Die präzise Vorhersage von Belastbarkeit und Lebensdauer ist essenziell, besonders bei der Entwicklung von E-Fahrzeugen, deren schwere Akkus die Massenverteilung und Lastverteilung stark beeinflussen.

Begleiten wir Alessandra, die ihr Ingenieurstudium abgeschlossen und bei einem angesagten Startup für Elektrofahrzeuge angeheuert hat. Als Konstrukteur wie Alessandra streben Sie nach robusten Komponenten mit langer Lebensdauer, müssen jedoch dieses Ziel mit Material-, Kosten- und Gewichtsaspekten in Einklang bringen.

Beim Ausgleichsprozess bearbeiten Sie vermutlich große Datenmengen aus diversen Quellen, doch wie fügen Sie all diese Informationen sinnvoll zusammen? Trotz umfangreicher Informationen ist eventuell unklar, welche Methode zur Berechnung der Materialermüdung für Ihren Fall optimal ist.

An der Uni hatte Alessandra zwar mit Finite-Elemente-Tools gearbeitet, aber Lebensdauer nicht behandelt – das verband sie eher mit praktischen Tests und Hands-on-Erfahrung. Sie blieb mit einer großen Frage zurück: „Wo in aller Welt kann ich mich darüber informieren?“ Sie könnten sich in derselben Lage wiederfinden.

Auf der Siemens-Website fand sie eine Webinar-Reihe, die sich mit der Festigkeit und Lebensdauer in Automobilanwendungen befasst . Doch welche Webinar-Reihe sollte sie sich ansehen? Sehen wir uns einmal an, welches Wissen notwendig ist:

Erhalten Sie wirklich Einblick in Ihre Struktur?

Die Testergebnisse sind meist Spannungswerte, die als farbige Bilder nach Eingabe von Last-, Geometrie- und Werkstoffdaten dargestellt werden. Doch was bedeutet das für die Belastbarkeit? Und wenn Sie auch Ermüdungsmethoden einbeziehen, berücksichtigt das Endergebnis dann alle auf die Struktur wirkenden Einflüsse?

Es gibt einen erheblichen Unterschied in der Wirkung von Lasten und Ereignissen auf die Gesamtstruktur im Vergleich zu einzelnen Bauteilen. Trotz umfassender Analyse müssen Sie eventuell noch ermitteln, welche Ereignisse und Belastungen Schäden verursachen.

Stecken Sie in einem komplexen Verfahren fest?

Die Wahrheit ist: Diese Analyseform kann komplex, zeitraubend und dennoch ungenau sein.

Konstrukteure sehen sich bei der Belastbarkeits- und Lebensdaueranalyse typischerweise mit drei Hauptherausforderungen konfrontiert: Lastermittlung, Verständnis spezifischer Spannungen und Dehnungen sowie Berücksichtigung von Materialeigenschaften. Betrachten wir diese im Einzelnen:

Herausforderung Nr. 1: Kenntnis der auf Ihre Konstruktion wirkenden Lasten

Mehrere Kräfte wirken auf ein Fahrzeug ein. Jedes Rad wird separat durch die Fahrbahn angeregt, wodurch an jedem Punkt der Konstruktion eine mehrachsige Belastung entsteht. Zudem spielen weitere externe Faktoren wie Temperatur und Oxidation eine wichtige Rolle und müssen beachtet werden. Um eine Analyse durchzuführen, müssen Sie die Belastungen kennen, doch wie ermitteln Sie diese? Sind Sie in der Lage, sie zu messen?

Es ist relativ einfach, gemessene Lasten einzugeben, entscheidend ist jedoch die Analyse ihrer Wirkung auf Ihre Konstruktion.

Herausforderung Nr. 2: Erfassung der spezifischen Belastungen und Beanspruchungen einer Struktur

Zum Verständnis von Ermüdung sind Kenntnisse über Belastungen und Verformungen der Struktur nötig. Wie gelangen Sie von den gemessenen oder simulierten Straßenlasten und der Teilgeometrie zu den Spannungen und Dehnungen in Ihrer Struktur?

Bei Ermüdung dreht sich fast alles um Kerben; Sie müssen die Hintergründe verstehen. In einem Fahrzeug herrscht eine mehrachsige Belastung, doch in den Kerben kann ein ein-, zwei- oder mehrachsiger Spannungszustand auftreten. Wie ausgeprägt sind diese Kerben und welche Auswirkungen haben sie? Es können auch plastische Nichtlinearitäten auf Ihre Struktur einwirken – sind Ihnen diese bekannt?

Herausforderung Nr. 3: Beurteilung, wie der Fertigungsprozess die Materialeigenschaften beeinflusst

Normalerweise können wir beim Blick in eine Datenbank Ermüdungswerte des Ausgangsmaterials abrufen. Bevor dieses Material jedoch in ein Auto gelangt, durchläuft es den Fertigungsprozess, der Belastungen erzeugen und somit die grundlegenden Ermüdungseigenschaften beeinflussen kann. Oberflächenbehandlungen oder Schweißvorgänge bei der Montage führen zu Restspannungen. Dies beeinflusst das Materialverhalten, sodass die Daten für Ihre Berechnung der Materialermüdung eventuell ergänzt werden müssen. Sie können zwar experimentieren, aber berücksichtigen Ihre Versuche tatsächlich all diese Einflussfaktoren? 

Interessanterweise zeigt die Forschung zur additiven Fertigung und zum Guss, dass die in Datenbanken aufgeführten Eigenschaften oft einen beträchtlichen Sicherheitspuffer in hochbelasteten Bereichen aufweisen, wo Fertigungsprozess und Herstellererfahrung diese Eigenschaften positiv beeinflussen. Auf lokaler Ebene zeigt sich oft ein deutlich besseres Materialverhalten als anhand der globalen Faktoren in Ihrer Analyse zu erwarten wäre.

Wie anwenderfreundliche Tools den Ablauf vereinfachen können

Die gute Nachricht ist, dass Sie mit den richtigen Tools und Prozessen viel darüber lernen können, was innerhalb einer Struktur passiert und warum es passiert. Sie können auch mehr über den Prüfprozess lernen und anschließend die Konstruktion optimieren. Sie können sogar Ihr komplettes Entwicklungssystem aufrüsten.

Einfache Schritte für präzisere und zügigere Belastbarkeit und Lebensdaueranalysen

Das Webinar erläutert, wie Sie eine Belastbarkeits- und Lebensdaueranalyse in einfache Schritte gliedern und auf lokaler Ebene untersuchen können. So verstehen Sie genau, was bei der Analyse geschieht und warum sie wichtig ist. Dies führt zu höherer Genauigkeit, besseren Komponenten und einer optimierten Struktur.

Wenn Sie Alessandras nächste Schritte nachvollziehen möchten, lesen Sie den Blogbeitrag asy strength and fatigue analysis for any application case: efficiently assess the strength of your component (Einfache Belastbarkeits- und Ermüdungsanalyse für jeden Anwendungsfall: Effiziente Bewertung der Bauteilstärke) und entdecken Sie die Vorteile der neuesten Ergänzungen zur Simcenter 3D-Software.