A179

Erstellung von Software zur FKM-Richtlinie "Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile"


(A179 S 24/10026/01)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2002 - 30. Juni 2003

Zielsetzung

Bruchmechanische Berechnungen sind i.d.R. aufwändig und ohne geeignete Software kaum möglich. Ziel des Forschungsprojektes war daher die Entwicklung und Realisierung einer Software, die die Bewertungskonzepte und Rechenprozeduren der Richtlinie "Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile" des Forschungskuratoriums Maschinenbau (FKM), Ausgabe 2001, anwendungssicher und benutzerfreundlich bereitstellt und somit die bruchmechanische Bewertung von Bauteilen mit vorhandenen oder postulierten Fehlern für Anwendungsfälle in Konstruktion, Qualitätsmanagement, Gebrauchseignung und Schadensanalyse ermöglicht. Grundlage der Richtlinie bilden die Europäische Prozedur SINTAP und die Britische Norm 7910.
Die zu entwickelnde Software muss sich an die Struktur und Terminologie der Richtlinie halten. Es wird vorausgesetzt, dass der Anwender ein Exemplar der Richtlinie besitzt. Umfangreiche Erläuterungen sind daher nicht vorgesehen.

Ergebnisse

Zur Durchführung eines bruchmechanischen Festigkeitsnachweises wurde die Software FracSafe entwickelt. FracSafe kann an Rechnern mit Betriebssystemen Windows NT 4.0, Windows 2000 und Windows XP installiert werden. Die Software wurde unter Verwendung der Entwicklungsumgebung Visual Studio .NET und der Programmiersprache Visual Basic .NET erstellt. Die graphische Benutzeroberfläche enthält die Ein- und Ausgabeformulare, Strukturen für Ein- und Ausgabedaten und alle Routinen zum Ablauf der Anwendung, zum Speichern und Laden von Daten, Erstellen von Tabellen und Grafiken usw.. Außerdem steuert sie den Datentransfer und die Berechnungen, die in den Rechenmodulen erfolgen. Die Berechnungsroutinen für statische und zyklische Beanspruchung beinhalten die Ermittlung von Grenzkurven, Zustandspunkten und kritischen Zuständen im Fall von statischer Beanspruchung sowie die Bewertung der bruchmechanischen Dauerfestigkeit bzw. die Berechnung des Rissfortschritts im Fall der zyklischen Beanspruchung. Dazu werden die Werte des Spannungsintensitätsfaktors und gegebenenfalls der plastischen Grenzlast berechnet. Es wird eine Online-Hilfe angeboten.

In der Software sind folgende wesentliche Abschnitte der Richtlinie, rechentechnisch umgesetzt:

· Modellbildung
· Berechnungsprozeduren bei statischer und zyklischer Beanspruchung
· Nachweis.

Die Berechnungen stützen sich auf

· Spannungsintensitätsfaktoren und Grenzlastlösungen.

Zur Darstellung der Arbeitsweise mit der Software sind zwei maschinenbautypische Fallbeispiele der Richtlinie als Übungsbeispiele implementiert. Dies sind

· Kastenprofil und
· Dünnwandige Schweißkonstruktion.

Zusätzlich sind Informationen und Hilfestellungen aus den Abschnitten

· Eigenspannungen und
· Formelzeichen, Umrechnungen und Abkürzungen
in FracSafe eingebaut.

Bei statischer Beanspruchung ermöglicht die Software

· die Bewertung für einen vorhandenen oder angenommenen Fehler bei gegebener Beanspruchung und gegebener Risszähigkeit,
· die Berechnung von kritischen Größen und Reservefaktoren für die Beanspruchung, die Rissgröße und die Risszähigkeit
und  unterstützt  die Optionen Rissinitiierung oder Rissinstabilität (Basis-Ebene oder Erweiterungsebene).

Bei zyklischer Beanspruchung kann die bruchmechanische Dauerfestigkeit überprüft bzw. der Rissfortschritt berechnet werden. Beim Rissfortschritt sind die zu ermittelnden Zielgrößen

· eine Endrissgröße, die nach einer vorgegebenen Anzahl von Lastzyklen bei vorgegebener Anfangsrissgröße erreicht wird,
· eine Anzahl von Zyklen, die bei vorgegebener Anfangs- und Endrissgröße ertragen werden oder
· eine Anfangsgröße eines Risses, der nach einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen eine kritische zum Bruch des Bauteils führende Größe erreicht
und dies unter

· konstanter oder variabler Spannungsschwingbreite.

Es können  Parameterstudien einschließlich grafischer Darstellung der Ergebnisse durchgeführt werden. Ein- und Ausgabe sind wahlweise in  Deutsch und Englisch möglich.

Der Anwender bleibt nach wie vor für die Auswahl

· des Rissmodells,
· des Strukturmodells,
· der relevanten Werkstoffkennwerte sowie
· für die Zulässigkeitsbewertung
verantwortlich.

Bedeutung für die Praxis

Mit der Software FracSafe, die seit Mai 2004 ausgeliefert wird, ist eine effektive Nutzung der FKM-Richtlinie „Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“, Ausgabe 2001, möglich. Mit ihr sind Konstrukteure und Berechnungsingenieure in der Lage, bruchmechanische Fragestellungen schnell zu beantworten. Mit FracSafe können in der Konstruktionsphase Anforderungen an Werkstoffe und Fügeverfahren ermittelt,

· während der Herstellung Anforderungen an Bauteile definiert,
· damit die Entwicklungs- und Herstellungs- sowie Betriebsstillstandszeiten verkürzt,
· im Betrieb die Gebrauchseignung fehlerbehafteter Bauteile bewertet und
· im Schadensfall die Ursachen untersucht und Schlussfolgerungen für ähnliche Anwendungen
gezogen werden.

Forschungsstelle 1:

Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM)
www.iwm.fhg.de
 
Forschungsleiter 1:

Prof. Dr. E. Sommer

Forschungsstelle 2:
Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt (lfW)
www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw
 
Forschungsleiter 2:

Prof.Dr.-Ing. C. Berger

(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) für Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF

Internet:
www.fracsafe.de