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Drueckwerkzeug.jpg

Hallo zusammen,
kann man, und wenn ja wie, in Pro/M einen Eigenspannungszustand, wie er beispielsweise durch ein Drückwerkzeug entsteht, in der Modellbildung für eine anschließende Baueilberechnung (z.B. auf Biegung) berücksichtigen?

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Hallo Wyndorps,

prinzipiell ja, als Vorspannungsanalyse. Die erste Analyse darf aber keine Kontaktanalyse sein (also Druckkraft als Kraft aufbringen) und muss sich im elastischen Bereich abspielen (keine plastischen Verformungen). Ist nicht ganz einfach, so etwas, aber möglich (habe dies vor ca. 2,5 Jahren getestet). Dies ist vor allem dann erforderlich, wenn die beiden Anlysen unterschiedliche Randbedingungen haben.

Gruss Paul

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Gruß von Paul zu Paul.
Danke für die Antwort. Ich glaube leider, dass dieser Weg für mein Ansinnen nicht geeignet ist. Derartige Prägungen sind plastische Verformungen, die bei der Fertigung in das Bauteil eingdrückt werden. Nach dem Entfernen des Drückwerkzeuges federt der elastische Anteil der Verformung wieder zurück. Dadurch ergeben sich im entspannten Gleichgewichtszustand im Prägebereich Druckeigenspannungen innerhalb des Bauteils.

Wird nun dieses Bauteil (also ohne aufgesetztes Drückwerkzeug) z. B. dynamisch auf Biegung beansprucht, so werden die Spannungsspitzen im Bereich der Querbohrung (hohe Kerbwirkung) verringert und damit die Dauerfestigkeit erhöht.

Diesen Vorgang würde ich gerne anhand eines "einfachen" FEM-Modells (Pro/M, was anderes kann ich leider noch weniger bedienen) demonstrieren.

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Hi Paul,

nun hast Du mit MECHANICA nicht das richtige Werkzeug für Dein Vorhaben, denke ich. Plastizität ist mit MECHANICA (noch) nicht möglich.

Gruss Paul

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Mir ist klar, dass ich keine Plastizität mit Pro/M berechnen kann, was aber eventuell doch möglich sein könnte ist, dass man die sich aus einer plastischen Vorverformung ergebenen Eigenspannungen als Eingabe, wie Last-Randbedingungen oder Ähnliches definiert.

Die eigentliche FEM-Berechnung läuft auf jeden Fall nur im elastischen Bereich.
Übrigens etwas vergleichbares macht man sehr häufig bei Federn. Da nennt man das Ganze dann "Vorsetzen".
Erst schon einmal Danke und Grüße, Paul Wyndorps

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Hallo Paul,

ich würde folgendermaßen vorgehen:

1) Geometrie vierteln, soweit der Betriebslastfall diese Symmetrieausnutzung erlaubt (auch die Belastung vierteln!). Einzelteilbetrachtung: Flächenbereich für die Kraft des Drückwerkzeugs definieren. Kaftverteilung funktionsgesteuert: 3D-Ellipse, sozusagen. Für die erste Analyse Gegenkraft erzeugen und nur einen Punkt in vertikaler Richtung festhalten (Gleichgewichtsmodell). Es gibt keine Singularitäten, wenn das Gleichgewicht OK ist. 2 Symmetrie-RB, kein Kontakt, da Einzelteil. So müsste es funktionieren.

2) Die 2. Analyse-Vorspannungsanalyse nutzt die vorbelastete Struktur und vor allem DAS NETZ der ersten Analyse. D. h. wenn Du z. B. in der Vorspannugnsnalyse eine "Gesamtlast auf Punkt" erzeugst, gibt es Probleme, dass MECHANICA das alte Netz nicht übernehmen kann etc.
Die Vorspannungsanalyse ist nichtlinear, also kann gewisse Zeit dauern. Sollte es nicht klappen, dann könntest Du das Modell ins Forum stellen. Ich wäre erst in der KW6 wieder im Büro, aber vielleicht könnte bis dahin jemand anderer weiterhelfen.

Gruss Paul

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Vielen Dank für die Hilfe. Das ganze brennt mir terminlich nicht unter den Füßen. Es war zunächst nur der Gedanke, ob man mit den mir zur Verfügung stehenden Bordmitteln derartige Vorgäng durch eine Visualisierung verständlicher und nachvollziehbarer machen kann.

Wenn das Thema in der Vorlesung behandelt wird haben die StudentInnen nämlich immer so ein großes Fragezeichen zwischen den Augen stehen.

Ich werde mich also einmal ganz vorsichtig an ein entsprechendes FEM-Modell heranwagen und schauen, was ich da zustande bringe.

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Zitat:

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Original erstellt von Wyndorps:

Dadurch ergeben sich im entspannten Gleichgewichtszustand im Prägebereich Druckeigenspannungen innerhalb des Bauteils.

Wird nun dieses Bauteil (also ohne aufgesetztes Drückwerkzeug) z. B. dynamisch auf Biegung beansprucht, so werden die Spannungsspitzen im Bereich der Querbohrung (hohe Kerbwirkung) verringert und damit die Dauerfestigkeit erhöht.

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Na ja, nicht nur den StudentInnen, sondern mir ergeben sich da auch noch ein paar Fragen und Anmerkungen.

Druckeigenspannungen können nicht alleine in einem Bauteil auftreten. Stichwort Gleichgewicht. Dann muss es also auch Zugeigenspannungen geben. Überhaupt, ist das Bauteil auch ohne die plastischen Prägungen nicht frei von Eigenspannungen, wie geht dies in die Betrachtung mit ein?

Meines Erachtens haben die Eigenspannungen durch die Prägungen wie in der Skizze dargestellt keinen Einfluss auf die Höhe der Spannungsspitze, die ja direkt im Kerbgrund auftritt! Ich lasse mich aber gerne belehren, was da vor sich gehen soll...

Ich würde da eher mal in anderer Richtung nachforschen. Der Kerbenpapst "Neuber" stellte mal treffend fest:

Eine bereichsweise Erhöhung der Spannungen kann zur Erhaltung des Gleichgewichtes in einem benachbarten Bereich eine Erniedrigung der Beanspruchung zur Folge haben ("entlastende Kerbwirkung").

Und die Prägung wirkt natürlich als Kerbe, abhängig von Tiefe und Krümmung... Da hilft Ihnen eine simple linear-elastische Rechnung sicherlich weiter..

MfG,
Meijer

[Diese Nachricht wurde von Meijer am 21. Jan. 2007 editiert.]

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Zitat:

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Original erstellt von Meijer:
Druckeigenspannungen können nicht alleine in einem Bauteil auftreten. Stichwort Gleichgewicht. Dann muss es also auch Zugeigenspannungen geben.

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Richtig, z. B. bei Biegebeanspruchung tritt die maximale Biegenennspannung an der Bauteiloberfläche auf. Gelingt es nun in diesem Bereich durch eine "negative Vorspannung" zu einer Reduzierung der Maximalspannung zu kommen, so kann die Spannungserhöhung aus dem Gleichgewicht im Inneren des Bauteils problemlos verkraftet werden. Das Bauteilvolumen wird nur gleichmäßiger beansprucht, also besser ausgenutzt. Der Vorgang ist in G. Niemann, Maschinenelemente Bd. 1, 4. Auflage, 2005 dokumentiert.

Zitat:

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Original erstellt von Meijer:
Überhaupt, ist das Bauteil auch ohne die plastischen Prägungen nicht frei von Eigenspannungen, wie geht dies in die Betrachtung mit ein?

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Natürlich hat jedes Bauteil Eigenspannungen. Diese sind aber nicht das Ziel meiner Analyse. Ich möchte nur die in der Literatur beschriebene Wirkung einer kaltgedrückten Kerbe überprüfen und darstellen.

Zitat:

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Original erstellt von Meijer:
Meines Erachtens haben die Eigenspannungen durch die Prägungen wie in der Skizze dargestellt keinen Einfluss auf die Höhe der Spannungsspitze, die ja direkt im Kerbgrund auftritt! Ich lasse mich aber gerne belehren, was da vor sich gehen soll...

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Nach Gustav Niemann, Maschinenelemente von 1963 und 1981 soll es diesen Efffekt sehr wohl geben. Weiter verwiesen wird dort auf G. Seeger, "Wirkung der Druckvorspannungen auf die Dauerfestigkeit metallischer Werkstoffe", 1935 und G. Seeger, "Kerbwirkung an quergebohrten Torsionswellen", 1948. (Diese Arbeiten habe ich aktuell nicht zur Verfügung.)
In der 4. Auflage des Niemann von 2005 taucht das Drücken als festigkeitsteigernde Maßnahme nicht mehr eigenständig auf, was wahrscheinlich einerseits auf den mit der FKM-Richtlinie eingeführten Randschichtfaktor und andererseits auf die abnehmende Bedeutung der Querbohrung als WNV zurückzuführen ist.

Zitat:

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Original erstellt von Meijer:
...Und die Prägung wirkt natürlich als Kerbe, abhängig von Tiefe und Krümmung... Da hilft Ihnen eine simple linear-elastische Rechnung sicherlich weiter..

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Dass die rein geometrische Kerbe als Entlastungskerbe wirkt ist unbestritten. Nach einem Vorlesungsskript von Prof. Gold (RWTH Aachen) wird mit einer mechanisch hergestellten Entlastungskerbe dieser Art eine Steigerung der Gestaltfestigkeit um bis zu ca. 13% erreicht, mit einer kaltgedrückten Entlastungskerbe dagegen bis zu 35%. Und genau um diesen Unterschied geht es mir.

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Vielen Dank für die Infos! Nun interessiert es mich auch genauer. Werde mich bemühen, im Lauf der Woche mal so einen Eindrückvorgang incl. plastischer Verformungen zu rechnen.

Literaturstellen hin und her - die habe ich gerade leider nicht zur Verfügung. Es ist klar, dass sich Druckeigenspannungen günstig auswirken. Ob sich die Eigenspannungsverteilung, verursacht durch die gedrückten Kerbe, deutlich bis auf die Spannungsspitze an der Bohrung auswirkt, bleibt für mich erstmal unwahrscheinlich.

Hat der Herr Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter W. Gold irgendwelche experimentellen Daten vorliegen? Auch wären seine verwendeten Geometrien interessant. Leider konnte ich das besagte Skriptum nicht zum download finden.

MfG,
Meijer

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Hallo,

wenn man das Eigenspannungsfeld halbwegs sinnvoll abschätzen kann, was ja nicht ganz einfach ist, würde ich es als Temperaturverteilung aufbringen, alles andere führt zu einer völlig falschen Verteilung ( keine Spannungsfreiheit an der Oberfläche).

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Gruss

Dr. Christian Imiela
SMS-Demag
Strukturanalysen

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file001.jpg file.gif

eine überschlägige rechnung konnte ich mal zwischenreinschieben. zu
mehr wirds diese woche wohl auch nicht mehr reichen.. in dieser materiellen und geometrischen konstellation treten zugeigenspannugnen am kerbgrund auf. denkbar ist es wohl schon, dass durch geeignete
wahl von entfernung/geometrie - noch dazu materialabhängig - sich
auch druckeigenspannugnen erzeugen lassen. aber als konstruktionspraxis wohl als leicht abenteuerlich einzustufen.

MfG,
Meijer

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Erst einmal ganz herzlichen Dank für die Bemühungen. Ich selber komme leider vorerst nicht dazu, mich damit ernsthaft auseinander zu setzen.

Zitat:

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Original erstellt von Meijer:
... aber als konstruktionspraxis wohl als leicht abenteuerlich einzustufen...

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Das ist genau das, was ich auch befürchte. Daher das Ansinnen einer Simulation um es dann, wenn es denn wirklich praktikabel ist, auch veranschaulichen zu können.
In der Praxis gesehen habe ich die gedrückten Entlastungskerben bisher jedenfalls noch nicht.

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Soweit ich mich erinnere gab es mal am Institut für Werkstoffmechanik der TU Darmstadt eine Dissertation zum Thema Festwalzen.

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Gruss

Dr. Christian Imiela
SMS-Demag
Strukturanalysen

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