Verformung und Spannung durch statische oder quasi-statische Belastung.

Statische Analysen

Wird ein Bauteil statisch oder quasi-statisch belastet, können die sich einstellenden Verformungen und Spannungen mit Hilfe einer statischen Finite-Elemente-Analyse (FEA, FEM) berechnet werden. Die ermittelten Werte können dann mit zulässigen Werten verglichen werden.

Eventuell vorhandene Schwachstellen werden durch unsere Ingenieure bereits in der Vorentwicklungs- und Konstruktionsphase am "virtuellen Prototypen" erkannt. Sofern sich Schwachstellen zeigen, können zeitnah Optimierungsmaßnahmen abgeleitet und rechnerisch geprüft werden.

Die Komplexität der Modelle kann je nach Anforderung variieren – von der Analyse eines einfachen Bauteils mit linear-elastischem Werkstoffverhalten bis hin zur Analyse einer komplexen Baugruppe mit Berücksichtigung von nichtlinearem Kontaktverhalten, Schraubenvorspannung, großen Verformungen und Werkstoffnichtlinearitäten. Nachfolgend sind die wichtigsten Analyseoptionen aufgeführt.

 

Werkstoffmodelle

Die einfachste Beschreibung des Werkstoffverhaltens ist ein linear-elastisches Werkstoffmodell. Hierbei sind die Spannungen proportional zu den Dehnungen (σ=E∙ε). Durch den Einsatz von nichtlinearen Werkstoffmodellen können komplexe Materialeigenschaften beschrieben werden, z.B. Plastizität (Stahl), Hyperelastizität (Elastomer), Viskoelastizität (Kunststoffe), Composites, etc.
 

Technische Spannungs-Dehnungs-Kurve für Metalle
Technische Spannungs-Dehnungs-Kurve
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Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Elastomers
Spannungs-Dehnungs-Kurve
eines Elastormers
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Kinematische und isotrope Verfestigung
Kinematische und isotrope Verfestigung
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Kontaktanalysen

Durch Berücksichtigung von nichtlinearem Kontaktverhalten kann der Kraftfluss in einer Baugruppe realitätsnah abgebildet werden. Die Komponenten können voneinander abheben und aufeinander gleiten, sich jedoch nicht gegenseitig durchdringen. Falls erforderlich kann Reibung berücksichtigt werden. Typische Beispiele für Kontaktanalysen sind Schraubverbände, Formschlüsse oder Dichtigkeitsprüfungen.
 

Kontaktanalyse - Schraubenverbindung

Schraubverbindung
 

Kontaktanalyse - Gummidichtung

Gummidichtung
 

 

Geometrische Nichtlinearitäten

Treten an einer Struktur große Verformungen auf, so kann sich die Steifigkeit der Struktur oder der Lastvektor ändern. Diese Effekte können durch entsprechende Analyseoptionen berücksichtigt werden. Typische Beispiele sind Membrane, Dichtungselemente und Kunststoffbehälter.

Stabilitätsprobleme - Beulsicherheit eines Tanks
Kunststoffbehälter unter Innendruck



Berstdruck MOAX Faltenbalg

Berstdruck MOAX Faltenbalg
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Stabilitätsprobleme (Beul- und Knicksicherheiten)

Stabilitätsprobleme können auftreten, wenn eine Konstruktion auf Druck belastet wird. Bei einer kritischen Last verliert die Struktur ihre Stabilität und knickt oder beult aus, noch bevor die linearelastische Tragfähigkeit erreicht ist. Daher sollte neben der Festigkeitsberechnung auch die Beul- bzw. Knicksicherheit überprüft werden. Mit Hilfe einer linearen Beulanalyse können Beul- bzw. Knicklasten berechnet werden. Bei der Durchführung einer nichtlinearen Beulanalyse können zusätzlich Nichtlinearitäten wie Kontakt und plastisches Materialverhalten berücksichtigt werden. Das Versagen wird stark durch Imperfektionen beeinflusst, daher können diese optional bei der Analyse berücksichtigt werden. Typische Beispiele sind Hochregale, Druckbehälter oder Krane.


Stabilitätsprobleme - Knicksicherheit eines Regals
Beulform eines Regals

 

Langzeitverhalten (Kriechen bzw. Relaxation)

Als Kriechen wird die zeitabhängige plastische Verformung definiert, die sich je nach Werkstoff, Spannung und Temperatur in einem Bauteil einstellt. Kriechen tritt insbesondere bei Kunststoffen, aber auch bei metallischen Werkstoffen oberhalb der Übergangstemperatur auf. Als Relaxation bezeichnet man einen zeitabhängigen Spannungsabbau in einem Bauteil bei gleichbleibenden Dehnungen (z.B. Spannstahl in Betonbrücken).

Das Kriech- und Relaxationsverhalten kann durch Ansetzen des Kriechmoduls abgeschätzt werden. Für eine genauere Analyse kann anhand von Kriechkurven ein detailliertes Werkstoffmodell hergeleitet und eine Kriechanalyse durchgeführt werden. Als Ergebnis liegen die Kriechdehnungen bzw. -spannungen in Abhängigkeit der Zeit vor. Typische Anwendungsfälle sind langzeitbelastete Kunststoffteile (Becken von Kläranlagen) und heiße metallische Bauteile (Turbolader).


Langzeitverhalten - Kriechkurven
Kriechkurve
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