Ermüdung (Fatigue)

Unter Ermüdung des Werkstoffes versteht man das Versagen aufgrund von zyklischen Belastungen. Die ertragbare Belastung ist geringer als die nur wenige Male (bis ca. 10 000 Schwingspiele) ertragbare maximale Last.
Der Zusammenhang zwischen ertragbarer Spannungsamplitude und Zyklenzahl wird durch die Wöhlerlinie beschrieben.

FEM Dienstleister - Dienstleistung: Ermüdungsfestigkeit / Betriebsfestigkeit (Ansys Ergebnisplot)

Im Bereich der Ermüdungsfestigkeit / Betriebsfestigkeit bieten wir folgende Dienstleistungen an:

  • Dauerfeste Auslegung von Bauteilen und Strukturen
  • Betriebsfestigkeitsnachweis
  • Untersuchungen schwingungsbelasteter Bauteile im Kurzzeitfestigkeitsbereich

Ein besonderes Augenmerk legen wir auf den Ermüdungsfestigkeitsnachweis von Strukturen mit nichtlinearem Verhalten. Diese Nichtlinearitäten werden im Maschinenbau häufig verursacht durch:

  • Schraubenverbindungen
  • Wälzlager
  • Konstruktionen mit abhebenden Kontakten

Für Nachweise hochgradig nichtlinearer Strukturen greifen wir auf unsere selbstentwickelten Softwarepakete zurück. Auf diese Weise können wir den oft unterschätzten Einfluss der Nichtlinearität auf die Betriebsfestigkeit mit hoher Präzision abbilden und die Ursachen verstehen. So werden sowohl überdimensionierte Strukturen, als auch Serienschäden vermieden.

Die Berechnung der Schädigung erfolgt je nach Belastungssituation anhand von:

  • Einstufenkollektiven
  • Mehrstufenkollektiven
  • Markovmatrizen
  • Zeitreihen (Berechnung mit Ansys nCode bzw. hauseigenem Programm)

Beispiele für abgeschlossene Kundenprojekte


Rotorwelle einer Windenergieanlage

Für die geschmiedete Rotorwelle einer Windkraftanlage (4 MW) wurden Untersuchungen zur Betriebsfestigkeit durchgeführt. Die Nachweise wurden auf grundlage der FKM-Richtlinie geführt. Die Spannungsermittlung an der Rotorwelle erfolgte mittels FEM unter Berücksichtigung des versteifenden Einflusses der Rotornabe.

Die Schädigungsberechnung erfolgte unter Berücksichtigung des Mittelspannungseinflusses. Durch die Verwendung der FKM-Richtlinie konnte gegenüber dem üblichen Vorgehen nach der konservativeren GL-Richtlinie der Wellendurchmesser wesentlich reduziert werden.

Prüfstand für Blattlager

Im Projekt wurde die Betriebsfestigkeit eines Prüfstandes für Blattlager nachgewiesen. Die Prüfstandskonstruktion besteht aus einer geschweißten Stahlstruktur. Das Hauptaugenmerk lag auf der Dauerfestigkeit der Schweißnähte. Eine betriebsfeste Auslegung war durch die hohen beabsichtigten Zyklenzahlen nicht möglich.

Die Schweißnähte wurden nach Eurocode 3 mit dem Strukturspannungskonzept bewertet.

Rotornabe einer Windkraftanlage – nichtlineare Fatigue-Berechnung

Untersuchung der Betriebsfestigkeit der Rotornabe einer Windenergieanlage unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten - Plot der SchädigungEs wurde der Ermüdungsfestigkeitsnachweis für eine Rotornabe (GJS 400) erbracht. Bei der Ermüdungsberechnung wurde der nichtlineare Zusammenhang zwischen aufgebrachten Lasten und Spannungen in der Nabe berücksichtigt. Dieser wird verursacht durch das nichtlineare Tragverhalten der mit modellierten Blattlager. Es wurde sowohl die Auswirkung unterschiedlicher Wirkrichtungen der Blattlasten, als auch die Interaktion zwischen den Blattlagern mit abgebildet. Die Berechnung der Schädigung erfolgte über die Spannungszeitreihen. Diese wurden mit unserem hauseigenen Programm zur Analyse der Betriebsfestigkeit unter Verwendung des Verfahrens der kritischen Schnittebene ausgewertet.