Lebensdauerberechnungen mit winLIFE

winLIFE ist eine Software für die Berechnung der Lebensdauer­ von Bauteilen, welche einer schwellenden oder wechselnden Belastung ausgesetzt sind. Dabei kann eine klassische Berechnung der Lebensdauer auf der Basis von Nennspannungen oder des örtlichen Konzeptes basierend auf den Ergebnissen einer zuvor durchgeführten Finite Elemente Analyse (FEM) erfolgen. Wöhlerlinien für die Nennspannungsmethode können für Eisenwerkstoffe generiert werden. Für das örtliche Konzept sind verschiedene Verfahren zur Generierung von zyklischen Materialdaten (u.a. Uniform Material Law) enthalten. Daneben sind in einer vom Benutzer erweiterbaren Datenbank die für eine Lebensdauerberechnung nötigen Daten gespeichert. Ein Generator für Standardkollektive unterstützt den Benutzer für den Fall, dass ihm keine eigenen Messdaten vorliegen. winLIFE kann sowohl als eigenständiges Programm als auch in Verbindung mit Femap eingesetzt werden.
winLIFE Oberfläche

Lebensdauerberechnung ohne FEM-Daten

Bei der Berechnung nach dem örtlichen Konzept wird das zyklische Spannungs-Dehnungs-Verhalten und das Werk­stoff­ge­dächtnis (Masing-Effekt) berück­­­sichtigt, sodass der Spannungsabbau durch plastische Verformung und die den Werkstoff schädigenden Hystereseschleifen einbezogen sind. Die Schädigungsrechnung erfolgt mit Hilfe einer Schädigungsparameter-Wöhlerlinie nach dem Vorschlag von Smith, Watson und Topper. Eine andere Möglichkeit besteht in der Vorgabe einer Beanspruchungs-Zeit-Funktion (Spannung, Kraft, Drehmoment), die im Regelfall als Meßdaten aus einer ASCII-Datei übernommen, im Ausnahmefall aber auch vom Benutzer als Zahlenfolge eingegeben werden kann. Die Größe der Dateien ist dabei nur durch den Speicherplatz der Festplatte begrenzt. Eine interaktive Dateneingabe und Datenmodifikation für Stufenkollektive, Zeitverläufe der Belastung und der Rainflowmatrix ist möglich, indem in der Grafik der zu ändernde oder einzugebende Bereich markiert und dann komfortabel geändert werden kann.
Das in der Lebensdauerberechnung übliche Rainflow-Verfahren wird auch von winLIFE verwendet. Die Rainflow-Matrix enthält nur die schädigungsrelevanten Anteile des Signals. winLIFE stellt auch die Ergebnisse der Schädigungsrechnung in der Rainflow-Matrix farbig dar, sodass die kritischen Signalanteile sofort erkannt werden können. Bei der Anwendung des örtlichen Konzeptes werden die Spannungs-Dehnungs-Pfade aus der Rainflow-Matrix berechnet und grafisch dargestellt. Die Gesamtschädigung wird durch die Summierung der Schädigungsanteile erhalten (lineare Schadensakkumulationshypothese). Bei der Nennspannungsmethode können verschiedene Hypothesen zur Berück­sich­tigung der Dauerfestigkeit (original, mo­di­fiziert nach Haibach, elementar, Liu und Zenner) angewendet werden.

Lebensdauerberechnung in Kombination mit FEM

Liegen Ergebnisse einer FEM-Analyse vor, dann kann die Lebensdauerberechnung nach dem örtlichen Konzept durchgeführt werden. Dazu wird der Spannungszustand in einer Struktur, die mit einer Einheitslast Fo beansprucht wird, berechnet. Die Richtung der Einheitslast muss mit der real wirkenden Kraft F(t) übereinstimmen. Es können dann die elastischen Spannungen für jede Last F(t) linear entsprechend dem Quotienten F(t)/Fo berechnet werden. Für den Fall des örtlichen Konzeptes und der dabei verfügbaren realen Spannungs-Dehnungs-Kurve lässt sich unter Anwendung der Neuber-Regel für jeden Knoten die reale Spannungsfolge einschließlich plastischer Verformungen berechnen. Dabei genügt das Ergebnis der Rainflow-Zählung der äußeren Lastfunktion und die Rainflow-Matrix, um die schädigungsrelevanten Anteile (die geschlossenen Hystereseschleifen) der Belastung für jeden Knoten der FE-Struktur zu berechnen. Basierend auf einer statischen FE-Rechnung mit einer Einheitslast für jede Kraftgruppe wird eine Lebensdauerberechnung durchgeführt, bei der die statisch erhaltenen Spannungsergebnisse entsprechend der zeitveränderlichen wirkenden Kraftgruppe linear umgerechnet und mit der Neuber-Regel nichtlinear korrigiert werden.
Damit ergibt sich eine brauchbare Bestimmung der Spannungs-Zeit-Funktion für jeden (ausgewählten) Knoten, für den eine Schädigung bestimmt werden kann. Das Ergebnis der Schädigungsberechnung wird für jede Kraftgruppe einzeln gespeichert und kann anschließend zur Gesamtschädigung aufsummiert werden. Da in der Regel nicht alle Knoten der Struktur gefährdet sind – meist geht die Schädigung von der Oberfläche aus – kann der Benutzer nach verschiedenen Kriterien Knoten für seine Lebensdauerberechnung auswählen. So reduziert sich die Anzahl der zu untersuchenden Knoten ganz erheblich und es wird Rechenzeit eingespart. Die Übernahme von Daten aus Femap erfolgt durch Makros, die mit winLIFE ausgeliefert werden. Die Ergebnisse von winLIFE und die Schädigung der einzelnen Knoten kann von dem FE-Programm durch Farben gleicher Schädigung dargestellt werden. Der Benutzer hat bei allen Datentransaktionen zwischen winLIFE und Femap die gewohnte Benutzeroberfläche zur Verfügung, sodass eine schnelle Einarbeitung in die Bedienung gewährleistet ist. Eine Anbindung an andere als die hier aufgeführten FE-Programme ist möglich, da die Schnittstellen in winLIFE als ASCII-Files ausgeführt und gut dokumentiert sind.

Materialdaten

Bauteilbelastung
In vielen Fällen hilft es, wenn die die Lebensdauer charakterisierenden Daten an Hand von statischen Werkstoffkennwerten generiert werden. winLIFE bietet mehrere Möglichkeiten für das örtliche Konzept – darunter auch das weithin akzeptierte Uniform Material Law – an. Für das Nennspannungs- und Kerbspannungskonzept ist ein Wöhlerliniengenerator enthalten, der basierend auf statischen Werkstoffdaten und Informationen über das Bauteil Wöhlerlinien generiert.

Lebensdauerberechnung von Zahnrädern

Die Berechnung von Zahnrädern und Lagern folgt formal ähnlichen Gesetzmäßigkeiten wie die von allgemeinen Maschinenbauteilen. Es wurde daher ein Modul für diese Berechnungen geschaffen, das in der Benutzeroberfläche von winLIFE ab der Version 2.0. integriert ist. Der Ablauf der Berechnung entspricht dem des Basis-Moduls, so dass die Einarbeitung in die Programmbedienung sehr kurz ist.
Lebensdauerberechnung von Zahnrädern

Multiaxiale Berechnungsverfahren

Multiaxiale Berechnungsverfahren
Die Berechnung von Bauteilen, bei denen sich die Hauptspannungsrichtungen drehen, ist deutlich komplexer als wenn keine Änderung der Hauptspannungsrichtung stattfindet. Dieser als multiaxiales Problem bezeichnete Fall weist meist eine größere Zahl von äußeren Belastungen auf, minimal sind 2 äußere Belastungen erforderlich z.B. eine Welle unter Torsion und Biegung. Oft treten aber auch dutzende oder gar hunderte von unabhängigen Belastungen auf, die meist durch gemessene Zeitsignale definiert sind. Derartige Probleme findet man in verschiedenen Bereichen der Technik wie z.B. in Fahrzeugkarosserien, Achskomponenten, Kurbelwellen, Rotationsnaben in Windenergieanlagen, etc.. Bei multiaxialen Problemen ist die Rechenzeit um ein Vielfaches größer als bei uniaxialen oder biaxialen Problemen. Daher werden nur die Knoten auf der Oberfläche betrachtet. Da ein Schaden normalerweise von der Oberfläche ausgeht, ist diese Einschränkung keine Begrenzung der Problemlösungsfähigkeit. Da auf der Oberfläche ein ebener Spannungszustand vorliegt, wird die Berechnung dadurch weiter vereinfacht.

Weitere Informationen – Schulungen

Wichtig für eine sinnvolle Nutzung des Programms ist, dass sich der Benutzer in die Thematik der Betriebsfestigkeit einarbeitet. Nur so kann er seine Ergebnisse richtig interpretieren. Dazu werden in regelmäßigen Abständen Seminare angeboten, die in die Grundlagen einführen.

Kontaktmöglichkeiten

Erfahren Sie mehr über winLIFE:
04181/40672-00
info@smart-fem.de