Ermüdungsanalyse: Was ist fe-safe?

fe-safe ist ein Tool für die umfassende Ermüdungsanalyse von Finite-Elemente Modellen. Die Software ist Teil des Produktpakets Abaqus Unified FEA zusammen mit den anderen SIMULIA Software Paketen Abaqus, Tosca Structure und Isight. fe-safe bietet eine Vielzahl von Analyse-Werkzeugen, um Konstruktionen und die dazugehörigen Finite-Elemente Modelle gegen Ermüdungsversagen abzusichern. Hierbei stellt fe-safe Algorithmen für Kurz- und Langzeitermüdung metallischer Werkstoffe zur Verfügung und bietet so die Möglichkeit zur Untersuchung, WO und WANN Werkzeuge oder Komponenten im Betrieb versagen.

Wofür wird fe-safe verwendet?

fe-safe dient als Software zur Analyse der Ermüdungsfestigkeit von Finite Elemente Modellen. Als Ausgangspunkt dient eine Finite-Elemente Analyse der zu untersuchenden Bauteile.

Bild 1: Finite-Elemente Analyse mit fe-safe

Diese Berechnungen können beliebig komplex sein – von einer einfachen linear elastischen Analyse über gekoppelt Thermisch-Mechanische Berechnungen bis hin zu Frequenz-basierten dynamischen Analysen oder der Simulation von plastischen Verformungen. Je nach Betrachtung werden Spannungsdaten, Dehnungsdaten, Temperaturen oder gesamte Spannungs-Dehnungs-Historien in fe-safe importiert. Diese können zur Betrachtung von Lang- und Kurzzeitermüdung, sowie zu spannungs- oder dehnungsbasierten Ermüdungsanalyse genutzt werden.  Je nach Input kann untersucht werden, wie oft die importierte Spannungs-Dehnungshistorie durchlaufen werden kann; oder mithilfe eines Scale-And-Combine Ansatzes können gemessene Lasthistorien zur Skalierung der importieren Spannungsdaten verwendet werden. Zusammen mit Sondereinstellungen von lokalen Material- und Oberflächenparametern berechnet fe-safe für die ausgewählten Elemente die kritische Anzahl an Zyklen, die mit den gewählten Einstellungen durchlaufen werden können. Zusätzlich zur kritischen Lebensdauer stehen zahlreiche andere Untersuchungen, wie z.B. eine Factor-of-Strength Untersuchung oder Analysen nach FKM-Richtlinie zur Verfügung.

Warum Lebensdaueranalysen?

Ermüdung ist eines der häufigsten Ursachen für das Versagen von Bauteilen. Es ist also ein essenzieller Teil der Produktentwicklung, den sicheren Betrieb der konstruierten Komponenten zu gewährleisten. Die realen Lasten, die auf die Bauteile im Laufe ihres Lebenszyklus zukommen, können beliebig komplex werden. Sie sind somit in einer rein experimentellen Untersuchung kaum abbildbar, weshalb simulative Untersuchungen eine mögliche Alternative darstellen. Bei Bauteilen von komplexer Geometrie stellt sich im Betrieb ein multi-axialer Spannungszustand ein. Häufig spielt für das tatsächliche Versagen des Bauteils die gesamte Belastungshistorie eine Rolle. Somit reicht die Untersuchung von einfachen Moment-Aufnahmen aufgrund von Belastungen nicht aus, um die Position des Versagens und die Lebensdauer zu bestimmen. Genau hier setzt fe-safe an, um mithilfe von komplexen Belastungshistorien und der genauen Untersuchung der komplexen, multi-axialen Spannungszuständen die Lebensdauer und den Ort des Versagens zu bestimmen.

FE-Analyse als Berechnungsgrundlage

Die Basis für die Lebensdaueranalyse stellt eine Finite-Elemente Berechnung bestehend aus Spannungs- und/oder Dehnungsdaten. Die Output-Formate von Abaqus oder von anderen FE-Programmen sowie csv und txt Formate werden hierfür unterstützt. Die importierten Lösungen können in ein gewünschtes Einheitensystem übertragen werden. Im Finite-Elemente Modell erzeugte Sets, Parts und Oberflächen werden übernommen und in Gruppen eingeteilt und stehen somit als zu unterscheidende Bereiche in fe-safe zur Verfügung. Basierend auf elastischen Spannungsdaten kann eine linear-elastische Langzeitermüdungsanalyse durchgeführt werden. Ausgehend von elastisch-plastischen Spannungs-Dehnungs-Historien kann sowohl Kurz- als auch Langzeitermüdung untersucht werden.

Ermüdungslasten in fe-safe

Die Aufbringung von Lasten erfolgt in fe-safe über sogenannte Blocks. Für linear elastische Ermüdungsanalysen stehen Elastic Blocks zur Verfügung. Mithilfe von Scale-and-Combine können mehrere Spannungszustände via Superposition überlagert werden und mit Lasthistorien aus Messungen im Betriebsablauf skaliert werden. Hierbei analysiert fe-safe den Beitrag jedes durchlaufenen Lastzyklus auf die Schädigung und ermittelt somit die Gesamtlebensdauer. Zudem können Spannungsdaten aus Spektralanalysen verwendet werden.

Komplexere und nichtlineare Phänomene können mit dem Scale-and-Combine Ansatz nicht abgebildet werden. Um Nichtlinearitäten wie Kontakt oder lokale Plastizität abbilden zu können, müssen diese Phänomene im Vorhinein im Finite-Elemente Modell untersucht werden. Die daraus generierte Spannungshistorie kann von fe-safe direkt in der Ermüdungsanalyse verwendet werden.

Materialmanagement in fe-safe

fe-safe ist von Haus aus mit einer großen Materialdatenbank ausgestattet. Zusätzlich zu elastischen Parametern und der Streckgrenze ist jedem Material ein Algorithmus (z.B. FKM) zugewiesen, der zur Ermüdungsanalyse (z.B. mithilfe von Wöhlerkurven) verwendet wird. Alle zu diesem Algorithmus zugehörigen Daten sind ebenso hinterlegt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, eigene Materialien zu erstellen oder eine externe Datenbank mit einbeziehen.

Beim Importieren der Finite-Elemente Lösung wurden bereits Sets, Parts und Bereiche mit unterschiedlichen Materialien in unterschiedliche Gruppen eingeteilt. Somit kann in fe-safe jeder Gruppe ein eigenes Material inkl. zugehörigem Algorithmus zugewiesen werden. Zudem nutzt fe-safe by default die Annahme, dass Ermüdungsrisse zumeist an Bauteiloberflächen entstehen. Somit kann viel Rechenzeit gespart werden indem in die Ermüdungsbeurteilung nur der Spannungszustand an der Oberfläche mit einbezogen wird. Unter anderem kann auch die Oberflächenbeschaffenheit eingestellt werden, welche ebenfalls einen großen Einfluss auf die Lebensdauer haben kann.

Ergebnisse einer Lebensdaueranalyse

Das Ergebnis einer Lebensdaueranalyse mit fe-safe ist zunächst eine Anzahl an Zyklen in jedem Element, die sicher durchlaufen werden können. Da Ermüdungsbetrachtungen häufig eine sehr große Anzahl an Zyklen abdecken, wird zur besseren Übersichtlichkeit eine logarithmische Skala verwendet, weshalb der Output auch Log-Life genannt wird und den Logarithmus der Lebensdauer enthält. Betrachten wir hierzu ein kleines Beispiel, siehe Abbildung.

Bild 2: Aufgebrachte Belastung am Beispiel von gelochtem Rohr

Den Ausgang bildet ein gelochtes Rohr, welches auf Biegung belastet wird. Mithilfe von fe-safe wird diese Belastung nun zyklisch aufgebracht und die kritische Anzahl an Zyklen ermittelt. Wie die Abbildung zeigt, kann die aufgebrachte Belastung ca. betragen, also 90.000-mal als Wechselbelastung aufgebracht werden, bis das Bauteil versagt.