Anfertigung eines Berechnungsberichtes zur Dokumentation einer FEM-Analyse

Ziel des Berichtes

Ein ausführlicher Berechnungsbericht gewährleistet eine vollständige Nachvollziehbarkeit einer Festigkeitsanalyse. Anhand dessen sollte der Leser in die Lage versetzt werden, die FE-Berechnung, das zugehörige Modell und die Interpretation der Ergebnisse zu beurteilen und somit eventuelle Fehler zu identifizieren.

Inhalt

In den folgenden Abschnitten wird beschrieben, welche Informationen ein Berechnungsbericht enthalten sollte. Die Gliederung der Abschnitte entspricht dabei der Gliederung eines Berechnungsberichtes.

Einleitung

In der Einleitung erfolgt die Beschreibung des Bauteiles bzw. der Baugruppe bezüglich des verwendeten Materials und Fertigungsverfahrens (Schweißbaugruppe, Gussteil etc.) Anhand der Funktionsbeschreibung und lassen sich Kraftflüsse und Art und Weise der Belastung erkennen. Weiterhin werden analyserelevante Einsatzbedingungen und Besonderheiten genannt (Temperaturen, korrosive Medien usw.).

Modellbeschreibung

Der Umfang und die Qualität der Angaben in der Modellbeschreibung sind ausschlaggebend für die Nachvollziehbarkeit des Berichtes und die Interpretation der Ergebnisse.

Neben den in den folgenden Abschnitten genannten Punkten werden Angaben über die verwendeten physikalischen Größen und Einheiten, die Koordinatensysteme (z.B. für Krafteinleitung, Beschleunigung und Lagerung) und die für Analyse und Auswertung verwendete Software gemacht.

Geometrie

Die Geometriebeschreibung erfolgt unter Verweis auf technische Zeichnungen und unter Verwendung von aussagekräftigen Abbildungen. Gezeigt werden sowohl die analysierten Bauteile als auch die Umgebungskonstruktion.

Geometrische Vereinfachungen und Änderungen in der analysierten Struktur und relevante Änderungen müssen klar dargestellt und begründet werden.

FE-Modell

Netz

Die Beschreibung des Netzes erfolgt zunächst durch Nennung der verwendeten Elementtypen und deren speziellen Definitionen. Bei mechanischen Modellen ist es beispielsweise interessant, ob Elemente mit Mittelknoten verwendet wurden und wie fein das Netz aufgebaut ist, besonders an kritischen Stellen.

Hierfür sind grafische Darstellungen hilfreich, die sowohl einen Überblick geben als auch das Netz in den Kritischen Bereichen zeigen.

Kontakte und Kopplungsbedingungen

Wenn Kontakte oder Kopplungsbedingungen verwendet werden, sind diese detailliert zu beschreiben. Oft helfen auch hier grafische Darstellungen, in denen die Kontaktflächen gezeigt werden. Angaben zu folgenden Punkten sollten mindestens enthalten sein:

  • Kontakttyp (Verbund, Reibung…)
  • Kontaktalgorithmus (MPC, Pure Penalty…)
  • Kontaktsteifigkeit, Aktualisierung
  • Bei Verbindungen: Gesperrte Freiheitsgrade, Verhalten der Kontaktpartner (Starr, Verformbar…)

Speziell bei MPC-Kontakten besteht die Gefahr der Deaktivierung von Bedingungen im Bereich von Überschneidungen mit anderen Kontakten, Randbedingungen und Lasteinleitungen. Daher müssen die beaufschlagten Bereiche auch in den entsprechenden Abschnitten dargestellt werden.

Schraubenmodellierung

Wenn Schraubverbindungen analysiert werden, muss die Nachvollziehbarkeit der Schraubenmodellierung und der Anbindung an die Umgebungsstruktur gegeben sein. Fragen nach der Modellierung des Schaftes, der Schraubenköpfe und Muttern sowie die Verbindung untereinander sollten ebenfalls beantwortet werden.

Lagermodellierung

Aus der Beschreibung eventuell verwendeter Modelle für Wälz- oder Reiblager sollte detailliert das Verhalten hervorgehen. Wurden beispielsweise nichtlineare Federelemente verwendet oder wird der Einfluss als gering genug eingeschätzt, um auf ein lineares Modell zurückzugreifen.

Materialmodelle

Sämtliche zur Anwendung kommenden Werkstoffkennwerte (auch unter Beeinflussung von Faktoren wie Temperatur, Zeit usw.) müssen nachvollziehbar und belegbar dokumentiert werden. Hierzu zählen:

  • Steifigkeiten
  • Festigkeiten
  • Kritische Dehnungen
  • Kennwerte von Federn, sofern diese nicht den übrigen Kapiteln zugeordnet werden
  • Dichte
  • Thermische Eigenschaften

Die Ermittlung von Kennwerten zur Ermüdungsanalyse erfolgt unter Nennung der verwendeten Eingangsgrößen (Wöhlerkoeffizienten, Schwingspielzahlen…)

Randbedingungen, Krafteinleitung

Bei der Dokumentation der angetragenen Randbedingungen (Lagerungen, Symmetrien usw.) und äußeren Lasten helfen auch hier oft aussagekräftige Abbildungen. Die beaufschlagten Bereiche, die unterdrückten Freiheitsgrade, die Komponenten der Belastung sowie das Verhalten (z.B. starr angetragene Kraft oder Randbedingung) sollten nachvollziehbar beschrieben und begründet sein.

Belastung

Die Lasten sind unter Bezugnahme auf das Lastdokument oder eine plausible Herleitung anzugeben, ebenso wie das zugrungeliegende Koordinatensystem.

Abweichungen von der Realität

Die vorgenommenen Vereinfachungen oder sonstige Abweichungen des Modells von der Realität sind zu benennen und zu begründen. Das trifft besonders auf Modifikationen in kritischen Bereichen zu.

Plausibilitätstest

Das Modell kann anhand der Ergebnisse geprüft werden. Funktioniert die Kraftweiterleitung? Sind die Verformungen plausibel?

Falls möglich kann auch eine analytische Vergleichsrechnung zur Modellprüfung herangezogen werden.

Berechnungs- / Auswertemethodik

Hier erfolgt die Darstellung der Methoden, mit denen die Nachweise geführt werden. Sicherheitsbeiwerte und deren Bedeutung, Rechenwege und nicht zuletzt die Ermittlung der Auslastungen und Schädigungen bzw. Restsicherheiten und Lebensdauer werden detailliert beschrieben.

Ergebnisse

In diesem Kapitel werden die Ergebnisse anhand der zugrundeliegenden Kriterien präsentiert. Dokumentiert wird die Auslastung der Struktur bezüglich der wirkenden Belastungen. Zur Veranschauung der Beanspruchungen werden Abbildungen von Spannungs- bzw. Dehnungsverläufen und Verformungsplots verwendet.

Die für die Bestimmung der Auslastung erforderlichen Größen werden genannt und gegebenenfalls in Tabellenform dargestellt. Dies können sein:

  • Spannungen, Dehnungen, Verformungsplots
  • Kraftreaktionen
  • Einheitsspannungen, Übertragungsfunktionen

Zusammenfassung

In der Zusammenfassung werden die Ergebnisse, meist in Form von Auslastungen, tabellarisch dargestellt und einige knappe Anmerkungen zur Nachweisbarkeit der Struktur gemacht. Auch Empfehlungen zu Wartungs- oder Inspektionsintervallen, die sich zum Beispiel aus Ermüdungsanalysen ergeben, werden hier aufgeführt.

Gelegentlich bietet sich an, die Zusammenfassung an den Anfang des Berichtes zu stellen, z.B. bei Berichten für den internen Gebrauch des Auftraggebers oder Berichte, die nicht zur Vorlage bei einer Behörde oder einem Zertifizierer gedacht sind. Personen ohne technischen Hintergrund erhalten so einen Überblick, ohne den Inhalt detailliert verstehen zu müssen.

Artikel veröffentlicht am 14.04.2020

Martin Lork

Martin Lork
Dipl.-Ing. Maschinenbau
Autor  |  mlork@ing-hanke.de

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