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© 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

© Ingenieurbüro Huß & Feickert, 2017

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


• 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

3


• 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



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

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

• Elastisch-plastisches Materialverhalten wird berücksichtigt

6

σ

ε

σ, ε



• Örtlicher nichtlinearer Spannungs-Dehnungspfad (Hysteresen) wird über

gesamte Lastfolge betrachtet

7

Spannung Spannung

Lokale DehnungZeit

[1]



• 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

8

[1]



• Umrechnung von linearelastischen Spannungen in elastisch-plastische

Spannungen und Dehnungen mit Ansatz nach Neuber

9

Dehnung

SpannungElastizitätsth.

Gerade

𝜎𝑒

𝜀𝑒

Ramberg-OsgoodNeuber

𝜎

𝜀 [1]



• 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

10

Schädigungsparameter

[1]



11

FE-Rechnung mit linearelastischen

Materialeigenschaften



12



13



14



15



16



17

Ergebnis: Anriss-Lebensdauer



18


in der „FKM-Richtlinie Nichtlinear“

Statischer Festigkeitsnachweis



20

• 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



21

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


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


22

Lastpfad

Ertragbare Dehnung als Funktion der Spannungsmehrachsigkeit



23

Vergleich mit klassischer FKM Richtlinie (anhand Entwurf):

[2]



24

FE-Rechnung mit nichtlinearen

Materialeigenschaften



25



26



27



28

Ergebnis: bestanden / nicht bestanden



29


Fazit


• 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

31


• 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: [email protected]

Internet: www.ihf-ffm.de

mailto:[email protected]

http://www.ihf-ffm.de/


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

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