Einfacher und schneller Zugriff auf Erkenntnisse zu Festigkeit und Lebensdauer

von Michael Hack

Die Lebensdauerleistung bleibt stets eines der entscheidenden Konstruktionskriterien, eng verknüpft mit elementaren Produkt- und Markenwerten. In diesem Blogbeitrag erläutern wir, weshalb die Verknüpfung von Tests und Simulation der optimale Ansatz zur Produktoptimierung und -validierung in diesem Bereich ist. Und wir erläutern, wie Simcenter 3D Specialist Durability Konstrukteurteams durch einen gezielten schrittweisen Postprocessing-Ansatz hilft, aus ihren Simulationen maximale Erkenntnisse über die Lebensdauer zu gewinnen.

Kostspielige Lebensdauerprüfungen

Eine Lebensdauerprüfungskampagne erfordert teure Hardware und ist sehr arbeitsintensiv. Außerdem erfolgt sie meist unter Zeitdruck oder wenn jede weitere Minute hohe Kosten verursacht. Nähern sich Unternehmen der Produktfreigabe, kann ein mangelhaft konzipierter Test gravierende Auswirkungen auf die Markteinführung haben. Auch wenn während der Produktion Muster auf ihre Lebensdauerleistung geprüft werden müssen, ist ein effizientes Vorgehen unerlässlich.

Erkenntnisse über die Lebensdauer für komplexe Strukturen

Dies gilt insbesondere für komplexe Strukturen wie Autos, die während ihrer Nutzungsdauer einer Vielzahl unterschiedlichster Belastungen (Betriebszyklen) ausgesetzt sind. Einfach planlos all diese Szenarien komplett durchzutesten wäre aufwendig, kostspielig und zeitraubend. Und der Großteil der Arbeit wäre ohnehin vergebens. Die Analyse der Systemkräfte lässt keine Rückschlüsse auf deren Einfluss auf einzelne Bauteile zu.

Aus diesem Grund sind frühzeitige Einblicke in die Lebensdauer entscheidend. Mit Simulationen können Sie Szenarien erstellen, um lokale Analysen durchzuführen und standortspezifisch relevante Lastfälle zu ermitteln. Dann lässt sich erkennen, welche Lasten genau Probleme bereiten und weshalb. Durch solche Simulationen können Sie Testteams so anleiten, dass sie mit gezielteren Szenarien deutlich effizienter testen. Oder Sie können die Ergebnisse der Lebensdauersimulation direkt nutzen, um Ihre Konstruktion durch strukturelle Anpassungen zu optimieren.

Einzigartige Kombination aus Lebensdauerprüfung und Simulations-Know-how

Bei Siemens wissen wir am besten, wie man durch die Verknüpfung von Tests und Simulation Synergien schafft. Mit Simcenter bieten wir die einzige Plattform, die beide Bereiche nahtlos verbindet. Wir sind mit den Herausforderungen für Testteams vertraut und können entsprechend handeln.

Unsere CAE-Lösung Simcenter 3D Specialist Durability bietet Konstrukteuren Zugang zu modernsten Methoden zur Berechnung der Materialermüdung, mit denen sie schnell und präzise Lebensdauervorhersagen unter Berücksichtigung realistischer Lastbedingungen durchführen können. Zudem bietet die Software Postprocessing-Funktionen, die durch einen klaren Workflow unmittelbare Antworten auf die wichtigsten Fragen liefern. Dazu gehören insbesondere folgende Fragen: Wann tritt der Schaden ein? Bei welchem Ereignis? Wo findet dann der Schaden statt? Und warum?

Schrittweise Lebensdaueranalyse durch gezieltes Postprocessing

Das Erste nach einer Simulation ist selbstverständlich, die Plausibilität der Ergebnisse zu überprüfen. Nach Einrichtung und Durchführung der Lebensdauersimulation haben Konstrukteure in der Ergebnistabelle einen umfassenden Überblick über alle möglichen Resultate. Etwaige offensichtliche Fehler im Setup, etwa die Nutzung eines falschen Maßsystems, werden hier angezeigt.

Sobald klar ist, dass die Analyse in Ordnung war, kann mit der weiteren Nachbearbeitung begonnen werden. Typischerweise erhalten Sie die besten Erkenntnisse zur Lebensdauer, indem Sie den Schritten in Abbildung 1 folgen. Simcenter 3D Durability Specialist bietet für jeden Arbeitsschritt spezialisierte Tools.

Lebensdauer in 3 Schritten verstehen — Abbildung 1: Typisches Postprocessing der Lebensdauer in 3 Stufen

Analysieren Sie zunächst die Ereignisse

Sehr oft besteht eine Lebensdaueranalyse aus einer Vielzahl möglicher Lastereignisse – einem Betriebszyklus. Eine Herausforderung besteht darin, präzise jene Ereignisse zu identifizieren, die wirklich zu Ermüdung führen. Besonders manuelles Durchklicken ist nahezu unmöglich. Daher bietet Simcenter 3D Durability Specialist gezielte Werkzeuge zur Analyse des Beitrags einzelner Ereignisse. Dies kann an kritischen Stellen, einer vom Anwender festgelegten Position oder für einzelne bzw. gruppierte Komponenten erfolgen. Dieser Beitrag lässt sich für sämtliche Aspekte der Lebensdauer auswerten, wie Schäden, Langlebigkeit, Spannungsamplituden, Sicherheitsfaktoren und weitere.

Einblicke in die Lebensdauer mit Contribution Plot — Abbildung 2: Beitragsdiagramm, das zeigt, welche Lasten zu hohen Spannungen und Schäden führen

Auf diese Weise bietet Simcenter 3D Specialist Durability Ingenieuren einen sehr schnellen Einblick in die Ereignisse, die wo Schaden verursachen, was ein notwendiger Ausgangspunkt für eine effiziente weitere Analyse ist.

Zweitens, analysieren Sie die Komponente

Der nächste Schritt ist, diese Informationen zur Nachbearbeitung beliebiger Ergebnistypen auf Ereignisebene zu nutzen. Dies umfasst ein breites Spektrum an Nachbearbeitungsschritten: von der Übersicht über Spannungen, Dehnungen und Temperaturen sowie Festigkeitsanalysen wie statisches Versagen bis hin zu detaillierten Lebensdauer- und Schadensuntersuchungen. All diese Funktionen sind im Postprocessor Simcenter 3D Durability Specialist zu finden. Sie unterstützen Konstrukteure dabei, kritische Bereiche schneller zu erkennen.

Einblick in die Lebensdauer ermüdungsbeanspruchter Bauteile — Abbildung 3: Lebensdaueranalyse eines einzelnen Bauteils für ein ausgewähltes Ereignis

Drittens: Gewinnen Sie Einblicke in die lokale Lebensdauer

Und schließlich ist es wichtig, den Mechanismus hinter dem Versagen zu verstehen. Warum kommt es zu Schäden? Zum besseren Verständnis kann der Ingenieur die kritischen Bereiche genauer analysieren. Ein gutes Beispiel sind Turbomaschinen, bei denen Konstrukteure frühzeitig erkennen müssen, ob hohe Belastungen und Temperaturen gleichzeitig auftreten. Dafür betrachten sie sogenannte Peanut Plots, die die Beziehungen zwischen Parametern darstellen und tiefe Einblicke in das lokale Verhalten ermöglichen. Mit Simcenter 3D Specialist Durability können Ingenieure ein solches Diagramm für jede Position (Knoten, Element, Richtung) erstellen. Es kann Datentypen wie elastische/plastische Spannung/Dehnung, Temperatur und Beschädigung enthalten.

Abbildung 4: Parametrischer Peanut Plot und die entsprechenden Zeitverlaufsdiagramme von Spannung und Temperatur. Auf dem Diagramm auf der linken Seite ist sofort zu erkennen, dass die maximale Belastung und die maximale Temperatur nicht gleichzeitig auftreten

Im Folgenden finden Sie einige weitere Beispiele für interessante Diagramme in Simcenter 3D Specialist Durability, die sich sehr gut eignen, um schnelle Erkenntnisse über die Lebensdauer zu gewinnen.

Einblicke in inkrementelle Schäden — Abbildung 5: Inkrementelle Beschädigung der Komponente

Erkenntnisse über Restbelastungen — Abbildung 6: Spannungs-Dehnungs-Hysteresekurve

Fazit

Die Simulationslösung Simcenter3D Specialist Durability bietet Konstrukteuren sämtliche erforderlichen Postprocessing-Tools für fundierte Lebensdauerberechnungen. Durch ein strukturiertes Vorgehen erhalten sie rasch Antworten auf zentrale Fragen wie:

Bei welchem Ereignis würden eventuelle Belastbarkeits- oder Lebensdauerprobleme auftreten?
Wo würde es passieren?
Was ist der Mechanismus, der hinter dem Versagen steckt?

So können Ingenieurteams eine Menge Zeit und Geld sparen:

Um Testzeit zu sparen, wird diese nicht für Komponenten aufgewendet, die nicht „prüfwürdig“ sind
Bessere Definition effizienter Testszenarien
Bereitstellung der notwendigen Erkenntnisse zur Verbesserung der Struktur für eine bessere Lebensdauerleistung

All diese Postprocessing-Funktionen sind in Simcenter 3D 2022.1 verfügbar, um Ingenieure bei der Entwicklung langlebiger Produkte zu unterstützen.