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Hallo zusammen,
ich bin neu hier und würde mich sehr freuen, wenn mir jemand bei meinem Problem helfen könnte.
Bei den Bauteilen, die ich in unserer Firma mit ANSYS Workbench untersuche, treten bei der Berechnung immer wieder Überschreitungen der Fliessgrenze auf, die aber auf die Dauerfestigkeit keinen Einfluss zu haben scheinen. Das geschieht in der Regel durch hohe Schraubenvorspannungen, wodurch die Teile schon im unbelasteten Zustand eine plastische Verformung erfahren. Die Amplitude der Schwellspannung ist bei dynamischer Betrachtung jedoch rel. gering.
Mit einem linearem Materialmodell lässt sich hier aber leider kein Festigkeitsnachweis führen, weshalb ich vermehrt versuche mit einem multilinearem Materialmodell zu rechnen. Da es sich um einen spröden Gusswerkstoff (GJS-400-18LT) handelt, also ohne ausgeprägte Fliessgrenze, erhalte ich erwartungsgemäss in den betroffenen Bereichen (Innenradien) Spannungswerte, die deutlich über der Fliessgrenze liegen. Mein Problem ist jetzt: Trage ich diese zu hohen Werte in ein Dauerfestigkeitsdiagram (nach Smith) ein, liegen die Oberspannungen ja natürlich schon oberhalb des zul. Bereichs und ein Dauerfestigkeitsnachweis kann nicht geführt werden, selbst wenn die Amplitude nur minimal ist. Wie kann ich nun diese aus der FEA gewonnen Spannungswerte für einen Dauerfestigkeitsnachweis verwenden? Gibt es eine Möglichkeit das Dauerfestigkeitsdiagramm (am liebsten nach Smith) diesbezüglich anzupassen. Hier fehlen mir wohl gewisse Grundkenntnisse.

Vielen Dank vorab und schöne Grüsse

Tilman

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Ich glaube, man kann nicht vieles nachweisen, wenn das System unter der Belastung bricht.

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Grüße, Moe

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also wenn etwas fließt dann bricht es noch lange nicht - die meisten Überschreitungen der Fließgrenze nehmen wir  gar nicht war.
Und das etwas danach noch in Ordnung ist sind kaltverformte Bleche.
Zum Nachweis - man kann den Nachweis auch mit den plastischen Dehnungen führen und den Schaden akkumulieren. Da habe ich allerdings keine guten Unterlagen an der  Hand und die würden Dir auch nicht weiterhelfen, aber vielleicht suchst Betriebsfestigkeitsnachweis mit plastischen Dehnungen

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Gruß
Gerd
Hunde haben ein Herrchen oder Frauchen - Katzen haben Personal.

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DFS_gekerbter_Rundstanb.png

Hallo Gerd,

vielen Dank für deine Antwort. Mit den von Dir genannten Stichwörtern landet man bei dem sehr umfangreichen Thema der unterschiedlichen Bemessungskonzepten. So gerne ich mich hier besser auskennen würde, schießt das alles ein bisschen am Ziel vorbei. Ich habe schon versucht mich in das Thema ein zu arbeiten, konnte dann aber nie so richtig den Bogen zu meinen FE-Analysen spannen.
Im Roloff/Matek Maschinenelemente habe ich im Kapitel „Konstruktionskennwerte“ folgendes exemplarisches Diagramm gefunden. Der Sachverhalt dazu wird nur sehr vereinfacht beschrieben, entspricht aber im Grossen und Ganzen meinem oben genannten Problem. Undzwar dass lokal (in einer Kerbe) eine Plastifizierung auftritt und dadurch in genau diesem Bereich die Spannung über die Fliessgrenze hinaus ansteigt. Dadurch verschiebt sich die Obergrenze (R_e) des dauerfesten Bereichs im Dauerfestigkeitsdiagramm etwas nach oben (R_ek). In meinem Fall würde ich die in der FEA ermittelten Spannungen aus dem plastifizierten Bereich als Obergrenze meines Dauerfestigkeitsdiagramms eintragen.
Aber ist es wirklich so einfach? Muss ich sig_o und sig_u dann auch noch irgendwie verschieben? Muss ich für spröde (Guss-)Werkstoffe noch etwas beachten?

Vielleicht hat ja noch jemand hilfreiche Anmerkungen dazu

Danke Vorab und Grüsse

Tilman

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Hallo,

vorab würde ich Dir empfehlen, dich in das Thema Betriebsfestigkeit einzuarbeiten.
Als Grundlage zu einem Betriebsfestigkeitsnachweis (spannungsbasiert) würde ich die FKM-Richtlinie empfehlen.
Daraus geht dann auch hervor, welche Parameter (Material, Bauteildimensionen, Temperatur, Oberfläche, Spannungsgradienten, Randschicht, Spannungsverhältnis, etc.) die Betreibsfestigkeit von Bauteilen beeinflussen.
Ohne weitere Einarbeitung ist davon abzuraten, Aussagen über die Bauteilfestigkeit zu machen.

Auch für den statischen Nachweis sind hier u.U. Spannung oberhalb der Fließgrenze zulässig. Das ist aber wieder von unterschiedlichen Faktoren abhängig.

Leider gibt es auf Deine Frage nicht die eine einfache Lösung

Trotzdem Viel Erfolg

Gruß Max

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Hallo,

wie wäre es, wenn Du die plastischen Verformungen unter dem Schraubenkopf einfach vernachlässigst? Würde man z.B. die Spannungen unter dem Schraubenkopf jedesmal versuchen nachzuweisen, würde kein Bauteil halten.

Übrigens ist der GJS-400-18U-LT KEIN spröder Gusswerkstoff. Dieser ist recht zäh. Einfach mal ein kaputtes Bauteil aus GJS-400-18U-LT ansehen. Die Schadensorte sehen aus als wäre es Stahl.

Gruß Norbert

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Schnitt.png Spannungen.png

Hallo zusammen,

freut mich, dass sich immer mehr Leute meinem Problem annehmen.

@Max: Wie geschrieben, ich habe mich in die Thematik schon etwas eingearbeitet und konnte auch einige wichtige Schlüsse daraus ziehen. Um die FKM-Richtlinien habe ich mich aber bisher erfolgreich gedrückt. Wahrscheinlich komme ich mit diesem autoritären Wort „Richtlinie“ nicht klar. Aber ich werde auf Dauer wohl nicht drum herum kommen und mir das Buch zulegen. Danke für den „Anschubser“.

@Norbert: Guter Hinweis. In meinem Fall ist das aber leider etwas anders. Es geht nicht um die Verformung direkt unter Schraubenköpfen. Hier geht es um die Verformung des gesamten Bauteils aufgrund von vorgespannten Befestigungselementen. Das ist konstruktiv leider nicht anders zu lösen (bzw. wird seit 100 Jahren so gemacht – Eisenbahnoberbau).
Ich habe ein Beispiel angehangen. Hier wird eine Radlenkerschiene (Entgleisungsschutz bei Eisenbahngleis) mit einer Hakenschraube (eine Haken mit einem Gewinde am anderen Ende) an einer Radlenkerplatte (Verbindungsteil zwischen Schwelle und Schienen) befestigt.

P.s.: Keine Angst beim Eisenbahn fahren. Im Eisenbahnoberbau werden alle sicherheitsrelevanten Teile mit sehr konservativen Lastannahmen in genormten Versuchen geprüft. Und wenn mal doch eine Platte bricht, ist das nicht bedenklich. Nur wenn alle Platten gleichzeitig brechen…

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Hallo Tilman,

so wie es aussieht, wirst Du um einen bruchmechanischen Nachweis nicht herumkommen. Die klassische Dauerfestigkeitsberechnung geht ja von elastischem Materialverhalten aus. Treten plastische Verformungen auf, so ist in diesen Bereichen mit genügend hoher Lastwechselzahl ein Anriss zu erwarten. Und mit einem bruchmechanischen Nachweis läßt sich diese Problematik lösen.

Gruß Norbert

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Dyn-Festigkeitsnachweis.png Konstruktionsfaktor.png

Danke nochmal für Deine Hilfe. Auf Euer Anraten verwerfe ich den Plan für dyn. Festigkeitsnachweise mit Metallplastifizierung zu rechnen.
Stattdessen werde ich mich als erstes mal intensiver mit dem (klassischen) rechnerischen Ermüdungsfestigkeitsnachweis beschäftigen (siehe Bild 1 aus Roloff/Matek). Hierzu sind eigentlich alle Daten (Oberflächenfaktor, Grösseneinflussfaktor, Wechselfestigkeit,…) vorhanden. Einzig bei der Berechnung der Konstruktionsfaktors K_D scheitere ich an der Kerbformzahl alpha_k, welche ich für die Berechnung der Kerbwirkzahl beta_k brauche. Die Stützziffer kann ich mir mit Hilfe des Spannungsgradienten an der betroffenen Stelle aus dem FEM-Ergebnis bestimmen. Aber diese verdammte Kerbformzahl. Es gibt ja jede Menge Tabellen für häufig auftretende Kerbformen. Aber das ist ja alles nur für Flachstäbe und Rundstäbe – für ein komplexeres Gussteil leider garnicht zu gebrauchen.
Nun eine (hoffentlich) letzte Frage an die Experten: Wie komme ich an die Kerbformzahl? Kann ich die vielleicht auch irgendwie aus dem FEM-Ergebnissen herleiten? Oder bin ich wieder auf dem Holzweg?

Danke vorab und eine schönes Wochenende

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Ich habe noch eine Arbeit im Internet gefunden (welche sich auf FKM-Richlinien bezieht) in der der Konstruktionsfaktor ganz ohne Formzahl wie folgt berechnet wird:

K_WK,sigma = 1 / (n_sigma  * K_FK,sigma * K_V)

K_WK,sigma -> Konstruktionsfaktor
K_FK,sigma -> Rauheitsfaktor
K_V -> Randschichtfaktor
n_sigma -> Stützzahl

Damit wäre meine Frage eigentlich beantwortet. Mit einer hohen Stützzahl wird der Konstruktionsfaktor kleiner, wodurch die ertragbare Amplitude größer wird. U.U liegen die ertragbaren Spannungen aufgrund der Stützwirkung  auch über der Fliessgrenze - und der Dauerfestigkeitsnachweis kann trotzdem erbracht werden.

Ist das korrekt?

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Hallo,

Formzahlen benötigt man nur, wenn man mit Nennspannungen rechnet und dann eine Kerbe bewerten möchte. Du rechnest doch aber die Spannungen mittels FEM direkt aus, also enthalten Deine Ergenbisse die Formzahl bereits.
Gruss Stabbels

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Hi,

Für Kerbzahlen kann ich Peterson's "Stress concentration factors" empfehlen.

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Gruß, A.

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Danke für die letzten beiden Beiträge.
Wie Stabbels es auch schon festgestellt hat, brauche ich die Formzahlen / Kerbzahlen ja garnicht, wenn ich meine Spannungen mit FEM berechne.

Mir stellt sich nun immer noch die Frage, in welcher Weise ich mein Dauerfestigkeitsdiagramm modifizieren darf/kann, so dass die Stützzahl n, der Oberflächenfaktor K_o, technologischer Größeneinflussfaktor K_t etc. berücksichtigt werden.
In einem DFS analog zu dem welches ich weiter oben mal angefügt hatte würde das meiner Vermutung nach vielleicht so aussehen.

R_ek = R_e * n * K_t
Sigma_GW = sigma_W * n * K_t * K_o

Bei R_ek fliessen K_o nicht mit ein, weil die Oberflächenrauhigkeit bei quasi-statischer Belastung kaum Einfluss auf die Festigkeit hat.

Das ist jetzt aber nur eine Vermutung. Ich hoffe, dass ich in den FKM-Richtlinien Gewissheit finde, bzw. die „richtige“ Methode ähnlich unkompliziert ist. Bin leider noch nicht dazu gekommen diese zu bestellen.

Schöne Grüße

Tilman

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