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Hallo zusammen,

ich würde gerne einen zylindrischen Stab multiaxial belasten und dies mit ANSYS Workbench R15 simulieren. Dabei soll der Stab eine hohe Druckbelastung zwischen den Stirnseiten bei gleichzeitiger Torsion erfahren. Der Stab wird also plastisch verformt, somit habe ich als Materialmodell die isotrope, bilineare Verfestigung mit entsprechendem Tangentenmodul gewählt. Ich habe eine Statisch-mechanische Analyse durchgeführt:
- Eine Stirnseinte fixiert gelagert
- Gegenüberliegende Seite mit einem bestimmten Druck belastet
- Externe Verschiebung: Rotation um Z-Achse (10°)

Ich möchte mir hieraus die elastischen, plastischen und Totaldehnungen sowie Vergleichsspannungen anzeigen lassen.
Die Dehnungen bleiben mit oder ohne der Randbedinung "Externe Verschiebung" gleich. Woran liegt das?
Verfestigt das Material auch bei Torsion oder nur bei Druck und Zug?
An den Einspannbereichen sind fleckenartige Bereiche mit unterschiedlichen Spannungen/Dehnungen vorhanden. Warum?

Des Weitern würde ich gerne die Simulation dynamisch ablaufen lassen. Würde sich hierfür Explizite Dynamik (LS-Dyna) anbieten?
Wäre es auch möglich die Simulation dynamisch/zyklisch berechnen zu lassen? Mit welcher Software könnte man eine Dauerfestigkeitsbetrachtung unter Berücksichtigung plastischer Effekte durchführen?

Vielen Dank im Voraus.

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Hallo,

zur ersten Frage:
Da läuft was mit den Randbedingungen falsch. Diesen Einfluss wird man sehen, wenn die Torsion ankommen kann (hängt vermutlich davon ab, wie diese Randbedingung definiert ist, Bild oder Modell wäre hilfreich).
Zweite Frage: ersteres.
Dritte Frage: Das liegt an der Singularität durch die fixierte Lagerung (unendliche Steifigkeit).

Vierte Frage: Dyna kann man im Prinzip dafür nutzen. Das macht aber nur Sinn, wenn der dynamische Effekt eine Rolle spielt (also z. B. die Art und Weise wie die Schockwelle durch die Belastung durch das Bauteil durchläuft). Ist das der Fall? Bei einem Meißel für einen Bohrhammer könnte ich mir das vorstellen. Aber damit rechnet man dann trotzdem keine 100 h Einsatzzeit, weil 1 Sekunde für explizite Verfahren schon lang ist. 
Bei einer drehenden Welle gibt es keine Schockwelle, weil die Belastung zu langsam ist. Bei solchen "langsamen" zyklischen Lasten geht es einfach nur um die Zyklenzahl, um das Aufsummieren der Schädigung. Bei geringen Zyklenzahlen (Low Cylcle Fatigue, LCF, bspw Anfahren einer Turbine) kann man das per FE  noch rechnen. Bei hohen Zyklenzahlen (High Cycle Fatigue, HCF) macht man das nicht mehr, sondern nutzt andere Verfahren (z. B. Neuber, http://www.werner-stahl.de/LeseprobenBuch3/3_1.4.2.html).
Zum letzten Punkt: Das ist eher eine Frage, wie die Bewertung stattfinden soll; wenn das klar ist, kann man über "welches Werkzeug nehme ich" nachdenken.
Viele Grüße
CG

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Christof Gebhardt

CADFEM GmbH
Marktplatz 2
85567 Grafing
Tel. +49 (0) 8092 7005 65
cgebhardt(at)cadfem.de
www.cadfem.de

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Hallo Herr Gebhardt,

vielen Dank für die schnelle und vorallem hilfreiche Antwort.
Ich hatte wohl die Randbedingungen falsch gesetzt. Jetzt sieht man einen Einfluss der Torsion.
Wobei sich hier eine neue Frage auftut: Die Randbedingung "Externe Verschiebung" habe auch der Stirnseiten angebracht (siehe Bild1). Warum verteilt sich hier die torsionale Dehnung nicht gleichmäßig über die gesamte Länge des Stabes (siehe Bild2)?
Könnte man sich hieraus das Drehmoment anzeigen lassen, welches für die Drehung um 10° notwendig war? (Drehmoment = Schubspannung * polares Trägheitsmoment?)

Bei der zyklischen Simulation im LCF Bereich sollte der Stab zyklisch um +10° -10° (+ Druckbelastung) tordiert werden.
In Bild3 ist das Spannungs-Dehnungsdiagramm abgebildet. Theoretisch müsste das Material bei dynamischer Belastung schneller verfestigt werden, als bei quasi-statischen Abläufen. (Schockwellen etc. spielen keine Rolle)
Kann man dies in ANSYS berücksichtigen?

Viele Grüße
Jonas

Bilder folgen.

[Diese Nachricht wurde von JarmenK am 04. Apr. 2016 editiert.]

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Hallo,

das Drehmoment kann man direkt als Ergebnisgröße auswerten. Dazu bei den Ergebnissen die Kategorie "Probe" und dann "Moment Reaction" wählen.

Zur letzten Frage: Ja, Verfestigung berücksichtigt ANSYS, aber das was ich an dieser Frage nicht verstehe ist der unterschied von "dynamisch" und "quasi-statisch". Wo soll der herkommen, wenn die Dynamik "keine Rolle spielt" (letzteres interpretiere (!) ich aus der Aussage, Schockwellen spielen keine Rolle)?

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Christof Gebhardt

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Hallo Herr Gebhardt,

ich kann die Bilder leider nicht hoch laden, mir wird hier ein Error angezeigt.

Ich habe mich unklar ausgedrückt. Also Schockwellen spielen bei meiner Betrachtung keine Rolle, deswegen ist Dyna hier wohl nicht das richtige Werkzeug. Ich habe jetzt erstmal einen Belastungszyklus simuliert. Als nächsten Schritt möchte ich dann versuchen mehrere Zyklen zu simulieren und zu vergleichen. Die Dynamik hat insofern einen Einfluss, dass Ermüdungseffekte auftreten (z.B. Material Entfestigung).

Zitat:

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Original erstellt von cgebhardt:

Bei solchen "langsamen" zyklischen Lasten geht es einfach nur um die Zyklenzahl, um das Aufsummieren der Schädigung. Bei geringen Zyklenzahlen (Low Cylcle Fatigue, LCF, bspw Anfahren einer Turbine) kann man das per FE  noch rechnen.

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Das würde ich jetzt gerne versuchen wollen, wie müsste ich hier vorgehen?

Viele Grüße
Jonas

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0.JPG 1.JPG 4.JPG

Hallo zusammen,

ich habe das Problem noch nicht lösen können:

Warum verteilt sich die plastische Dehnung bei torsionaler Verschiebung um 10° nicht gleichmäßig über die gesamte Länge des Stabes (siehe Bilder)? Die Gesamtverformung verteilt sich gleichmäßig über die Länge.
Den größten Anteil der plastischen Dehnung ist nur im Bereich, wo die Externe Verschiebung angesetzt ist, warum?

Viele Grüße
Jonas

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Das ist ein Effekt der Randbedingung.
Wie jede Randbedingung (außer Symmetrie) ist auch diese "falsch" (bewusst provokant, damit es hängen bleibt ;-)).
Warum? Weil sie den Rest der Welt ersetzt, der komplexer ist als das was die Randbedingung leistet. Das Torsionsmoment wird in der Realität ja ganz anders eingeleitet als in diesem Modell, deshalb kann das Modell an dieser Vereinfachung kein hochgenaues Ergebnis liefern.
Das ist auch der Grund, weshalb man direkt an Randbedingungen nicht auswerten soll (außer bei Symmetrie, da geht das).

Viele Grüße
CG

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Christof Gebhardt

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Hallo Herr Gebhardt,

vielen Dank für Ihren Beitrag. Das mit den Randbedingungen ist mir nun einleuchtend. Die Bereiche nahe der Randbedingungen sind für mich erstmal unwichtig.

Ich habe eine weitere Frage:
Ich habe mir über das Betriebsfestigkeits-Tool die Lebensdauer bis zur zu Risseinleitung angeschaut.
Also mithilfe der "Ermüdungslebensdauer aufgrund von Dehnungen" (Strain Life). Dazu habe ich die Manson-Coffin-Koeffizienten (einachsiale Wöhlerkennlinie) in den Technischen Daten hinterlegt. Kann ich mir nun die Plastische Dehnung, nach einer von mir gewählten Anzahl von Zyklen unter den oben beschriebenen Randbedingungen (proportionale multiaxiale Belastung, elasto-plastisches Modell mit isotroper Verfestigung) ausrechnen lassen?

Vielen Dank im Voraus und viele Grüße
Jonas

[Diese Nachricht wurde von JarmenK am 19. Jul. 2016 editiert.]

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01.JPG 02.JPG 03.JPG

Hallo zusammen,

ich hoffe, dass mir irgendjemand helfen kann.

Frage 1:
Spannungs-Dehnungs Hysteresekurven mithilfe der "Ermüdungslebensdauer aufgrund von Dehnungen" (Strain Life).
Wie kann man sich hier mehrere Zyklen plotten lassen. Bei mir zeigt er mir lediglich einen Zyklus an (Bild 1,2).

Frage 2:
Wenn ich einen Stab Multiaxial belaste (siehe Bild 3,4,5):
Mit einer Kraft & über die Externe Verschiebung 5° um die Z-Achse tordiere, erhalte ich ein Biaxialitätsverhältnis von ca. -1. Das würde bedeuten ich habe reine Torsion. Warum?

Wenn ich aber mit einer Kraft & einem Drehmoment arbeite, kommt eine plausibles Biaxialitätsverhältnis herraus. Bild 4.

Ich wäre sehr dankbar, wenn mir das jemand erklären könnte.

Viele Grüße
Jonas

[Diese Nachricht wurde von JarmenK am 22. Jul. 2016 editiert.]

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