BASIC

winLIFE BASIC-Modul deckt die wesentlichen Grundlagen der Betriebsfestigkeitsberechnung ab. Typischerweise beginnt ein winLIFE-Anwender seine Arbeit damit. Für das BASIC-Modul existieren folgende Erweiterungen, die zusätzlich beschafft werden müssen:

winLIFE MULTIAXIAL

winLIFE MULTIAXIAL MULTICORE

winLIFE GEARWHEEL&BEARING

winLIFE CRACKGROWTH

winLIFE RANDOM FATIGUE

winLIFE STATISTIC

winLIFE VIEWER4WINLIFE

winLIFE Projektmanagement-System

Typische industrielle Aufgabenstellungen beinhalten nicht nur eine einzelne Berechnung der Lebensdauer, sondern in der Regel werden eine Vielzahl von Lastfällen und Varianten zu berechnen sein.

winLIFE bietet dazu ein leistungsfähiges System zur Projektbearbeitung, bei dem bis zu 2000 Projekte gleichzeitig bearbeitet werden können. Das Bild unten zeigt die Benutzeroberfläche, in der 8 Projekte definiert sind. Die Projekte können einzeln bearbeitet werden, sie können aber auch gemeinsam gestartet und auch überlagert werden.

winLIFE Benutzeroberfläche

 

Ein Projektgenerator ermöglicht die Erzeugung von Projekten, bei denen einzelne Parameter systematisch variiert werden können.

Da viele Berechnungen zu langen Rechenzeiten führen, ist ein automatisierter Ablauf wichtig, so dass der Möglichkeit der Batch-Verarbeitung große Bedeutung zukommt. Die Projektdateien sind im XML-Format gespeichert und können auch von der Benutzeroberfläche als Batch gestartet werden.

Wie erhalte ich Materialdaten für eine Lebensdauerberechnung

winLIFE bietet mehrere Möglichkeiten zur Beschaffung von Materialdaten für die Lebensdauerberechnung. Neben einer Generierung auf der Basis statischer Werkstoffdaten sind auch umfangreiche Materialdatenbanken im Lieferumfang enthalten.

Erzeugung von Bauteil-Wöhlerkurven aus statischen Materialdaten

Da winLIFE in den Bereichen Windenergie, Schiffbau und allgemeiner Maschinenbau viele Kunden hat, wurden spezielle Eingabegeneratoren geschaffen, die auf der Basis statischer Werkstoffkennwerte Lebensdauerdaten generieren können. Dies sind:

  • Wöhlerliniengenerator für Schweißverbindungen in Anlehnung an den Germanischen Lloyd für Schiffbau
  • Wöhlerliniengenerator  für Schweißverbindungen in Anlehnung an den Germanischen Lloyd für Windenergie
  • Wöhlerlinien in Anlehnung an die FKM-Richtlinie
  • Wöhlerliniengenerator nach Hück, Trainer, Schütz
  • Generator nach dem Uniform Material Law

 

Ein Beispiel für eine Eingabemaske zeigt das folgende Bild für einen Generator nach der FKM-Richtlinie, die einen großen Erfahrungsschatz beinhaltet und die auch in vielen Bereichen bereits etabliert ist. Aus statischen Werkstoffdaten wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Informationen des Bauteils wie Oberfläche, Kerbfaktor, Spannungsgradient etc. kann die Wöhlerlinie abgeschätzt werden.

Maske zur Eingabe bzw. Generierung der Bauteilwöhlerlinie

 

Das Bild oben zeigt die Eingabemaske, mit deren Hilfe diese Wöhlerlinien generiert werden. Nach der Generierung kann der Benutzer die Daten teilweise überschreiben und auf diese Weise ihm bekannte Einzelwerte entsprechend modifizieren.

Neben der Wöhlerlinie wird auch das Haigh-Diagramm als die umfassendere Information verwendet, da dort auch die Mittelspannungsempfindlichkeit und Streckgrenze und Bruchgrenze dargestellt werden (s. nächstes Bild).

Das Haigh-Diagramm – hier zusammen mit den Ergebnissen einer Berechnung dargestellt - zeigt den Zusammenhang zwischen Spannungsamplitude, Mittelspannung  und Lastspielzahl bis zum Defekt (Lebensdauer). Jeder einzelne Punkt repräsentiert eine Beanspruchungsstufe

Wenn die Ausfallwahrscheinlichkeit für eine Untersuchung von Bedeutung ist, kann ausgehend von der 50% Wöhlerlinie jede Wöhlerlinie mit einer anderen Ausfallrate davon abgeleitet werden, wobei unterschiedliche Streuungen im Bereich der Zeit- und Dauerfestigkeit berücksichtigt werden können.

Bauteilwöhlerlinien punktweise definiert (ASME-Code)

Die Bauteilwöhlerlinie wird durch eine große Zahl von Einzelpunkten festgelegt, zwischen denen interpoliert wird. Diese Definition der Wöhlerlinie wurde nun auf Kundenwunsch auch in winLIFE implementiert. Das folgende Beispiel zeigt eine derartige Wöhlerlinie.

Wöhlerkurve in punktweiser Definition nach ASME
Haigh-Diagramm der punktweise definierten Wöhlerkurve

Erzeugung von Bauteilwöhlerlinien für geschweißte Bauteile

Es können Bauteilwöhlerlinien nach der FKM-Richtlinie, dem Germanischen Lloyd (Schiffbau, Windenergie), IIW erzeugt werden. Die Berechnung der Lebensdauer kann nach dem Nennspannungskonzept oder dem Strukturspannungskonzept erfolgen.

Die Berücksichtigung der Geometrie und Kerbfaktoren erfolgt durch Zuordnung zu einem Katalog verschiedener Schweißnähte (Detailklassen, FAT-Klassen).

Schweißnahttypen, die aus einem Katalog ausgewählt werden können.

 

Für das Strukturspannungskonzept existieren für FEMAP und ANSYS leistungsfähige Makros zur Datenübergabe an winLIFE.

Erzeugung von Dehnungswöhlerlinien

Dehnungswöhlerlinien können aus statischen Werkstoffkennwerten erzeugt werden. Neben dem Uniform Material Law, dem am meisten verwendeten Verfahren, sind weitere Algorithmen vorhanden. Die Vorgehensweise zeigt das folgende Bild: statische Werkstoffkennwerte werden vorgegeben (rechte Seite) und daraus die Materialkennwerte für die Wöhlerlinie und das zyklische Verhalten erzeugt (linke Seite).

Maske zu Eingabe der Daten zur Generierung einer Dehnungs-Wöhlerlinie und der zyklischen Werkstoffdaten.

 

Das nächste Bild zeigt eine Beispielrechnung, bei der durch Generierung aus statischen Kennwerten die zyklischen Daten gewonnen wurden und dargestellt sind. Für das Bauteil wurden die Formzahl und die Oberflächenrauhigkeit in der Kerbe gegeben. Der Spannungs-Dehnungs-Pfad in der Kerbe wurde für das Bauteil aus der Rainflow-Matrix berechnet. Man kann auch ohne Rainflow-Zählung direkt mit Hilfe des Werkstoffgedächtnisses den Pfad berechnen.

Ergebnis der Generierung einer Dehnungs-Wöhlerlinie und der zyklischen Werkstoffdaten.

Materialdatenbanken

Bisher konnten winLIFE-Kunden Daten aus unserer Internet-Datenbank laden. Dies wurde nun in der Version 3.3. geändert. Die folgenden Daten werden auf der winLIFE-CD mitgeliefert und stehen dem Benutzer auf seinem Rechner zur Verfügung:

  • Materialdatenbank für das Örtliche Konzept
  • Materialdatenbank nach FKM
  • Benutzerdatenbank

Material – Datenbank für das Örtliche Dehnungskonzept

Für Berechnungen nach dem Örtlichen Konzept steht eine umfangreiche Datenbank (mehr als 1000 Werkstoffe)

mit folgenden Informationen zur Verfügung: 

  • statische Werkstoffkennwerte
  • zyklische Werkstoffkennwerte
  • allgemeinen Informationen und insbesondere auch Quellen der Information

Eigene Daten können in die Datenbank aufgenommen werden.

Maske zur Ansicht der Daten der Materialdatenbank
Maske zur Ansicht der Daten der Materialdatenbank

Material – Datenbank für Berechnung nach FKM

Aus der mitgelieferten Datenbank mit Daten aus der FKM-Richtlinie können übliche Materialdaten aus Probenversuchen entnommen werden. Mit Hilfe dieser Daten können dann Wöhlerlinien für das Bauteil generiert werden.

Werden zusätzlich zu diesen Materialdaten die Bauteildaten eingegeben, so kann eine Bauteilwöhlerlinie generiert werden. Diese kann schließlich in der Benutzerdatenbank gespeichert werden.

Eingabemaske zur Wahl des Werkstoffes aus der Materialdatenbank der Probendaten

Datenbank des Benutzers

Der winLIFE-Benutzer speichert die von ihm verwendeten Material/Bauteil-Daten der Lebensdauerberechnung in einer Benutzer-Datenbank, die die Information über das Material und das Bauteil enthält.

Beschaffung der Belastungsdaten

Für eine Lebensdauerberechnung werden Daten der wirkenden Belastung benötigt. Dies kann ein gemessener Last-Zeit-Verlauf oder aber eine Häufigkeitsverteilung von Lasten (Lastkollektiv) sein.

Festlegung eines Lastkollektivs

Ein Lastkollektiv ist definiert durch folgendes Wertetripel:

  • Mittellast
  • Last-Amplitude
  • Anzahl der Zyklen
Definition eines Zyklus

 

Erfahrungen in verschiedensten Bereichen der Technik zeigen, dass die wirkenden Lastkollektive bestimmte Grundformen haben, die einfach zu beschreiben sind. Kennt man – z.B. aus Veröffentlichungen – die Grundform der wirkenden Lastkollektive, so kann man mit dem winLIFE-Kollektiv-Generator sehr einfach ein für das individuell vorliegende Bauteil angepasstes Lastkollektiv erzeugen.  Das folgende Bild zeigt drei solcher Grundformen von Lastkollektiven, die mit winLIFE generiert wurden.

Beispiele für verschiedene Lastkollektive, die mit dem eingebauten Kollektivgenerator erzeugt wurden. (unten: Normalverteilung, Mitte: Linearverteilung (n=1), oben: p - Kollektiv)

Verwendung von Last-Zeit-Verläufen

Ein anderer Weg die Belastung zu beschreiben besteht in der Verwendung von Last-Zeit-Verläufen. Unter Last kann dabei eine Spannung, Moment oder Kraft verstanden werden. Solche Daten können durch Messung erhalten werden, möglich wäre es aber auch, dass der Benutzer den Last-Zeit-Verlauf manuell über die Tastatur eingibt. Eine andere Möglichkeit bietet der Sinus-Generator, der auf einfache Weise Last-Zeit-Funktionen erzeugen kann.

Kräftebelastung (manuelle Eingabe)

Die Belastung – z.B. Kräfte als Funktion der Zeit – werden in die Eingabemaske eingetragen und anschließend abgespeichert. Auf diese Weise wird man wegen des Zeitaufwands nur kurze Lastfolgen eingeben.

Eingabemaske zur manuellen Eingabe der Last

Kräftegenerator (Sinus)

Oftmals besteht der Wunsch, einfache Verläufe der Last-Zeit-Funktion schnell auf einfache Weise zu generieren. Dies wird durch den hier beschriebenen   Sinusgenerator ermöglicht.

Eingabemaske zur Generierung einer Sinus-Belastung

 

Die Eingaben dürften selbsterklärend. sein. Das Ergebnis der Generierung zeigt das folgende Bild:

Ergebnis der Generierung einer sinusförmigen -Belastung

Import von gemessenen Last-Zeit-Funktionen

Meistens werden sehr umfangreiche Messdaten, deren Länge mehrere Gigabyte betragen kann, verwendet.

gemessener Last-Zeit-Verlauf

 

Eine interaktive Datennachbearbeitung in der Grafik ermöglicht es, die Daten des Last-Zeit-Verlaufs oder des Lastkollektivs einfach zu korrigieren. So können z.B. Spikes schnell beseitigt und Korrekturen einer Signaldrift vorgenommen werden.

Die von winLIFE verwendet Rainflow-Matrix kann ebenfalls nachbearbeitet werden. Die Rainflow-Matrix enthält die schädigungsrelevanten Ereignisse und zeigt deren Schädigung durch eine Farbskala an. Durch Veränderung der Rainflow-Matrix lassen sich alternative Belastungs-Szenarien einfach durchspielen.

Im Falle des Örtlichen Konzeptes kann der Spannungs-Dehnungs-Pfad dargestellt werden. Er wird aus der Rainflow-Matrix und den zyklischen Werkstoffkennwerten dargestellt.

Analyse im Frequenzbereich

Die Eigenfreqenzen eines dynamisch erregten Systems und das Frequenzspektrum der Anregung haben großen Einfluß auf die Lebensdauer. Es hat sich daher als sehr nützlich erwiesen, die auf ein Bauteil wirkenden Beanspruchungen mit Hilfe des Leistungsdichtespektrums (PSD) zu erfassen. Oftmals werden Bauteile unter Vorgabe dieses PSD der Beschleunigung auf einem Schwingtisch geprüft. winLIFE RANDOM leistet genau dies. Das Modul wird in einem eigenen Kapitel vorgestellt.

Durchführung der Lebensdauerberechnung

Verwendung von Finiten Elementen

Im Fall der Verwendung eines FE-Modells wird ein Einheitslastfall mit Hilfe der FEM berechnet. winLIFE-BASIS ist hier auf nur einen Einheitslastfall begrenzt. (winLIFE MULTIAXIAL kann bis zu 200 Lastfälle gleichzeitig berechnen). Details zum Datentransfer s. unter winLIFE MULTIAXIAL.

Ablauf am Beispiel dargestellt

Es soll nun kurz beschrieben werden, wie eine Lebensdauerberechnung mit winLIFE-BASIS abläuft. Dies geschieht am Beispiel eines Lenkers einer Lkw-Radaufhängung, die durch eine gemessene Last-Zeit-Funktion belastet ist . Wegen der Symmetrie ist nur die obere Hälfte des Bauteils dargestellt.

Ergebnis der statischen Belastung durch einen Einheitslastfall eines Längslenkers einer Radaufhängung eines Lkw (aus Symmetriegründen wurde nur eine Hälfte berechnet).

 

Im ersten Schritt ist eine statische FE-Analyse unter Verwendung der Einheitslast Fo notwendig. Wichtig ist, dass die Einheitslast die gleiche Wirkungslinie wie die Betriebsbelastung F(t) aufweist.

Für jeden Zeitschritt t wird die elastische Spannung (korrekt der Spannungstensor) als Folge der Last F(t) mit Hilfe des Quotienten F(t)/Fo berechnet. Wenn ein Zeitverlauf F(t) wie im nächsten Bild dargestellt existiert, dann kann die Spannung innerhalb des Bauteils für jeden gewünschten Zeitschritt berechnet werden.

Im Fall der Anwendung des Örtlichen Konzeptes existiert eine Spannungs-Dehnungs-Kurve, die in die Berechnung mit einbezogen wird. Auf diese Weise wird auch die Plastifizierung des Werkstoffs unter Verwendung der Neuber-Regel mit berücksichtigt.

gemessene Last des Bauteils über der Zeit

 

Die Bauteilbelastung (Bild oben) wurde aus einer Messung auf einer Teststrecke erhalten. winLIFE macht nun eine Rainflow-Zählung der Last mit dem Ergebnis im folgenden Bild.

Rainflow Matrix

 

Die zyklischen Material-Daten und die Schadensparameter-Wöhlerlinie für dieses Beispiel sind in den beiden folgenden Bildern dargestellt.

stabilisierte zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve
Spannungs-Dehnungs-Pfad , der aus der Rainflow-Matrix für den kritischen Knoten berechnet wurde.

 

Aus der Rainflow-Matrix und den zyklischen Materialdaten wird der Spannungs-Dehnungs-Pfad konstruiert. Die geschlossenen Schleifen dieses Pfades werden zur Berechnung eines Schadensparameters verwendet und die Schädigung schließlich mit Hilfe der Schadensparameter Wöhlerlinie für jede Knoten der Struktur bestimmt. Die Ergebnisse werden als Flächen gleicher Schädigung auf der Struktur dargestellt.

Schadensparameter Wöhlerlinie

 

Neben dem Örtlichen Konzept kann auch ein spannungsbasierendes Konzept zur Berechnung verwendet werden, wozu dann Wöhlerlinien auf der Basis von Spannungen verwendet werden.

Die Ergebnisse einer Lebensdauerberechnung, Schadenssumme, schädigungsgleiche Amplitude, Lastspielzahl bis zum Defekt werden in eine Export-Datei ausgegeben, auf die das FE-Programm zugreift und wie im folgenden Bild gezeigt, darstellt. Für FEMAP wird eine Schnittstelle mitgeliefert, sie sich automatisch in der FEMAP Benutzeroberfläche installiert.

Ergebnisdarstellung der winLIFE Schadenssumme in FEMAP

Ohne Verwendung von Finiten Elementen

Wenn keine Finiten Elemente verwendet werden, wird die Berechnung der Lebensdauer nur für einen Punkt, üblicherweise die Kerbe, vorgenommen. Die Information über die Geometrie und der Zusammenhang zwischen Belastung und Spannung muss dann von dem Benutzer angegeben werden, so dass er einen Kerbfaktor, Spannungsgradient, Oberflächenrauhigkeit, etc. angeben muss. Eine Lebensdauerberechnung ohne Finite Elemente kann nach den beiden klassischen Verfahren, dem Nennspannungskonzept oder dem Örtlichen Konzept, erfolgen.

Bei dem Nennspannungskonzept können verschiedene Hypothesen für die Schadensakkumulation im Bereich der Dauerfestigkeit verwendet werden (original, modifiziert nach Haibach, elementar, modifiziert nach Liu und Zenner). Das folgende Bild zeigt die verfügbaren Hypothesen.

mögliche Hypothesen der Schadensakkumulation in winLIFE

 

Wenn die Berechnung nach dem örtlichen Konzept erfolgt, ist der Ablauf dem bei der Anwendung der Finite Elemente Methode ähnlich mit dem Unterschied, dass nun nur ein Punkt berechnet wird.

Addition unterschiedlicher Berechnungsergebnisse

Nehmen wir an, es wird ein Fahrzeug entwickelt, das naturgemäß auf sehr unterschiedlichen Fahrbahnkategorien (gute Straße, schlechte Straße, etc.) eingesetzt wird.

Wenn nun Messungen und Berechnungen der Lebensdauer für jede Fahrbahnklasse vorliegen, deren Länge aber nicht der Strecke beim Endkunden entspricht, so muss eine Umrechnung der Lebensdauerergebnisse auf die für den Endkunden relevante Streckenzusammensetzung erfolgen. Dies geschieht dadurch, dass die Ergebnisse (Schadenssumme je Fahrbahnkategorie) durch Wichtungsfaktoren auf die gewünschte Streckenlänge umgerechnet und knotenweise und schnittebenenweise addiert werden.

Da bei vielen Aufgabenstellungen sehr unterschiedliche Szenarien untersucht und zum Schluss in ihrer Gesamtauswirkung diskutiert werden müssen, ist die gewichtig Addition ein wichtiges Hilfsmittel, da zunächst kleinere Teilprobleme bearbeitet werden können.

Superposition und Extrapolation

Im Gegensatz zur reinen Addition der Berechnungsergebnisse – wurde im Kapitel zuvor beschrieben – ist oft auch die Kenntnisse des Gesamtkollektives bedeutsam, um die Ergebnisse besser interpretieren zu können. Die Addition verschiedener Teilbelastungen (Kollektive) die zeitlich nacheinander erfolgen wird als Superposition bezeichnet.

Die Umrechnung der Teilbelastung von zum Beispiel gemessenen 500 h auf die Gesamtbelastung von 20 Jahren wird als Extrapolation bezeichnet.

Statistische Auswertung

Um eine statistische Beurteilung der Vertrauenswahrscheinlichkeit durchzuführen, wird die folgende Eingabemaske zur Verfügung gestellt. Die Ergebnisse der zuvor durchgeführten Lebensdauerberechnung und die Daten der verwendeten Wöhlerlinie werden übernommen.

Berechnung statistischer Kenngrößen

 

Die Daten der Wöhlerlinie

  • Streubreite
  • Anzahl der Versuchspunkte n 

werden übernommen. Sie könnten im nach hinein in dieser Maske vom Benutzer geändert werden.

Der Benutzer muss nun die Konfidenz und die Eintrittswahrscheinlichkeit seines Kollektivs angeben. Klickt er anschließend auf Berechnen, so wird als Ergebnis

  • die wahre rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit  PA
  • die vereinfachte rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeit PA*

dargestellt.

 

Daten Handling und Korrektur

Wenn gemessene Daten verwendet werden, ist meist eine Datenbereinigung notwendig. Viele mögliche Fehler können auftreten und im ersten Schritt einer Analyse muss der Benutzer seine Messdaten überprüfen und in der Regel auch korrigieren. winLIFE ermöglicht es, die Daten einfach und schnell interaktiv zu korrigieren.

Last-Zeit-Funktionen und Lastkollektive können in folgender Weise korrigiert werden:

  • Auswählen von Daten und Korrektur der gewählten Daten durch Multiplikation, Addition oder Überschreiben
  • Auffinden und Entfernen von Spikes

Weiterhin kann die Rainflow-Matrix verändert werden. Dies ist ebenfalls sehr hilfreich, um eine Datenkorrektur durchzuführen.

Darstellung und Analyse der Ergebnisse

Alle üblichen Grafiken und Darstellungen sind in winLIFE verfügbar, wie z.B. 

  • Rainflow-Matrix
  • Bereichsmittelpaarzählung
  • Klassengrenzüberschreitungszählung
  • Wöhlerlinie zusammen mit dem Amplitudenspektrum und dem zugehörigen Schadensanteil
  • Haigh-Diagramm einschließlich der Wertetripel der Spannungen  
  • Protokoll-Datei mit den Ergebnissen für jeden einzelnen Knoten

Report Generator

Der Report Generator ermöglicht es dem Benutzer einen Standardreport im PDF-Format einschließlich Grafiken auf Knopfdruck zu erzeugen. Damit entfällt das bisher nötige individuelle Auswählen jeder einzelnen Grafik.

Der Standardreport ist für die verschiedenen Methoden unterschiedlich definiert, kann aber durch den Benutzer geändert werden.

Eingabemaske zur Festlegung der Report-Inhalte

Individuelle Gestaltung von Grafiken und Reports

Die Gestaltung der Ausgabedokumente, insbesondere der Grafik, kann vom Benutzer bezüglich folgender Parameter eingestellt werden:

  • Schriftgröße und Type
  • Linienfarbe
  • Linienart und Dicke  
  • Bereichseinstellung der Achsen
  • Texteingabe
Individuell gestaltete Grafik (Farben, Fonts, Maßstäbe, Beschriftung) eines Benutzers.
Ausgabe eines Standardreports als PDF-Datei.

Einheiten

Festlegung der Einheiten

 

Die Einheit für Spannungen kann vom Benutzer in unterschiedlicher Weise festgelegt werden. Die interne Berechnung in winLIFE erfolgt in N/mm2. Falls eine andere Einheit gewünscht wird, kann dies durch Auswahl aus der Einheiten-Liste erfolgen. Meist wird als Alternative PSI gewünscht, so dass diese Einheit vorbereitet ist.

Es kann aber auch eine beliebige Einheit vom Benutzer definiert werden, indem der Name und der Multiplikator zur Umrechnung  angegeben wird.

Die übrigen in winLIFE verwendeten Einheiten sind folgende und können nicht geändert werden.


Dehnung                           [‰]

Drehzahl                           [1/min]

Die Einheit für die Last bzw. Kraft sind beliebig wählbar, da sie sich aus der Berechnung heraus kürzen. Sie müssen jedoch durchgängig verwendet werden.            

winLIFE wird mit 3 Standard-Definitionen ausgeliefert:

Die ISO-Einheiten als ‚Default’  

 

Default

[N/mm²]

Umrechnungsfaktor 1

‚PSI’   

[lbf/in²]

Umrechnungsfaktor 145,04

‚Double Default’ (Spannweite)

[N/mm²]

Umrechnungsfaktor 2