BASIC

Das Modul winLIFE BASIC deckt die wesentlichen Grundlagen der Betriebsfestigkeitsberechnung ab. Typischerweise beginnt ein winLIFE-Anwender seine Arbeit damit. Für das Modul BASIC gibt es folgende Erweiterungen, die zusätzlich erworben werden können:

winLIFE MULTIAXIAL

winLIFE MULTIAXIAL MULTICORE

winLIFE GEARWHEEL&BEARING

winLIFE CRACKGROWTH

winLIFE RANDOM FATIGUE

winLIFE STATISTIC

winLIFE VIEWER4WINLIFE

winLIFE Projektmanagementsystem

Typische industrielle Aufgabenstellungen umfassen nicht nur eine einzelne Lebensdauerberechnung, sondern in der Regel eine Vielzahl von Lastfällen und Varianten.

Hierfür bietet winLIFE ein leistungsfähiges Projektmanagementsystem, in dem bis zu 2000 Projekte gleichzeitig bearbeitet werden können. Das Bild unten zeigt die Benutzeroberfläche, in der 8 Projekte definiert sind. Die Projekte können einzeln bearbeitet werden, sie können aber auch gemeinsam gestartet und auch überlagert werden.

winLIFE Benutzeroberfläche

 

Ein Projektgenerator ermöglicht die Generierung von Projekten, bei denen einzelne Parameter systematisch variiert werden können.

Da viele Berechnungen zu langen Rechenzeiten führen, ist ein automatisierter Ablauf wichtig, so dass der Möglichkeit der Batchverarbeitung große Bedeutung zukommt. Die Projektdateien werden im XML-Format gespeichert und können auch von der Benutzeroberfläche aus als Batch gestartet werden.

Wie erhalte ich Materialdaten für eine Lebensdauerberechnung?

winLIFE bietet mehrere Möglichkeiten, um Materialdaten für die Lebensdauerberechnung zu erhalten. Neben der Generierung auf der Basis statischer Werkstoffdaten sind auch umfangreiche Materialdatenbanken im Lieferumfang enthalten.

Erzeugung von Bauteil-Wöhlerkurven aus statischen Materialdaten

Da winLIFE viele Kunden im Bereich der Windenergie, des Schiffbaus und des allgemeinen Maschinenbaus hat, wurden spezielle Eingabegeneratoren erstellt, die Lebensdauerdaten aus statischen Werkstoffkennwerten generieren können. Diese sind:

  • Wöhlerliniengenerator für Schweißverbindungen nach Germanischer Lloyd für den Schiffbau
  • Wöhlerliniengenerator für Schweißverbindungen nach Germanischer Lloyd für Windenergieanlagen
  • Wöhlerlinien nach FKM-Richtlinie
  • Wöhlerliniengenerator nach Hück, Trainer, Schütz
  • Generator nach dem Uniform Material Law

Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft eine Eingabemaske für einen Generator nach der FKM-Richtlinie, die einen großen Erfahrungsschatz beinhaltet und in vielen Bereichen bereits etabliert ist. Aus statischen Werkstoffdaten wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bauteilinformationen wie Oberfläche, Kerbfaktor, Spannungsgradient etc. kann die Wöhlerlinie abgeschätzt werden.

Maske zur Eingabe bzw. Generierung der Bauteilwöhlerlinie

 

Die obige Abbildung zeigt die Eingabemaske, mit deren Hilfe diese Wöhlerlinien generiert werden. Nach der Generierung kann der Benutzer die Daten teilweise überschreiben und so ihm bekannte Einzelwerte entsprechend modifizieren.

Neben der Wöhlerlinie wird auch das Haigh-Diagramm als umfassendere Information verwendet, da hier auch die Mittelspannungsempfindlichkeit und die Streck- und Bruchgrenze dargestellt werden (siehe nächstes Bild).

Das Haigh-Diagramm – hier zusammen mit den Ergebnissen einer Berechnung dargestellt - zeigt den Zusammenhang zwischen Spannungsamplitude, Mittelspannung und Lastspielzahl bis zum Versagen (Lebensdauer). Jeder Punkt stellt eine Beanspruchungsstufe dar.

Ist für eine Untersuchung die Versagenswahrscheinlichkeit von Bedeutung, so können ausgehend von der 50%-Wöhlerlinie beliebige Wöhlerlinien mit unterschiedlichen Versagenswahrscheinlichkeiten abgeleitet werden, wobei unterschiedliche Streuungen im Bereich der Zeit- und Dauerfestigkeit berücksichtigt werden können.

Bauteil-Wöhlerlinien punktweise definiert (ASME-Code)

Die Wöhlerlinie eines Bauteils wird durch eine Vielzahl von Einzelpunkten definiert, zwischen denen interpoliert wird. Diese Definition der Wöhlerlinie wurde nun auf Kundenwunsch auch in winLIFE implementiert. Das folgende Beispiel zeigt eine solche Wöhlerlinie.

Wöhlerkurve in punktweiser Definition nach ASME
Haigh-Diagramm der punktweise definierten Wöhlerkurve

Erzeugung von Bauteil-Wöhlerlinien für geschweißte Bauteile

Es können Bauteil-Wöhlerlinien nach der FKM-Richtlinie, Germanischer Lloyd (Schiffbau, Windenergie), IIW generiert werden. Die Lebensdauerberechnung kann nach dem Nennspannungskonzept oder dem Strukturspannungskonzept erfolgen.

Die Berücksichtigung der Geometrie und der Kerbfaktoren erfolgt durch Zuordnung zu einem Katalog verschiedener Schweißnähte (Detailklassen, FAT-Klassen).

Schweißnahttypen, die aus einem Katalog ausgewählt werden können.

 

Für das Strukturspannungskonzept stehen für FEMAP und ANSYS leistungsfähige Makros zur Datenübergabe an winLIFE zur Verfügung.

Erzeugung von Dehnungs-Wöhlerlinien

Dehnungs-Wöhlerlinien können aus statischen Werkstoffkennwerten generiert werden. Neben dem am häufigsten verwendeten Uniform Material Law stehen weitere Algorithmen zur Verfügung.  Die Vorgehensweise ist in der folgenden Abbildung dargestellt: Es werden statische Materialkennwerte vorgegeben (rechte Seite) und daraus die Materialkennwerte für die Wöhlerlinie und das zyklische Verhalten generiert (linke Seite).

Maske zu Eingabe der Daten zur Generierung einer Dehnungs-Wöhlerlinie und der zyklischen Werkstoffdaten.

 

Die folgende Abbildung zeigt ein Berechnungsbeispiel, bei dem die zyklischen Daten durch Generierung aus den statischen Kennwerten gewonnen und dargestellt wurden. Für das Bauteil wurden die Formzahl und die Oberflächenrauheit in der Kerbe vorgegeben. Aus der Rainflow-Matrix wird für das Bauteil der Spannungs-Dehnungspfad in der Kerbe berechnet. Der Pfad kann auch ohne Rainflow-Zählung direkt aus dem Materialgedächtnis berechnet werden.

Ergebnis der Generierung einer Dehnungs-Wöhlerlinie und der zyklischen Werkstoffdaten.

Materialdatenbanken

Folgende Materialdatenbanken werden mit der Installation ausgeliefert:

  • Materialdatenbank für das Örtliche Konzept
  • Materialdatenbank nach FKM
  • Benutzerdatenbank

Materialdatenbank für das Örtliche Dehnungskonzept

Für Berechnungen nach dem Örtlichen Konzept steht eine umfangreiche Datenbank (mehr als 1000 Werkstoffe) mit folgenden Informationen zur Verfügung:

  • statische Werkstoffkennwerte
  • zyklische Werkstoffkennwerte
  • allgemeine Informationen und insbesondere Informationsquellen

Eigene Daten können in die Datenbank integriert werden.

Maske zur Anzeige der Daten der Materialdatenbank
Maske zur Anzeige der Daten der Materialdatenbank

Materialdatenbank für Berechnung nach FKM

Aus der mitgelieferten Datenbank mit Daten aus der FKM-Richtlinie können gängige Werkstoffdaten aus Probenversuchen entnommen werden. Mit Hilfe dieser Daten können dann Wöhlerlinien für das Bauteil generiert werden.

Werden zusätzlich zu diesen Materialdaten die Bauteildaten eingegeben, so kann eine Bauteil-Wöhlerlinie generiert werden. Diese kann dann in der Benutzerdatenbank gespeichert werden.

Eingabemaske zur Auswahl des Werkstoffes aus der Materialdatenbank der Probendaten

Benutzer-Datenbank

Der winLIFE-Benutzer speichert die von ihm für die Lebensdauerberechnung verwendeten Werkstoff-/Bauteildaten in einer Benutzerdatenbank, die die Werkstoff- und Bauteilinformationen enthält.

Beschaffung der Belastungsdaten

Für eine Lebensdauerberechnung werden Daten über die einwirkende Belastung benötigt. Dies kann ein gemessener Last-Zeit-Verlauf oder aber eine Häufigkeitsverteilung von Lasten (Lastkollektiv) sein.

Definition eines Lastkollektivs

Ein Lastkollektiv wird durch das folgende Wertetripel definiert:

  • Mittellast
  • Lastamplitude
  • Anzahl der Zyklen
Definition eines Zyklus

 

Die Erfahrung in den verschiedensten Bereichen des Ingenieurwesens zeigt, dass die wirkenden Lastkollektive bestimmte Grundformen haben, die einfach zu beschreiben sind. Kennt man - z.B. aus Veröffentlichungen - die Grundform der wirkenden Lastkollektive, so kann man mit dem winLIFE-Kollektivgenerator sehr einfach ein an das individuell vorliegende Bauteil angepasstes Lastkollektiv erzeugen.  Die folgende Abbildung zeigt drei solcher Grundformen von Lastkollektiven, die mit winLIFE generiert wurden.

Beispiele für verschiedene Lastkollektive, die mit dem eingebauten Kollektivgenerator erzeugt wurden. (unten: Normalverteilung, Mitte: Linearverteilung (n=1), oben: p - Kollektiv)

Verwendung von Last-Zeit-Verläufen

Eine weitere Möglichkeit, die Belastung zu beschreiben, ist die Verwendung von Last-Zeit-Verläufen. Eine Last kann eine Spannung, ein Drehmoment oder eine Kraft sein. Solche Daten können durch Messungen gewonnen werden, es ist aber auch möglich, dass der Benutzer den Last-Zeit-Verlauf manuell über die Tastatur eingibt. Alternativ kann auch der Sinusgenerator verwendet werden, um auf einfache Weise Last-Zeit-Funktionen zu erzeugen.

Kräftebelastung (manuelle Eingabe)

Die Belastungen – z.B. Kräfte als Funktion der Zeit – werden in die Eingabemaske eingegeben und anschließend gespeichert. Auf diese Weise werden aus Zeitgründen nur kurze Lastfolgen eingegeben.

Eingabemaske für die manuelle Eingabe der Last

Kräftegenerator (Sinus)

Häufig besteht der Wunsch, einfache Verläufe der Last-Zeit-Funktion schnell und auf einfache Weise zu erzeugen. Dies ist mit dem hier beschriebenen Sinusgenerator möglich.

Eingabemaske zur Generierung einer Sinus-Belastung

 

Die Eingaben sollten selbsterklärend sein. Das Ergebnis der Generierung sieht wie folgt aus:

Ergebnis der Generierung einer sinusförmigen -Belastung

Import von gemessenen Last-Zeit-Funktionen

In den meisten Fällen werden sehr umfangreiche Messdaten verwendet, die mehrere Gigabyte groß sein können.

gemessener Last-Zeit-Verlauf

 

Eine interaktive Datennachbearbeitung in der Grafik ermöglicht eine einfache Korrektur der Daten des Last-Zeit-Verlaufs oder des Lastkollektivs. So können z.B. Spikes schnell entfernt und Korrekturen einer Signaldrift vorgenommen werden.

Die von winLIFE verwendete Rainflow-Matrix kann ebenfalls nachbearbeitet werden. Die Rainflow-Matrix enthält die schädigungsrelevanten Ereignisse und zeigt deren Schädigungsgrad durch eine Farbskala an. Durch Veränderung der Rainflow-Matrix können auf einfache Weise alternative Belastungsszenarien durchgespielt werden.

Beim Örtlichen Konzept kann der Spannungs-Dehnungs-Pfad dargestellt werden. Er wird aus der Rainflow-Matrix und den zyklischen Werkstoffkennwerten dargestellt.

Analyse im Frequenzbereich

Die Eigenfrequenzen eines dynamisch erregten Systems und das Frequenzspektrum der Anregung haben einen großen Einfluss auf die Lebensdauer. Es hat sich daher als sehr nützlich erwiesen, die auf ein Bauteil wirkenden Beanspruchungen mit Hilfe des Leistungsdichtespektrums (PSD) zu erfassen. Häufig werden Bauteile auf einem Schwingtisch unter Vorgabe dieses PSD der Beschleunigung geprüft. winLIFE RANDOM leistet genau dies. Das Modul wird in einem separaten Kapitel vorgestellt.

Durchführung der Lebensdauerberechnung

Verwendung von Finiten Elementen

Bei Verwendung eines FE-Modells wird mit Hilfe der FEM ein Einheitslastfall berechnet. winLIFE BASIC ist hier auf einen Einheitslastfall beschränkt. (winLIFE MULTIAXIAL kann bis zu 200 Lastfälle gleichzeitig berechnen). Details zur Datenübernahme siehe unter winLIFE MULTIAXIAL.

Ablauf anhand eines Beispiels

Der Ablauf einer Lebensdauerberechnung mit winLIFE BASIC soll nun kurz beschrieben werden. Dies geschieht am Beispiel eines Lenkers einer Lkw-Radaufhängung, der mit einer gemessenen Last-Zeit-Funktion belastet wird. Aus Symmetriegründen ist nur die obere Hälfte des Bauteils dargestellt.

Ergebnis der statischen Belastung durch einen Einheitslastfall eines Längslenkers einer Lkw-Radaufhängung (aus Symmetriegründen wurde nur eine Hälfte berechnet).

 

Im ersten Schritt ist eine statische FE-Analyse unter Verwendung der Einheitslast Fo erforderlich. Es ist wichtig, dass die Einheitslast die gleiche Wirkungslinie wie die Betriebsbelastung F(t) aufweist.

Für jeden Zeitschritt t wird die elastische Spannung (korrekter der Spannungstensor) als Folge der Last F(t) mit Hilfe des Quotienten F(t)/Fo berechnet. Liegt ein Zeitverlauf F(t) wie in der folgenden Abbildung vor, so kann die Spannung im Bauteil für jeden gewünschten Zeitschritt berechnet werden.

Bei Anwendung des Örtlichen Konzeptes liegt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve vor, die in die Berechnung mit einbezogen wird. Auf diese Weise wird auch die Plastifizierung des Werkstoffs mit Hilfe der Neuber-Regel mit berücksichtigt.

gemessene Last des Bauteils über der Zeit

 

Die Bauteilbelastung (Abbildung oben) wurde aus einer Messung auf einer Teststrecke gewonnen. winLIFE führt nun eine Rainflow-Zählung der Last mit dem Ergebnis im folgenden Bild durch.

Rainflow Matrix

 

Die zyklischen Material-Daten und die Wöhlerlinie der Schädigungsparameter für dieses Beispiel sind in den beiden folgenden Abbildungen dargestellt.

stabilisierte zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve
Spannungs-Dehnungs-Pfad , berechnet aus der Rainflow-Matrix für den kritischen Knoten.

 

Aus der Rainflow-Matrix und den zyklischen Materialdaten wird der Spannungs-Dehnungs-Pfad konstruiert. Die geschlossenen Schleifen dieses Pfades werden zur Berechnung eines Schadensparameters verwendet und die Schädigung wird schließlich mit Hilfe der Schadensparameter Wöhlerlinie für jeden Knoten der Struktur bestimmt. Die Ergebnisse werden als Flächen gleicher Schädigung auf der Struktur dargestellt.

Schadensparameter Wöhlerlinie

 

Neben dem Örtlichen Konzept kann auch ein spannungsbasiertes Konzept für die Berechnung verwendet werden, wobei spannungsbasierte Wöhlerlinien verwendet werden.

Die Ergebnisse der Lebensdauerberechnung: Schadenssumme, schädigungsäquivalente Amplitude und Lastspielzahl bis zum Versagen werden in einer Exportdatei ausgegeben. Das FE-Programm greift auf diese Exportdatei zu und wird, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, angezeigt. Für FEMAP wird eine Schnittstelle mitgeliefert, die sich automatisch in der FEMAP Benutzeroberfläche installiert.

Ergebnisdarstellung der winLIFE Schadenssumme in FEMAP

Ohne Verwendung der Finiten Elemente

Wenn keine Finiten Elemente verwendet werden, wird die Lebensdauerberechnung nur für einen Punkt, üblicherweise die Kerbe, durchgeführt. Die Informationen über die Geometrie und der Zusammenhang zwischen Belastung und Spannung müssen dann vom Benutzer angegeben werden, d.h. Kerbfaktor, Spannungsgradient, Oberflächenrauhigkeit, usw. müssen  angegeben werden. Eine Lebensdauerberechnung ohne Finite Elemente kann nach den beiden klassischen Verfahren, dem Nennspannungskonzept oder dem Örtlichen Konzept, erfolgen.

Beim Nennspannungskonzept können verschiedene Hypothesen für die Schadensakkumulation im Bereich der Dauerfestigkeit verwendet werden (original, modifiziert nach Haibach, elementar, modifiziert nach Liu und Zenner). Die folgende Abbildung zeigt die verfügbaren Hypothesen.

mögliche Hypothesen der Schadensakkumulation in winLIFE

 

Wenn die Berechnung nach dem örtlichen Konzept durchgeführt wird, ist die Vorgehensweise ähnlich wie bei der Anwendung der Finite-Elemente-Methode, mit dem Unterschied, dass nur ein Punkt berechnet wird.

Addition verschiedener Berechnungsergebnisse

Angenommen, ein Fahrzeug wird entwickelt, das naturgemäß auf sehr unterschiedlichen Fahrbahnkategorien (gute Straße, schlechte Straße usw.) eingesetzt wird.

Liegen nun Messungen und Berechnungen der Lebensdauer für jede Fahrbahnklasse vor, deren Länge aber nicht der Strecke beim Endkunden entspricht, so muss eine Umrechnung der Lebensdauerergebnisse auf die für den Endkunden relevante Streckenzusammensetzung erfolgen. Dies geschieht, indem die Ergebnisse (Schadenssumme je Fahrbahnkategorie) mit Wichtungsfaktoren auf die gewünschte Streckenlänge umgerechnet und knoten- und schnittebenenweise aufsummiert werden.

Da bei vielen Aufgabenstellungen sehr unterschiedliche Szenarien untersucht und abschließend in ihrer Gesamtauswirkung diskutiert werden müssen, ist die gewichtig Addition ein wichtiges Hilfsmittel, da zunächst kleinere Teilprobleme bearbeitet werden können.

Superposition und Extrapolation

Im Gegensatz zur reinen Addition von Berechnungsergebnissen –  wie im vorigen Kapitel beschrieben – ist die Kenntnis des Gesamtkollektivs oft wichtig, um die Ergebnisse besser interpretieren zu können. Die Addition verschiedener zeitlich aufeinander folgender Teilbelastungen (Kollektive) wird als Superposition bezeichnet.

Die Umrechnung der gemessenen Teilbelastung von z.B. 500 h auf die Gesamtbelastung von 20 Jahren wird als Extrapolation bezeichnet.

Statistische Auswertung

Für die statistische Auswertung der Zuverlässigkeitswahrscheinlichkeit wird folgende Eingabemaske zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse der zuvor durchgeführten Lebensdauerberechnung und die Daten der verwendeten Wöhlerlinie werden übernommen.

Berechnung statistischer Kenngrößen

 

Die Daten der Wöhlerlinie

  • Streubreite
  • Anzahl der Versuchspunkte n 

werden übernommen. Sie können vom Benutzer in dieser Maske nachträglich geändert werden.
Der Benutzer muss nun die Konfidenz und die Eintrittswahrscheinlichkeit seines Kollektivs eingeben. Wenn er anschließend auf Berechnen klickt, erhält er als Ergebnis

  • die wahre rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit  PA
  • die vereinfachte rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit PA*

Datenbearbeitung und -korrektur

Bei der Verwendung von Messdaten ist in der Regel eine Datenbereinigung erforderlich. Viele mögliche Fehler können auftreten und im ersten Schritt einer Analyse muss der Anwender seine Messdaten überprüfen und in der Regel auch korrigieren. winLIFE ermöglicht eine einfache und schnelle interaktive Korrektur der Daten.

Last-Zeit-Funktionen und Lastkollektive können wie folgt korrigiert werden:

  • Auswahl von Daten und Korrektur der ausgewählten Daten durch Multiplikation, Addition oder Überschreiben
  • Auffinden und Entfernen von Spikes

Außerdem kann die Rainflow-Matrix modifiziert werden. Dies ist ebenfalls sehr hilfreich, um eine Datenkorrektur durchzuführen.

Darstellung und Analyse der Ergebnisse

In winLIFE stehen alle gängigen Grafiken und Darstellungen zur Verfügung, wie z.B.

  • Rainflow-Matrix
  • Bereichsmittelpaarzählung
  • Klassengrenzüberschreitungszählung
  • Wöhlerlinie zusammen mit Amplitudenspektrum und zugehörigem Schadensanteil
  • Haigh-Diagramm einschließlich der Wertetripel der Spannungen
  • Protokoll-Datei mit den Ergebnissen für jeden einzelnen Knoten

Report Generator

Der Report Generator ermöglicht es dem Benutzer, auf Knopfdruck einen Standardreport im PDF-Format einschließlich Grafiken zu erzeugen. Damit entfällt die bisher notwendige individuelle Auswahl jeder einzelnen Grafik.

Der Standardreport ist für die verschiedenen Methoden unterschiedlich definiert, kann aber vom Benutzer geändert werden.

Eingabemaske zur Festlegung der Report-Inhalte

Individuelle Gestaltung von Grafiken und Reports

Die Gestaltung der Ausgabedokumente, insbesondere der Grafiken, kann vom Benutzer in Bezug auf die folgenden Parameter angepasst werden:

  • Schriftgröße und Schriftart
  • Linienfarbe
  • Linienart und Linienstärke
  • Bereichseinstellung der Achsen
  • Texteingabe
Individuell gestaltete Grafik (Farben, Fonts, Maßstäbe, Beschriftung)
Ausgabe eines Standardreports als PDF-Datei.

Einheiten

Festlegung der Einheiten

 

Die Einheit der Spannungen kann vom Benutzer auf verschiedene Weise festgelegt werden. Die interne Berechnung in winLIFE erfolgt in N/mm2. Falls eine andere Einheit gewünscht wird, kann diese aus der Einheitenliste ausgewählt werden. Meistens wird PSI als Alternative gewünscht, so dass diese Einheit vorbereitet ist.
Es kann aber auch eine beliebige Einheit vom Benutzer definiert werden, indem der Name und der Multiplikator für die Umrechnung angegeben werden.
Die anderen Einheiten, die in winLIFE verwendet werden, sind die folgenden und können nicht geändert werden.

  • Dehnung [‰]
  • Drehzahl [1/min]

Die Einheiten für Last und Kraft können beliebig gewählt werden, da sie sich aus der Berechnung heraus kürzen. Sie müssen jedoch einheitlich verwendet werden.

winLIFE wird mit 3 Standard-Definitionen ausgeliefert:
Die ISO-Einheiten als ‚Default’

Default

[N/mm²]

Umrechnungsfaktor 1

‚PSI’   

[lbf/in²]

Umrechnungsfaktor 145,04

‚Double Default’ (Spannweite)

[N/mm²]

Umrechnungsfaktor 2