Anwendungsbeispiele für den Einsatz von winLIFE

Der große Anwendungsbereich von winLIFE wird gezeigt durch Beispiele aus

  • Automobilbau
  • Flugzeugbau
  • Windenergietechnik
  • Schweißtechnik
  • Hochschulen

Automobilbereich

Viele winLIFE-Benutzer kommen aus der Automobil-Industrie. Zwei Beispiele aus dem Bereich Antriebsstrang und Achsen sollen dies zeigen. 

Antriebsstrang

Kupplungen, Drehmomentwandler, Retarder, Gehäuse von Getrieben , Wellen , Planetengetriebe, Torsionsdämpfer, Lkw und landwirtschaftliche Fahrzeuge.

Messungen auf wirklichen Strecken wurden durchgeführt um die realen Bedingungen zu erfassen. Eine Rennstrecke, der “Nürburgring”, wurde im Detail vermessen und darauf basierend wurden Lebensdaueruntersuchungen für den Antriebsstrang und insbesondere das Automatikgetriebe durchgeführt.

7-Gang Automatik-Getriebe der Firma DaimlerChrysler

 

Das gemessene Lastkollektiv für den Nürburgring für einen Mercedes S 500 mit dem abgebildeten 7 Gang Automatik-Getriebe zeigt das folgende Bild.

Zeitverweildauer von Drehmomenten und Drehzahl am Getriebeausgang für ein 7-Gang-Automatikgetriebe auf dem Nürburgring mit winLIFE klassiert (Quelle DaimlerChrysler)
Amplitudenhäufigkeit als Ergebnis der winLIFE-Klassierung der Schwellspannung eines Zahnrades eines Simulation und zum Vergleich Prüfstands Tests mit unterschiedlicher Steuerung (DV, DW) des Prüfstands.

Achsaufhängungen

winLIFE wird für die Entwicklung militärischer Fahrzeuge eingesetzt. Das Fahrwerk, Achsen und Federn wurden mit winLIFE berechnet. Im Fahrversuch wurde auf unterschiedlichen Fahrbahnkategorien gemessen, um die durch die  Fahrbahnunebenheit verursachten Besonderheiten zu bestimmen.

militärisches Fahrzeug Fennek, das mit winLIFE berechnet wurde.

FE-Modell von Felge mit Einheitslasten für die Vertikalkraft  und Radnabe, was Grundlage für die Lebensdauerberechnung der Radnabe des Fennek unter Wirkung von im Fahrversuch gemessener Lastdaten (3 Kräfte, 3 Momente) unter Anwendung rotierender Superposition war [  ]. 

Rad mit Radnabe des „Fennek“ und die in der Lebensdauerberechnung untersuchte Radnabe
Ergebnis der Berechnung der Radnabe des „Fennnek“ auf verschiedenen Fahrbahnen und Fahrmanövern

Anwendungen aus dem Flugzeugbau

Das Rangieren von Flugzeugen auf einem Flughafen ist wirtschaftlicher, wenn dies durch einen Schlepper geschieht. Dabei wird der Schlepper am vorderen Fahrwerk mit Hilfe einer Stange das Flugzeug abschleppen. Es stellte sich die Frage, wie die dabei auftretenden Beanspruchungen im Vergleich zum normalen Flugbetrieb aussehen und ob sich ein Lebensdauerproblem ergeben kann.

Es wurden an dem Fahrwerk Dehnmessstreifen angebracht und während des Rangierens und während der Landung gemessen. Eine vergleichende Lebensdauerberechnung zeigte die Schädigung durch den Landevorgang und den Rangiervorgang im Vergleich und erlaubte damit eine Beurteilung.

 

Flugzeug, das für die Messungen verwendet wurde
Fahrwerk mit Dehnmessstreifen

 

Als Ergebnis konnte eine Beurteilung der Relation der Schädigungen zwischen Landevorgang und Rangieren mit dem Schlepper erfolgen. Im Hinblick auf die Gesamtbelastung des Fahrwerks können nun diese Vorgänge auf dem Boden mit einbezogen werden.

Windenergie-Systeme

Bei der Entwicklung einer Windenergieanlage ist der Nachweis der Lebensdauer durch rechnerische Methoden zu erbringen. Windenergieanlagen werden für Jahrzehnte dimensioniert und müssen auch den sehr veränderlichen Wetterbedingungen standhalten. So werden die Türme, die Rotornabe und Komponenten der Windenergieanlage damit berechnet.

Eine Verschärfung ergibt sich bei Off-Shore-Anlagen, die vor der Küste eingesetzt werden und die extremen Belastungen durch Wellen, Wind und Salzwasser ausgesetzt sind.

Um den Herstellern von Windenergieanlagen die Arbeit zu erleichtern, sind Berechnungsvorschriften z.B. zur Generierung von Wöhlerlinien nach den Regelwerken des Germanischen Lloyd integriert. Das folgende Bild zeigt einen Planententräger einer Windenergieanlage, der mit FEMAP und winLIFE berechnet wurde.

Planetenträger einer Off-Shore WEA (oben FE-Modell), unten Ergebnisse der Lebensdauerberechnung mit 122 Lastfolgen, die auf 20 Jahre Lebensdauerskaliert wurden.

 

Das folgende Bild zeigt das Ergebnis der Lebensdauerberechnung mit ANSYS und winLIFE (die Schädigung wird dargestellt).

Getriebegehäuse der Firma Zollern, die mit ANSYS und winLIFE die Lebensdauer berechnete

Schweißnahtberechnung

Hot-Spot Suche (Beispiel: Rahmenecke aus Schiffbau)

Wesentliches Merkmal dieses Verfahrens ist, dass bei verschweißten Blechen, die durch Plattenelemente elementiert wurden, weitgehend automatisiert die Elemente an den Plattenstößen, dort sind meistens die Schweißnähte lokalisiert, gefunden werden. Für die Lebensdauerberechnung werden die senkrecht zur Nahtübergangskerbe projezierten Elementspannungen verwendet. Da nur ein Element für die Lebensdauervorhersage verwendet wird, wird die Spannungsüberhöhung in der Schweißnahtkerbe nur begrenzt realistisch erfasst, so dass die Qualität  der Vorhersage schlechter als beim Strukturspannungskonzept ist. Die kritischen Orte einer Struktur werden allerdings bei Anwendung dieser Methode gefunden. Bei Bedarf können anschließend die gefundenen Hot Spots  nach dem Strukturspannungskonzept nochmals nachgerechnet werden, um die Vorhersagequalität zu verbessern.  

Rahmenecke aus Schalenelementen, bei denen die Schweißnähte automatisiert gefunden wurden
Ergebnis der Schweißnahtberechnung nach Hot-Spot Verfahren (Schadenssumme)
Ergebnis der Schweißnahtberechnung nach Strukturspannungskonzept (Schadenssumme

Kerbspannungskonzepts R1 (Lkw-Trailer-Achse)

Es wurde die Schweißverbindung der Hinterachse eines Sattelaufliegers mit FEMAP berechnet (Bild).  Dabei wurde das Substrukturverfahren angewendet, bei dem zuerst das relativ grob modellierte Gesamtmodell berechnet wurde. Anschließend wurden die Schweißnähte „herausgeschnitten“ und entsprechend den Vorgaben des r1-Konzeptes sehr fein modelliert (Bild).

Nun wurde auf der Basis des wirkenden Lastkollektivs eine Lebensdauerberechnung nur für Schweißnaht durchgeführt. Auf diese Weise konnten die kritischen Orte der Anrisse gefunden werden, die mit Versuchsergebnissen übereinstimmten und es konnte eine Lebensdauerabschätzung  für die Bedingungen auf  der Erprobungsstrecke und für ein wirkliches Kundenkollektiv berechnet und verglichen werden. Die Ergebnisse waren sehr hilfreich bei der Entwicklung dieser Achse.

Hinterachse eines Sattelanhängers der Firma Kögel, die mit winLIFE nach dem R1-Konzept berechnet wurde.
Linien gleicher Schädigung an der Schweißnaht
Darstellung der Ergebnisse der Lebensdauerberechnung in winLIFE

Strukturspannungskonzept (Beispiel: Unimog Anhängerkupplung)

Für den dargestellten Kugelkopfanhängebock sollen Schweißnähte nach dem Strukturspannungskonzept berechnet werden. Es werden in diesem Beispiel nur die Kehlnähte auf der linken Seite zwischen dem U-Profil und dem Rechteckprofil betrachtet, siehe Abbildung 1-1.

Geometrie des Kugelkopfanhängebocks

 

Das Modell ist überwiegend aus Tetraeder-Elementen aufgebaut. Die Bereiche der zu untersuchenden Schweißnähte sind mit Hexaeder-Elementen vernetzt. Für das Strukturspannungskonzept mit linearer Extrapolation werden dabei definierte Abstände der Knotenreihen von der Kehlnaht eingehalten wie die gelb markierten Knoten in der Abbildung zeigen.

Der Abstand der Knotenlinie 1 beträgt 0,4 x Blechdicke von der Schweißnaht und der Abstand der Knotenlinie 2 beträgt 1 x Blechdicke von der Schweißnaht. Mit der Blechdicke des Rechteckprofils von 7,1mm ist die Knotenlinie 1 somit 2,84mm und die Knotenlinie 2 folglich 7,1mm von der Kehlnaht entfernt.

Knotenlinien an der Kehlnaht für das Strukturspannungskonzept

 

An dem Kugelkopf wirken 2 Lastfälle, die zunächst getrennt dargestellt werden. In der folgenden Lebensdauerberechnung in winLIFE werden diese zwei Lastfälle gleichzeitig wirken.

Die Enden der U-Profile werden im Bereich der Bohrungen fixiert.

 

Lastfall Nr.

Belastungsart

Last

1

Seitenlast 

 

Zugkraft in y-Richtung   Fy = 20000 N

2

Vertikal- und Horizontallast

Zugkraft in x-Richtung   Fx = 21700 N

und

Druckkraft in z-Richtung von  Fz = -12000 N

Anhängebock unter Seitenlast (Lastfall Nr. 1)
Anhängebock unter Vertikal- und Horizontallast (Lastfall Nr. 2)

 

Der Auslastungsgrad ist in folgender Abbildung dargestellt. Ein Auslastungsgrad von 0,178 bedeutet eine 17,8%-Ausnutzung der Dauerfestigkeit.

Auslastungsgrad der Kehlnaht

Kombination von MKS und FEM Simulation für einen Baggerarm

Um die Lebensdauer eines Baggerarms zu untersuchen, wurde eine Mehrkörperdynamik-Simulation (Recurdyn) in Verbindung mit einer Finite Element Simulation durchgeführt. Die Ergebnisse der zeitabhängigen Spannungen wurden von Recurdyn importiert und in winLIFE zur Schadensakkumulationsrechnung verwendet.

Bagger mit für die Simulation vernetztem Arm

 

Für jeden Knoten der Struktur wurde eine Spannungs-Zeit-Funktion erhalten und darauf basierend wurde die Anzahl der Wiederholungen bis zum Anriß berechnet.

Variationen der Beschleunigung im Betrieb zeigten den Einfluß der Einsatzbedingungen auf die Lebensdauer.

Vergleichsspannungs-Zeit-Verlauf des Knotens mit der größten Schädigung

Hochschulen

An mehreren Universitäten und Fachhochschulen wird winLIFE seit vielen Jahren in Lehre und Forschung eingesetzt. Dazu wurde eine spezielle Hochschul-Version geschaffen, um die Anforderungen nach einer größeren Zahl von Installationen zu erfüllen. Die einfache Bedienung von winLIFE ist hilfreich für die schnelle und selbständige Einarbeitung der Studenten. Die notwendige Funktionalität ist gegeben, um die wesentlichen Berechnungskonzepte anschaulich zu erläutern.

Die Dokumentation einschließlich der Beispiele ist geeignet, dass die Ergebnisse vollständig nachgerechnet werden können und damit der Student auch im Detail verstehen kann, was er tut.

Die Hochschulversion besteht aus einer Vollversion für den Betreuer mit separatem Einzelplatzhardlock. Eine zusätzliche Netzwerkslizenz für 10 User erlaubt die Nutzung von winLIFE BASIS in leicht eingeschränkter Weise, die aber für akademische  Fragestellungen völlig ausreichend ist.

Bild: Interaktive Simulation des Spannungs-Dehnungs-Pfades . Lastschritt, resultierender Spannungs–Dehnungspfad werden in einem Bild dargestellt und können interaktiv vom Benutzer vorgegeben werden. Auf diese Weise können die Gesetze des Werkstoffgedächtnisses spielerisch nachvollzogen werden.

Animation der Neuber Regel und ihrer Varianten. Ausgehend vom Startpunkt wird die Neuber Hyperbel dargestellt. Durch Bewegung der Maus wird der Startpunk t verschoben und die Linienzüge in Echtzeit animiert
Animation der Neuber Regel und ihrer Varianten. Ausgehend vom Startpunkt wird die Neuber Hyperbel dargestellt. Durch Bewegung der Maus wird der Startpunk t verschoben und die Linienzüge in Echtzeit animiert.
Das multiaxiale Fließen mit Hilfe des Mroz-Modells. Mit Hilfe dieser Darstellung kann der Ablauf einer Last-Zeit-Funktion animiert werden (max. 2000 Schritte).