Anwendungsbeispiele für den Einsatz von winLIFE

Beispiele aus der Automobilindustrie zeigen das breite Anwendungsspektrum von winLIFE:

• Automobilbau
• Flugzeugbau
• Windenergietechnik
• Schweißtechnik
• Hochschulen

Automobilindustrie

Viele winLIFE-Anwender kommen aus der Automobilindustrie. Zwei Beispiele aus dem Bereich Antriebsstrang und Achsen sollen dies verdeutlichen:

Antriebsstrang

Kupplungen, Drehmomentwandler, Retarder, Getriebegehäuse , Wellen , Planetengetriebe, Torsionsdämpfer, LKW und landwirtschaftliche Fahrzeuge.

Es wurden Messungen auf realen Strecken durchgeführt, um die tatsächlichen Bedingungen in der Praxis zu erfassen. Eine Rennstrecke, der “Nürburgring”, wurde detailliert vermessen und darauf aufbauend Lebensdaueruntersuchungen für den Antriebsstrang und insbesondere das Automatikgetriebe durchgeführt.

Das für den Nürburgring gemessene Lastkollektiv für einen Mercedes S 500 mit dem abgebildeten 7-Gang-Automatikgetriebe ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Achsaufhängungen

winLIFE wird bei der Entwicklung von Militärfahrzeugen eingesetzt. Fahrwerk, Achsen und Federn wurden mit winLIFE berechnet. Im Fahrversuch wurden Messungen auf verschiedenen Fahrbahnkategorien durchgeführt, um die durch Fahrbahnunebenheiten verursachten Besonderheiten zu ermitteln.

Anwendungen aus dem Flugzeugbau

Das Rangieren von Flugzeugen auf einem Flughafen ist wirtschaftlicher, wenn es von einem Schlepper durchgeführt wird. Dabei zieht der Schlepper das Flugzeug mit einer Stange am vorderen Fahrwerk. Es stellte sich die Frage, welche Belastungen dabei im Vergleich zum normalen Flugbetrieb auftreten und ob sich daraus ein Lebensdauerproblem ergeben könnte.

Am Fahrwerk wurden Dehnungsmessstreifen angebracht und während des Rangiervorgangs und der Landung gemessen. Eine vergleichende Lebensdauerberechnung zeigte die Schädigung durch den Landevorgang und den Rangiervorgang im Vergleich und ermöglichte so eine Beurteilung.

Als Ergebnis konnte eine Beurteilung der Relation der Schädigungen zwischen Landevorgang und Rangieren mit dem Schlepper erfolgen. Im Hinblick auf die Gesamtbelastung des Fahrwerks können nun diese Vorgänge auf dem Boden mit einbezogen werden.

Windenergieanlagen

Bei der Entwicklung einer Windenergieanlage muss der Nachweis der Lebensdauer durch rechnerische Methoden erbracht werden. Windenergieanlagen werden für Jahrzehnte ausgelegt und müssen auch stark wechselnden Witterungsbedingungen  standhalten. So werden die Türme, die Rotornabe und die Komponenten der Windenergieanlage berechnet.

Für Offshore-Anlagen, die vor der Küste eingesetzt werden und extremen Belastungen durch Wellen, Wind und Salzwasser ausgesetzt sind, gelten verschärfte Anforderungen.

Um den Herstellern von Windenergieanlagen die Arbeit zu erleichtern, sind Berechnungsvorschriften z.B. zur Generierung von Wöhlerlinien nach den Vorschriften des Germanischen Lloyd integriert. Das folgende Bild zeigt einen Planententräger einer Windenergieanlage, der mit FEMAP und winLIFE berechnet wurde.

Die folgende Abbildung zeigt das Ergebnis der Lebensdauerberechnung mit ANSYS und winLIFE (die Schädigung ist dargestellt).

Hotspot-Suche (Beispiel: Rahmenecke aus dem Schiffbau)

Wesentliches Merkmal dieses Verfahrens ist, dass bei geschweißten Blechen, die durch Plattenelemente elementiert sind, die Elemente weitgehend automatisiert an den Plattenstößen gefunden werden, wo sich in der Regel die Schweißnähte befinden. Für die Lebensdauerberechnung werden die senkrecht zur Nahtübergangskerbe projizierten Elementspannungen verwendet. Da nur ein Element für die Lebensdauervorhersage verwendet wird, wird die Spannungsüberhöhung in der Schweißnahtkerbe nur begrenzt realistisch erfasst, so dass die Vorhersagequalität schlechter ist als beim Strukturspannungskonzept. Die kritischen Stellen einer Struktur werden jedoch auch mit dieser Methode gefunden. Bei Bedarf können die gefundenen Hotspots anschließend mit dem Strukturspannungskonzept nachgerechnet werden, um die Vorhersagequalität zu verbessern.

KERBSPANNUNGSKONZEPT R1 (SATTELAUFLIEGER-ACHSE)

Die Schweißverbindung der Hinterachse eines Sattelaufliegers wurde mit FEMAP berechnet (Bild). Dabei wurde das Substrukturverfahren angewendet, bei dem zunächst das relativ grob modellierte Gesamtmodell berechnet wurde. Anschließend wurden die Schweißnähte „herausgeschnitten“ und entsprechend den Vorgaben des r1-Konzepts sehr fein modelliert (Bild).

Nun wurde auf Basis des wirkenden Lastkollektivs eine Lebensdauerberechnung nur für die Schweißnaht durchgeführt. Auf diese Weise konnten die kritischen Rissstellen in Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen identifiziert und eine Lebensdauerabschätzung für die Bedingungen auf der Versuchsstrecke und für ein reales Kundenkollektiv berechnet und verglichen werden. Die Ergebnisse waren für die Entwicklung dieser Achse sehr hilfreich.

Strukturspannungskonzept (Beispiel: Unimog-Anhängerkupplung)

Für den dargestellten Kugelkopfanhängebock sollen die Schweißnähte nach dem Strukturspannungskonzept berechnet werden. In diesem Beispiel werden nur die Kehlnähte auf der linken Seite zwischen dem U-Profil und dem Rechteckprofil betrachtet, siehe Bild 1-1.

Das Modell ist überwiegend aus Tetraeder-Elementen aufgebaut. Die Bereiche der zu untersuchenden Schweißnähte sind mit Hexaeder-Elementen vernetzt. Für das Strukturspannungskonzept mit linearer Extrapolation werden dabei definierte Abstände der Knotenreihen von der Kehlnaht eingehalten wie die gelb markierten Knoten in der Abbildung zeigen.

Der Abstand der Knotenlinie 1 beträgt 0,4 x Blechdicke von der Schweißnaht und der Abstand der Knotenlinie 2 beträgt 1 x Blechdicke von der Schweißnaht. Bei einer Blechdicke des Rechteckprofils von 7,1 mm ist die Knotenlinie 1 somit 2,84 mm und die Knotenlinie 2 folglich 7,1 mm von der Kehlnaht entfernt.

An dem Kugelkopf wirken 2 Lastfälle, die zunächst getrennt dargestellt werden. In der folgenden Lebensdauerberechnung in winLIFE wirken diese beiden Lastfälle gleichzeitig.

Die Enden der U-Profile sind im Bereich der Bohrungen fixiert.

Der Auslastungsgrad ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Ein Auslastungsgrad von 0,178 bedeutet eine Ausnutzung der Dauerfestigkeit von 17,8 %.

Kombination von MKS und FEM-Simulation für einen Baggerarm

Um die Lebensdauer eines Baggerarms zu untersuchen, wurde eine Mehrkörperdynamik-Simulation (Recurdyn) in Kombination mit einer Finite-Elemente-Simulation durchgeführt. Die Ergebnisse der zeitabhängigen Spannungen wurden aus Recurdyn importiert und in winLIFE zur Schadensakkumulationsberechnung verwendet.

Für jeden Knoten der Struktur wurde eine Spannungs-Zeit-Funktion ermittelt und daraus die Anzahl der Wiederholungen bis zum Anriss berechnet.

Die Variation der Beschleunigung während des Betriebs zeigte den Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Lebensdauer.

Hochschulen

An mehreren Universitäten und Fachhochschulen wird winLIFE seit vielen Jahren in Lehre und Forschung eingesetzt. Um den Anforderungen einer größeren Anzahl von Installationen gerecht zu werden, wurde eine spezielle Hochschulversion entwickelt. Die einfache Bedienung von winLIFE ermöglicht eine schnelle und selbständige Einarbeitung der Studierenden. Die notwendige Funktionalität ist gegeben, um die wesentlichen Berechnungskonzepte anschaulich zu erläutern.

Die Dokumentation einschließlich der Beispiele ist geeignet, die Ergebnisse vollständig nachvollziehen zu können, so dass der Studierende auch im Detail versteht, was er oder sie gerade erarbeitet.

Die Hochschulversion besteht aus einer Vollversion für den Betreuer mit separatem Einzelplatz-Hardlock. Eine zusätzliche Netzwerklizenz für 10 Benutzer erlaubt eine leicht eingeschränkte Nutzung von winLIFE BASIC, die aber für akademische Fragestellungen völlig ausreichend ist.

Abbildung: Interaktive Simulation des Spannungs-Dehnungs-Pfades. Lastschritt und resultierender Spannungs-Dehnungs-Pfad werden in einem Bild dargestellt und können vom Benutzer interaktiv vorgegeben werden. Auf diese Weise können die Gesetze des Werkstoffgedächtnisses spielerisch nachvollzogen werden.