Statischer Festigkeitsnachweis

Ziel eines statischen Festigkeitsnachweises ist, die Tragfähigkeit einer Konstruktion bezüglich einmaliger oder selten auftretender Lasten zu ermitteln. Der Nachweis ist erbracht, wenn die Tragfähigkeit der Konstruktion höher als die auftretenden Lasten ist. Der zeitliche Verlauf der Lasteinwirkung wird dabei nicht explizit berücksichtigt.

Der Festigkeitsnachweis wird meist über den Vergleich der auftretenden Spannungen mit den zulässigen Spannungen geführt. Sofern ein plastisches Materialverhalten angenommen wird, erfolgt der Nachweis auf Basis der Dehnungen.

FEM Dienstleister - Dienstleistung: Festigkeitsberechnung (Ansys Ergebnisplot)

Leistungsangebot

Rechnerische Festigkeitsnachweise werden von uns für folgende Bauteile angeboten:

  • Schweißkonstruktionen
  • Schmiedebauteile
  • Gussbauteile
  • Schraubenverbindungen
  • Kunststoffbauteile

Analytische Festigkeitsberechnung

Das Verfahren für den statischen Festigkeitsnachweis wird von uns in Abhängigkeit des Komplexitätsgrades bestimmt. Das Ziel ist ein wirtschaftlich sinnvoller Nachweis, in dem Berechnungen per FEM nur dann zur Anwendung kommen, wenn es die Komplexität erfordert.

Einfache Bauteile und Konstruktionen werden von uns analytisch nachgewiesen. Dafür verwenden wir die aus der technischen Mechanik bekannten Zusammenhänge aus der Elastizitäts- und Plastizitätsheorie.

Lineare FE-Berechnung zur Festigkeitsberechnung

Für komplexe Konstruktionen, für die keine analytische Ermittlung der Spannungen und Verformungen möglich ist, verwenden wir für den Festigkeitsnachweis die Finite Elemente Methode.

Meist ist eine lineare FE-Simulation ausreichend, die insbesondere aus Wirtschaftlichkeitsgründen einer nichtlinearen Simulation vorzuziehen ist.

Nichtlineare Strukturanalyse mittels Finite-Elemente-Methode

Nichtlineare FE-Modelle wenden wir zum Beispiel in folgenden Situationen an:

  • Ermittlung der Grenztragfähigkeit unter Berücksichtigung von Plastifizierung (materielle Nichtlinearität: Überschreiten der Streckgrenze des Materials)
  • Berechnung des statischen Gleichgewichtes bei großen Verformungen (geometrische Nichtlinearität)
  • Modellierung von Kontakten wie z.B. Gleiten und Abheben der Trennfuge bei Schraubenverbindungen
  • Nichtlineare Modellierung von Wälzlagern

Normen und Richtlinien für den Nachweis

Die Festigkeitsnachweise erfolgen gemäß geltender Normen und Richtlinien, wie beispielsweise:

  • FKM-Richtlinie („Rechnerischer Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen“) für den Maschinenbau
  • Eurocode 3 (DIN EN 1993) für den Stahlbau
  • AD 2000 für Druckbehälter
  • DNV GL für die Windenergie und Schiffbau
  • DIN 743 („Tragfähigkeitsberechnung von Wellen und Achsen“)

Beispiele für abgeschlossene Kundenprojekte


Statischer Nachweis für mehrere schiffbauliche Großsektionen

Bei diesem Projekt wurde die Festigkeit mehrerer Großsektionen eines Kreuzfahrtschiffes (Abmessungen LxBxH ca. 40 m x 30 m x 35 m, ca. 400 t) hinsichtlich werftinterner Kranvorgänge bewertet. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Spezialverglasung.

Die Struktur wurde mittels FEM modelliert. Nachgewiesen wurde die Festigkeit der Stahlstruktur sowie die Verklebung der Glasbauteile.

Festigkeitsnachweis von Hebemitteln für Offshore-Kranvorgänge

Für die Offshore-Installation eines Tripods einer Windkraftanlage wurde eine Traverse hinsichtlich ihrer Festigkeit untersucht. Der Hebevorgang erfolgte von einer Jack-Up Barge.

Folgende Bauteile wurden nachgewiesen:

  • Schweißnähte und Struktur der Traverse
  • Flansch der Turmsektion

Der Nachweis erfolgte nach dem Regelwerk des DNV GL und wurde durch diesen zertifiziert.

Gondelverkleidung aus GFK für eine Windkraftanlage

Gondelverkleidung einer 4 MW Windenergieanlage - FestigkeitsnachweisFür eine Windenergieanlage (4 MW) wurde die Gondelverkleidung hinsichtlich Wind- und Verkehrslasten nachgewiesen. Der Nachweis erfolgte für folgende Komponenten:

  • GFK-Struktur der Verkleidung aus Wirrfaser
  • Tragstruktur aus Stahl inkl. der Schraubenverbindungen sowie der Schweißnähte
  • Anschlagpunkte zur Absturzsicherung

Rotorarretierbolzen einer Windkraftanlage

Geometrie-Abbildung aus Ansys für den Nachweis der statischen Festigkeit eines Arretierbolzens einer Windenergieanlage unter Berücksichtigung der plastischen VerformungsreservenEs erfolgte ein Nachweis des Rotorarretierbolzens einer Windkraftanlage. Um eine wirtschaftliche Konstruktion zu gewährleisten, wurde mittels einer FE-Analyse die plastische Grenztragfähigkeit ermittelt. Die auftretenden plastischen Dehnungen wurden unter Verwendung der FKM-Richtlinie bewertet.

Festigkeitsnachweise für Schweiß- & Schraubverbindungen, Schmiede- & Gussbauteile


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Bild von Andreas Hanke

Andreas Hanke

Geschäftsführung, Dipl.-Ing.

Statischer Festigkeitsnachweis – Artikelsammlung

Viele nützliche Informationen und Tipps, sowie hilfreiche Tabellen und Tools zum Thema Statik finden Sie in unseren zugehörigen Blog-Artikeln:

Statischer Nachweis unter Berücksichtigung der plastischen Reserven durch materielle Nichtlinearitäten

Statischer Nachweis unter Berücksichtigung der plastischen Reserven durch materielle Nichtlinearitäten - Ansys ErgebnisplotBei der linearen Berechnung von Bauteilen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) kommt es an lokalen Kerben oft zu sehr hohen Spannungen, welche die Streckgrenze überschreiten. Viele dieser Bauteile könnenmit Hilfe einer plastischen Rechnung trotzdem nachgewiesen werden .

Anfertigung eines Berechnungsberichtes zur Dokumentation einer FEM-Analyse

Artikel über das Anfertigen eines Berechnungsberichtes - SymbolbildEin ausführlicher Berechnungsbericht gewährleistet eine vollständige Nachvollziehbarkeit einer Festigkeitsanalyse. Anhand dessen sollte der Leser in die Lage versetzt werden, das Modell, die Berechnung und die Interpretation der Ergebnisse zu beurteilen und somit eventuelle Fehler zu identifizieren.