© Ingenieurbüro Huß & Feickert, 2017 1

Dipl.-Ing. (FH) Tim Kirchhoff, Dipl.-Ing. (FH) Filip Bös, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Feickert

Festigkeitsnachweis in ANSYS mit der „FKM-

Richtlinie nichtlinear“

Ingenieurbüro Huß & Feickert, Liederbach, Deutschland

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Einleitung

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σ

ε

E

σ

ε

statisch

σ

ε

zyklisch

• Aktuelle Festigkeitsnachweise

überwiegend auf Basis linearen

Werkstoffverhaltens definiert

• Statischer FKM-Nachweis (linear)

• Plastische Dehnungen abgeschätzt aus

linear-elastischen Spannungen

• Zyklischer FKM-Nachweis (linear)

• Nur hochzyklische Ermüdung, Praktisch

keine plastischen Dehnungen zulässig

• In der realen Anwendung werden

Bauteile oft lokal plastisch verformt

• Für die Bewertung fehlt eine geregelte

Vorgehensweise

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• Forschungsprojekt zur Entwicklung

einer „FKM-Richtlinie Nichtlinear“

• TU Darmstadt IFSW

• TU Clausthal IMAB

• Fraunhofer IWM

• „FKM-Richtlinie Nichtlinear“ aktuell

in der Entwurfsphase

• Rechenschritte des Nachweises sind

zum Teil sehr aufwändig

• Entwicklung eines Programmes zur

Nachweisberechnung durch IHF

parallel zur Finalisierung der Richtlinie

Einleitung

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• Zyklischer Festigkeitsnachweis „FKM-Nichtlinear“

• Überblick

• Umsetzung als ANSYS-Erweiterung

• Statischer Festigkeitsnachweis „FKM-Nichtlinear“

• Überblick

• Umsetzung als ANSYS-Erweiterung

• Fazit

Agenda

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in der „FKM-Richtlinie Nichtlinear“

Zyklischer Festigkeitsnachweis

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

• Nachweis basiert auf dem „örtlichen Konzept“ (Kerbdehnungskonzept)

• Belastung durch Zeitreihe (Last-Zeit-Verlauf) definiert

• Elastisch-plastisches Materialverhalten wird berücksichtigt

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σ

ε

σ, ε

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

• Örtlicher nichtlinearer Spannungs-Dehnungspfad (Hysteresen) wird über

gesamte Lastfolge betrachtet

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Spannung Spannung

Lokale DehnungZeit

[1]

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

• Berechnung der gesamten Lastfolge mit elastisch-plastischem Materialgesetz

im Allgemeinen zu aufwändig

• Abschätzung der Dehnungen auf Basis einer linear-elastischen FEM-Simulation und

Materialgesetz nach Ramberg-Osgood

• Abschätzung der Parameter nach FKM-Methode über Zugfestigkeit Rm und

Materialgruppe

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[1]

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

• Umrechnung von linearelastischen Spannungen in elastisch-plastische

Spannungen und Dehnungen mit Ansatz nach Neuber

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Dehnung

SpannungElastizitätsth.

Gerade

𝜎𝑒

𝜀𝑒

Ramberg-OsgoodNeuber

𝜎

𝜀 [1]

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

• Schwingspiele der Lastfolge werden gezählt (HCM-Algorithmus) und deren

Schädigung mithilfe eines Schädigungsparameters berechnet

• Nachweis im hochzyklischen (HCF) als auch niederzyklischen Bereich (LCF)

• Ermittlung der Anriss-Lebensdauer durch Schadensakkumulation

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Schädigungsparameter

[1]

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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FE-Rechnung mit linearelastischen

Materialeigenschaften

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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Ergebnis: Anriss-Lebensdauer

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Zyklischer Festigkeitsnachweis

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in der „FKM-Richtlinie Nichtlinear“

Statischer Festigkeitsnachweis

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Statischer Festigkeitsnachweis

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• Nachweis basiert auf nichtlinear

ermittelten plastischen

Vergleichsdehnungen

• Berechnung der plastischen

Vergleichsdehnung im FE-Modell mit

wahren Spannungs-Dehnungskurven

• Nachweis ist erbracht, wenn die

plastische Vergleichsdehnung

unterhalb der ertragbaren Dehnung

liegt

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Statischer Festigkeitsnachweis

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0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

pla

stis

che

Ver

glei

chsd

ehn

un

g

Mehrachsigkeitsgrad h

Statischer Nachweis

Versagensgrenzkurve

Versagensgrenzkurve

Ermittelt anhand von:• Brucheinschnürung (Z)• Bruchdehnung (A5)• Gleichmaßdehnung (Ag)

Versagen

Sicher

Ertragbare Dehnung als Funktion der Spannungsmehrachsigkeit

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0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

pla

stis

che

Ver

glei

chsd

ehn

un

g

Mehrachsigkeitsgrad h

Statischer Nachweis

Lastpfad

Versagensgrenzkurve

Statischer Festigkeitsnachweis

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Lastpfad

Ertragbare Dehnung als Funktion der Spannungsmehrachsigkeit

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Statischer Festigkeitsnachweis

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Vergleich mit klassischer FKM Richtlinie (anhand Entwurf):

[2]

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Statischer Festigkeitsnachweis

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FE-Rechnung mit nichtlinearen

Materialeigenschaften

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Statischer Festigkeitsnachweis

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Statischer Festigkeitsnachweis

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Statischer Festigkeitsnachweis

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© Ingenieurbüro Huß & Feickert, 2017

Statischer Festigkeitsnachweis

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Ergebnis: bestanden / nicht bestanden

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Statischer Festigkeitsnachweis

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Fazit

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• Veröffentlichung der „FKM Richtlinie Nichtlinear“ voraussichtlich 2018

• Zyklischer Nachweis

• Basis: Rein elastische FEM-Simulation und Last-Zeit-Verlauf

• Spannungs-Dehnungs-Hysteresen über Ansatz nach Ramberg-Osgood und Neuber

• Berechnung der Anriss-Lebensdauer im niederzyklischen (LCF) und hochzyklischen

(HCF) Bereich möglich

• Berücksichtigung von Reihenfolgeeffekten je nach Schadensparameter möglich

• Statischer Nachweis

• Basis: Elastisch-plastische FEM-Simulation

• Bewertung der plastischen Vergleichsdehnung über Versagensgrenzkurve

• Erschließt Reserven gegenüber klassischem FKM-Nachweis

Fazit

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• Programm zur Nachweisberechnung wird parallel bei IHF entwickelt und soll

voraussichtlich Q2 2018 veröffentlicht werden

• Integration in ANSYS für einen vollflächigen Nachweis auf Basis einer FEM-

Simulation

• Visuelle Auswertung in ANSYS und schriftliche Reports für definierte Knoten

Fazit

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Weitere Fragen?

Danke für ihre Aufmerksamkeit

Dipl.-Ing (FH) Tim Kirchhoff

Ingenieurbüro Huß & Feickert

Telefon: +49 (0)61 96 / 6 70 71 0

E-Mail: info@ihf-ffm.de

Internet: www.ihf-ffm.de

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Einige der Bilder der Präsentation wurde übernommen aus:

[1] Vortrag „Die FKM-Richtlinie nichtlinear“, DVM-Tagung Berlin am 12.10.2017

M. Fiedler, Technische Universität Darmstadt, IFSW

[2] Vortrag „Statischer Nachweis nach der FKM-Richtlinie Nichtlinear“

I. Varfolomeev, Fraunhofer IWM, Freiburg