Simulation in der Betriebsfestigkeit – Erweiterung durch Integration des Fertigungsprozesses

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Wilfried Eichlseder, Montanuniversität Leoben

• Der ganze Artikel befindet sich in: Festschrift zum 200-jährigen Geburtstag von Ferdinand Redtenbacher. 2009, S.29 -44

Der Geist Redtenbachers im modernen Entwicklungsablauf
Ferdinand Redtenbacher gilt als der Begründer der Maschinenbauwissenschaft. Sein Geist zeichnete sich dadurch aus, dass er interdisziplinär arbeitete. Seine Arbeitsweise setzte sich von den damals vorherrschenden französischen und englischen Methoden ab: Die französische Schule sah in den technischen Wissenschaften nur eine praktische Anwendung der Mathematik, die englische Richtung orientierte sich nur an empirischen Erfahrungen. Redtenbacher rückte die Theorie näher mit der Praxis zusammen und kreierte damit eine neue Schule.

Eine der Verdienste Redtenbachers ist die Systematisierung der Dimensionierung von Bauteilen durch die Festigkeitsberechnungen. Wie sich der Geist Redtenbachers auf Methoden des 21. Jahrhunderts umlegen lässt, soll am Beispiel der Bauteilauslegung im vorliegenden Beitrag gezeigt werden.

Die klassische Festigkeitsberechnung setzt auf die Bewertung von Belastung und Tragfähigkeit des Werkstoffes. Um das Potential im Sinne des Leichtbaus weiter zu nutzen, ist die Berücksichtigung der Fertigung erforderlich. Moderne Verfahren integrieren die Simulation des Fertigungsprozesses in den Dimensionierungsablauf. Diese Integration erfordert das interdisziplinäre Arbeiten im Sinne Redtenbachers.

Der Vortrag gliederte sich in mehrere Teilaspekte  (hier folgt eine Übersicht)

  Ermüdungsvorgang in dynamisch beanspruchten Bauteilen
  Betriebsfestigkeit und Lebensdauerberechnung
  Verfahren nach Palmgren-Miner
  Erweiterung der Simulationskette – Integration des Fertigungsprozesses
  Kerben und Belastungsart
  Zug/Druck-Biege-Gradientenkonzept
  Statistischer Größeneinfluss
  Technologische Einflüsse bei Schmiedebauteilen
  Einfluss der Wärmebehandlung auf das Schwingfestigkeitsverhalten
  Technologische Einflüsse bei Al-Gussbauteilen
  Kokollenguss
  Druckguss
  Berechnung der Porenverteilung im Druckgussbauteil
  Berechnung der Sicherheit gegen zyklisches Versagen

Zusammenfassung:
Um Bauteile hinsichtlich Werkstoffausnutzung weiter optimieren zu können, ist neben der Kenntnis der lokalen Spannungen auch jene der lokalen Festigkeitseigenschaften erforderlich. Letzte ist durch zahlreiche Einflüsse geprägt, wie
 Beanspruchungsart (Zug/Druck, Biegung, Torsion)
 Geometrie und Größe
 Temperatur
 Mittelspannung
 Randschicht (Oberflächentopographie, Eigenspannungen, Gefüge, Härte)
 Lastfolge
 Fertigungsprozess, wie Gießen, Umformen, Zerspanen oder Schweißen
 Etc.

Diese Einflüsse können sich auf den Bauteil festigkeitssteigernd oder –mindernd auswirken, bei gleichzeitigem Auftreten können sich die Effekte verstärken oder abmindern. Die experimentelle Ermittlung der Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit ist in ihrer ganzen Fülle aus Kosten- und Zeitgründen unmöglich und kann nur punktuell erfolgen, die Ergänzung durch Simulationen ist daher erforderlich.

Anhand der Berechnung von Spannungen mit der Finite-Elemente-methode und der Simulation des Gieß- und Umformprozesses wurde die Dimensionierung von Bauteilen dargestellt. Diese Beispiele zeigen, wie durch interdisziplinäres Arbeiten, wie es schon Redtenbacher aufgezeigt hat, die Aussagekraft von Festigkeitsberechnungen erheblich verbessert werden kann.

Zur Person:
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Wilfried Eichlseder:
1956 in Steyr geboren, nach der Matura am Bundesrealgymnasium Steyr Studium des Maschinenbaus an der TU Graz. 1981 Eintritt in die Steyr-Daimler-Puch-AG als Finite-Elemente-Berechner, verschiedene Positionen im Bereich der Forschung und des Engineerings, 1995 bis 1999 Leiter des Engineerings- und Technologie-Zentrums Steyr. 1999 Berufung an die Montanuniversität Leoben, Leitung des Lehrstuhls für Maschinenbau.

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