Oberflächenknoten des Finite FE-Modells definiert. Die selektierten Knoten stellen interne Designvariablen dar und werden während der Optimierung normal zur Oberfläche verschoben, wobei eine Nachführung und Glättung des inneren FE-Netzes eine korrekte FE-Analyse sicherstellt. In Verbindung mit Optimierungsalgorithmen auf Basis von Optimalitätskriterien wird eine hervorragende Performance erreicht.

In den meisten Fällen wird mit 5 bis 10 Iterationen eine enorme Verbesserung erzielt. Es können hierbei jedoch nur Zielfunktionen verwendet werden, für die Optimalitätskriterien existieren. Diese beinhalten verschiedene Vergleichsspannungen, Steifigkeiten und Eigenfrequenzen, wodurch die meisten Anwendungsfälle lösbar sind. Im allgemeinen Fall ergibt sich eine Freiformfläche. Eine Fülle von Koppelbedingungen zwischen den Designknoten ist verfügbar, sodass verschiedenste Anforderungen an die Zielkontur (z.B. ebene Fläche, Beibehalten von Radien) definiert werden können. Die ermittelte Oberfläche wird über das modifizierte Oberflächennetz beschrieben, welches über geeignete Exportformate ins CAD-System transferiert und dort durch eine lokale Nachkonstruktion in ein CAD-Modell umgewandelt werden kann. Durch den geringen Aufwand zur Vorbereitung der Optimierungsaufgabe und den geringen Rechenaufwand können dem Konstrukteur die Ergebnisse in vernünftig kurzer Zeit zur Verfügung gestellt werden.

Programme zur Betriebsfestigkeitsanalyse wie beispielsweise Femfat ermöglichen die Bewertung der Bauteilbeanspruchung hinsichtlich Lebensdauer. Dabei können Beanspruchungen im Zeit-, Dauerfestigkeits- und Überlastbereich bewertet werden. Zur Berechnung der Schädigungs- bzw. Sicherheitswerte werden dabei Spannungsergebnisse aus einer FE-Berechnung lokal modifizierten Festigkeitskennwerten bzw. Bauteilwöhlerlinien gegenübergestellt. Unter der Vielzahl von Einflüssen auf diese lokalen Festigkeitswerte führt vor allem die Berücksichtigung lokaler Kerbeffekte sowie die Spannungsumlagerung durch Plastifizieren zu einer deutlichen Verbesserung der Aussagequalität bezüglich Beanspruchung des Bauteiles bzw. Ausnutzung des Materials. Weiter kann eine Vielzahl von Werkstoff- (Festigkeitskennwerte), Fertigungs- (z. B. Oberflächenbehandlung) und Umgebungsparametern (z. B. Temperatur) berücksichtigt werden. Die Bewertung mehrachsiger, unkorrelierter Belastungen wird erst durch die Unterstützung durch Computerprogramme möglich. Spannungsverteilungen einzelner Lastfälle werden dabei mit den zugehörigen Last-Zeit-Reihen kombiniert und zu lokalen Beanspruchungsverläufen überlagert. Zu allen relevanten Abtastzeitpunkten werden die resultierenden momentanen Spannungszustände ermittelt, klassiert und bewertet. Für jeden Lastzyklus werden programmintern Spannungsamplitude und Mittelspannungsniveau bestimmt und entsprechend berücksichtigt.

Kleine, jedoch gezielte Modifikationen der Bauteilgeometrie können die Lebensdauer von Bauteilen wesentlich erhöhen. Die Reduktion komplexer Belastungen auf einfache Ersatzlastfälle, die notwendig ist, um eine klassische Optimierung bezüglich Spannungen durchführen zu können, stellt eine sehr anspruchsvolle Aufgabe dar, die im Allgemeinen zeitaufwändig ist und eine große Fehlerquelle darstellt. Die Integration der Betriebsfestigkeitsberechnung in den Strukturoptimierungsprozess führt zu einer adäquaten Berücksichtigung der Beanspruchung. Die Verwendung von Ersatzlasten erübrigt sich.

Das dargestellte Beispiel zeigt eindrucksvoll typisch zu erzielende Effekte. Der mehrachsigen Belastung durch die drei dynamischen Radkraftkomponenten wird die Schraubenvorspannung als Konstantbelastung überlagert. Das Analyseergebnis der Originalgeometrie zeigt deutlich die kritische Beanspruchung in der Problemzone. Durch die Strukturoptimierung mit Tosca als Optimierer, Nastran als FE-Solver und Femfat als Betriebsfestigkeitssoftware ergibt sich eine deutliche Senkung der lokalen Beanspruchung. Die Lebensdauer steigt an dieser Stelle um Faktor 20.

Strukturoptimierung Tosca KEM 463

Nastran-FE-Solver KEM 464

Femfat-Betriebsfestigkeits- software KEM 465