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Hallo zusammen!

Ich habe mein Bauteil wunderbar mit Pro/M simuliert und die von Mises Vergleichspannung mit der Zugfestigkeit verglichen -> hält! (Werkstoff: Alu mit 10% Bruchdehnung)

Im weiteren Verlauf ist mir nun die FKM-Richtlinie für den rechnerischen Festigkeitsnachweis in die Hände gefallen. Bei der Durchführung des selbigen benötige ich zur Ermittlung der Hauptspannungen Werte für meine Spannungsmatrix. Das Problem des Ergebnisfenster bei Pro/M ist aber, dass mir ja immer die Extremwerte (über das gesamte Bauteil verteilt) angezeigt werden. Ich brauche aber die Werte immer für ein und den selben (kritischen) Punkt meines Bauteils.

Kann ich einen Punkt auswählen und mir für diesen die Spannungsmatrix anzeigen lassen?

Ist eine Nachrechnung mit der FKM-Richtlinie überhaupt sinnvoll / erforderlich, wenn die Gestaltänderungsenergiehypothese (von Mises) mir schon grünes Licht gibt?
-> Die Problematik ist die, dass eine Temperaturlast in Pro/M meine von Mises Spannung nicht verändert. In der FKM-Richtlinie hat die Temperatur aber sehr wohl einen nicht geringen Einfluss auf die Festigkeistwerte...

Vielen Dank für Eure Hilfe!
Tobsen

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Zitat:

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Original erstellt von tobsenmh:
Ist eine Nachrechnung mit der FKM-Richtlinie überhaupt sinnvoll / erforderlich, wenn die Gestaltänderungsenergiehypothese (von Mises) mir schon grünes Licht gibt? ...

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Die GEH kann kein grünes Licht für irgendetwas geben. Sie liefert nur eine einachsige Vergleichsspannung für einen mehrachsigen Spannungszustand. Defintiv keine Aussage liefert die GEH über das Zeitverhalten der Beanspruchungen.

In der analytischen Berechnung (Dauerfestigkeit nach Niemann 1982) werden daher sowohl eine Vergleichsmittelspannung, als auch eine Vergleichsausschlagsspannung auf der Basis von Nennspannungen ermittelt. "Grünes Licht" entsprechend "Bauteil hält" liefert dann erst die Bewertung der so ermittelten Vergleichsoberspannung (Mittelsp. + Ausschlagssp.) und der zu erwartenden Entwicklung der beiden bei Überlast zueinander gegen Grenzwerte, die als so genannte Gestaltfestigkeitskennwerte unter Berücksichtigung von Kerbwirkung, Größeneinfluß und Oberflächenverfestigungseinluß zu ermittlen sind. Bis vor einigen Jahren konnte man diese Zusammenhänge sehr gut in einem Dauerfestigkeitsschaubild z. B. nach Smith darstellen und ermitteln.
Mittlerweile ist dieses grafische Verfahren (Niemann) durch DIN743 abgelöst worden, dass prinzipiell auf derselben Vorgehensweise basiert, aber vereinfacht formuliert die dynamische Wirkung aller Einzel-Nennspannungen getrennt berücksichtigt und später zusammenführt. Damit ist leider die grafische Lösung nicht mehr möglich.

Die FKM-Richtlinie verfolgt verstärkt das Ziel, Aussagen über die Betriebsfestigkeit zu machen. Anwendungsbereich ist eher der Produktgüterbereich, der nicht nach Dauerfestigkeit sondern häufig nach Ausfallwahrscheinlichkeiten in ppm dimensioniert. Auch hier werden auf derselben physikalisch technischen Basis wie bei den obigen Verfahren verstärkt statistische Bewertungen und detailliertere Aussagen zum Zeitverhalten gemacht bzw. gefordert.

Eine FEM-Berechnung liefert für sich alleine genommen keinerlei Aussagen zum Zeitverhalten. Dazu sind zumindest mehrere Berechnungen erforderlich. Auf der anderen Seite liefert eine FEM-Berechnung keine Nennspannungen, wie die Berechnungsansätze nach Niemann bzw. DIN743 verwenden, sondern quasi-reale Lokalspannungen (quasi wegen Randwert,- Kontakt- oder Krafteinleitungsproblemen etc.). Damit entfällt bei korrekter Modellbildung der Kerbwirkungsansatz. Trotzdem müssen auch bei einer (bzw. mehrerer) FEM-Berechnungen die Wirkung der dynamischen Beanspruchung (Zeitverhalten) und des Größeneinflusses auf die Gestaltfestigkeit berücksichtigt werden.
Ein leider sehr weit verbreiteter Fehler ist der Vergleich der FEM-Spannungsergebnisse aus den Oberspannungen (maximale Belastung) mit der Streckgrenze des Werkstoffes ohne weitere Berücksichtigung des Zeitverhaltens. Pi mal Daumen reduzieren sich aber beispielsweise die ertragbaren Spannungen bei einer Wechselbeanspruchung auf 30% bis 50% der Streckgrenze.

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"Ich stimme mit der Mathematik nicht überein. Ich meine, daß die Summe von Nullen eine gefährliche Zahl ist."  (Stanislaw Jerzy Lec)

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Hallo Tobsen,

Wyndorps hat völlig recht, die GEH gibt kein grünes Licht für irgendetwas sondern stellt die Berechnungsvorschrift für eineVergleichsspannung dar, die für duktile Werkstoffe ganz gut zu gebrauchen ist. Nun zu Deinem konkreten Problem:

1. Der Festigkeitsnachweis ist immer zu führen, nach welchem Regelwerk bleibt Dir, Deiner Firma oder eurem Kunden überlassen. Die FKM Richtlinie ist nur eines von vielen.
2. Ob Du die Hauptspannungen oder die Vergleichsspannung verwenden kannst hängt von der "Mehrachsigkeit" Deines Problems ab. Bei nahezu einachsiger Beanspruchung kann man auch die Vergleichsspannung nehmen.
3. Die Hauptspannungen in dem Nachweispunkt kannst Du über Messgrößen auswerten lassen und in der FKM Richtlinie eingeben, oder näherungsweise über dynamische Abfrage bestimmen. Schwierig ist es dabei nur immer den gleichen Punkt zu treffen oder die Messgröße am Punkt maximaler Beanspruchung zu definieren. Weiterhin solltest Du in geeignetem Abstand weitere Meßgrößen definieren oder wenigstens eine Kante ( Flächen/(Volumenbereich) erzeugen um die Werte für das bezogene Spannungsgefälle aus der FEM und nicht durch die Näherungslösung aus der FKM zu erhalten.

HTH

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Gruss

Dr. Christian Imiela
SMS-Demag
Strukturanalysen

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Vielen Dank für deinen ausführlichen "Exkurs", wnydorps. Bei einer Suche der "DIN 743" auf beuth.de finde ich aber "nur" die Tragfähigkeistberechnung von Wellen und Achsen - Ich habe eine (kleine) Platte ("Flachstangenstück") zu beurteilen, welche so gut wie keiner Wechselbeanspruchung ausgesetzt ist. Wohl aber einer Temnperaturlast und so komme ich (wieder) zur FKM-Richtlinie, wo diese ja berücksichtigt werden kann:

(@Christian_imiela: Dir auch vielen Dank!) ->
Ich habe in meinem Modell jetzt mal den Punkt mit der größten von Mises Vergleichsspannung als KE definiert und dort alle Messgrößen für meine Spannungsmatrix definiert("****_P"). Ergebnis der Analyse:

      max_stress_prin:    7.759498e+01
      max_stress_vm:      8.885539e+01
      max_stress_xx:     -9.577115e+01
      max_stress_xy:      4.284806e+01
      max_stress_xz:     -4.131369e+01
      max_stress_yy:     -8.281024e+01
      max_stress_yz:     -1.965924e+01
      max_stress_zz:     -3.905439e+01
      min_stress_prin:   -1.016051e+02
      strain_energy:      6.496614e+01
      XX_P:              -9.577115e+01
      XY_P:               3.626954e+00
      XZ_P:              -2.302825e+01
      YY_P:              -3.872539e+01
      YZ_P:               3.184572e+00
      ZZ_P:              -5.654220e+00
      von-Mises_P:        8.885539e+01 

Aufgrund dieser Werte möchte ich jetzt gerne eine Aussage machen, ob dieser eine Punkt den Belastungen standhalten kann. Meine Spannungsmatrix hat die Eigenwerte: 0.1, 39, 103. Sind dies nun meine Hauptspannungen, mit denen ich in der FKM-Richtlinie meinen statischen Auslastungsgrad berechnen kann? Oder muss ich für eine solche Aussage einen anderen Weg einschlagen (siehe wyndorps Exkurs)?

Vielen Dank für Eure Hilfe!
Gruß
Tobsen

[Diese Nachricht wurde von tobsenmh am 17. Mrz. 2009 editiert.]

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Hallo Tobsen,

das Ding heisst übrigens Spannungstensor und nicht Spannungsmatrix. Nun zum Problem: Warum definierst Du dir nicht an deinem Punkt drei Meßgrössen mit Max Haupt, Min HAupt, oder generierst einfach einen Punkt und fragst im Standalone Mode die Hauptspannungen an diesm Punkt ab? Die geposteten Werte scheinen aus dem Report File zu sein und geben die Absolut höchsten Werte über das Modell an, nicht an einem Punkt. Wie sieht Deine Belastung aus? Die FKM Richtlinie berücksichtigt definitiv keine Temperaturbelastung, sondern reduziert nur die zulässigen Werte, wenn das Bauteil wärmer als Raumtemperatur ist. Das ist ein riesen Unterschied. Spannungen aus Temperaturbelastungen musst Du selbst ausrechnen, z.B. mit Mechanica. Auch gelten für Spannungen aus Temperaturbelastung andere Grenzwerte als für Mechanische Beanspruchungen, siehe z.B. AD Merkblätter.

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Gruss

Dr. Christian Imiela
SMS-Demag
Strukturanalysen

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Hallo Christian,

danke für Deine Antwort.
Sorry, ich hab mich wohl etwas unklar ausgedrückt. Die geposteten Werte stammen aus dem Report File, ja. Aber die kursiv dargestellten Messgrößen mit dem Index "X" sind von mir lokal definierte Messgrößen an dem Punkt mit der höchsten Vergleichsspannung nach von Mises.

Die Belastung meines Bauteils sieht wie folgt aus: Es wird "von oben" mit Kräften, die auf definierte Flächenbereiche wirken, beaufschlagt. Diese Flächenbereiche sind in der Realität die Auflageflächen von Unterlegscheiben (Die Kraft wird durch ein Drehmoment erzeugt). "Von unten" wirkt in einem Flächenbereich ein Gegendruck (System ist im Gleichgewicht). Dieser wird in der Realität von einem Stapel "erzeugt". Wenn der Stapel fertig verspannt worden ist, wird er noch auf ca. 80°C erwärmt. Ich habe dies auch als Temperaturlast berücksichtigt, aber diese verändert nur meine Dehungswerte, nicht die Spannungen (Randbedingungen geben genügend Raum zum Ausdehnen).

-> Kann ich die FKM-Richtlinie nun also nicht (sinnvoll) anwenden!?

Zitat:

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... gilt für Aluminiumwerkstoff bei Bauteiltemperaturen von -25°C bis 200°C (S. 4, 4., erweiterte Ausgabe 2002)

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Dank+Gruß
Tobsen

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Hast Du überhaupt eine schwingende Beanspruchung? Wenn nicht, dann reicht Dir doch der statische Nachweis gegen eine temperaturabhängige Fließgrenze bzw. Zugfestigkeit, oder???

Zur Dauerfestigkeitsauslegung: Deine Rechnung passt so schon, mit einer Ergänzung: Du könntest noch die Stützwirkung durch den Spannungsgradienten berücksichtigen. (Ohne Stützwirkung bist Du halt konservativer...)

Was Du jetzt noch brauchst, ist der Temperatureinfluss auf die Belastbarkeit. Ich würde dafür einfach bei der Maximaltemperatur Zug-, Schwell- und Wechselfestigkeit hernehmen, so tun, als ob die Temperatur ständig anliegt und damit ins Haigh-Diagramm gehen....

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Hallo Maccias,

ich habe nur eine statische Beanspruchung, ja.
Ich finde in den ganzen Tabellen allerdings keine Werte für temperaturabhängige Fließgrenzen (Warmstreckgrenze) für Alu (EN AW 6060 T66, T= 100°C). Kennst Du eine gute (zugängliche) Quelle (DIN EN 10002-5)?

Gruß
Tobsen

[Diese Nachricht wurde von tobsenmh am 19. Mrz. 2009 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von tobsenmh am 19. Mrz. 2009 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von tobsenmh am 19. Mrz. 2009 editiert.]

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Hallo Tobsen,

die FKM Richtlinie kannst Du anwenden, da Du keine Spannungen in Folge von Wärmebelastung hast. Nochmal, die FKM Richtlinie ist nur zur Bewertung von Spannugen gedacht, nicht zum berechnen. Der Temperatureinfluß in der FKM Richtlinie berücksichtigt deshalb nur die Veränderung der Festigkeitwerte bei veränderter Temperatur. Man muß die Werte auch hinterfragen! Z.B. wird angegeben, daß der Gültigkeitbereich bis 500°C geht. Für Baustähle  ist das grob falsch. Die Streckgrenzen werden linear abfallend angenommen, auch das ist nicht wirklich richtig. Selbst bei warmfesten Kesselblechen nach DIN 10028 Teil 3 gehen die Streckgrenzen jenseits von 400°C stark nichtlinear in die Knie.

Kennst Du das Programm Rifest? Es liefert Dir einen kompletten Festigkeitsnachweis nach der FKM Richtlinie. Dort sind auch alle Werkstoffdaten aus der FKM Richtlinier hinterlegt. Hier kannst Du es als Testversion herunterladen:
http://www.ima-dresden.de/deutsch/start.htm  , dann unter "Test und Berechnung" und unter "Software für den Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile nach FKM-Richtlinie"
nachsehen. Da ist der Link zum Download.

@ Maccias: Einfach nur gegen die Fließgrenze mit einem Sicherheitsfaktor würde ich nicht dimensionieren. Die Jungs von der Ima haben sich wahrscheinlich schon etwas mehr bei dem Entwurf der FKM Richtlinie für Alu gemacht.

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Gruss

Dr. Christian Imiela
SMS-Demag
Strukturanalysen

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Also ich hab für Alu 6060 nur Werte für 150°C gefunden.
Wenn bei 20°C die Fließgrenze 157 N/mm² beträgt, beträgt sie danach für 150°C bei 120 N/mm² (halt immer abhängig von Umformgrad und Umformgeschwindigkeit.

@Christian: Die FKM macht doch eigentlich nichts anderes als die Temperaturabhängigkeit zu skalieren (z.B. K[T,p]=R[p,T]/R[p]), oder? Kann ich dann nicht genauso gut gleich eine Fließgrenze R[p,T] bei 100°C hernehmen!? Dass in die zulässigen Spannungen noch Faktoren für Anisotropie, Druckfestigkeit, Stützwirkung usw. eingehen ist schon klar...

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Hallo ihr beiden,

danke für Eure Antworten.
Da ihr Euch gut mit der FKM-Richtlinie auszukennen scheint, würde ich gerne auch noch kurz auf meine Fragestellung hier http://ww3.cad.de/foren/ubb/Forum223/HTML/000362.shtml  verweisen.

Ich habe heute mit mehreren Händlern telefoniert. Hauptaussage "Bei Temperaturen unter 100°C dürfte auch bei den aushärtbaren Knetlegierungen 6XXX nichts passieren (bzgl. Verringerung der Festigkeitswerte)" Naja... "dürfte" reicht mir eigentlich nicht.

Und zum Start ins Wochenende noch ein Zitat aus dem DUBBEL: "Sobald die Vergleichspannung die jeweiligen Festigkeitsgrenzen des Werkstoffs erreicht, ist mit einem Versagen des Bauteils zu rechnen". Also direkter Vergleich der Vergleichsspannung mit der Warmstreckgrenze...!?

Gruß
Tobsen

[Diese Nachricht wurde von tobsenmh am 23. Mrz. 2009 editiert.]

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Also nach FKM passiert bei nichtaushärtbarem Alu bis 100°C auch nix, von der Seite wärst Du abgesichert.

Zur Vergleichsspannung: wir nehmen für Dauerfestigkeitsaussagen nicht die von Mises Spannung her, sondern die Vergleichsspannung in der kritischen Schnittebene, rechnen das allerdings auch mit FEMFAT und nicht per Hand.
In Deinem Fall würd ich aber auch die von Mises Spannung hernehmen und gegen Warmstreckgrenze und Zugfestigkeit rechnen (letztendlich macht die FKM ja auch nichts anderes), zusätzlich aber immer noch auf Max und Min Hauptspannung schauen (bei manchen Spannungszuständen kann von Mises ja auch trügen....)!

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Hallo maccias,

EN-AW 6060 T66 ist "leider" aushärtbar! (Bzw. schon ausgehärtet worden)

Gruß
Tobsen

[Diese Nachricht wurde von tobsenmh am 23. Mrz. 2009 editiert.]

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So, hatte ich das eigentlich auch in Erinnerung. Hatte mich schon etwas gewundert, dass Du von nichtaushärtbar geschrieben hast....

Für aushärtbare Alu-Legierungen liegt die Grenze nach FKM bei 50°C. (Dann ergibt sich ein Faktor von 0,775 für 100°C, wenn ich mich recht erinnere. Einfach mal nachschauen!)

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Oh sorry, jetzt sehe ich auch, dass ich mich verschrieben habe! -> Ist editiert!

Der Wert für K_Tt_m für Alu liegt laut FKM-Richtlinien für 100°C und 100.000h bei 0,5!

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Du hast recht. Für Langzeitwerte ist der Faktor 0,5.
Die 0,775 sind für Kurzzeitwerte.....

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