Tipps & Tricks Die fünf häufigsten Konstruktionsfehler und wie man sie vermeidet

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Nach vielen Schadensanalysen und mit mehr als 30 Jahren Erfahrung fasst unser CAE-Experte hier die fünf häufigsten Fehler bei der Konstruktion von Bauteilen zusammen: Fehler, die dazu führen, dass Bauteile brechen, zu hohe Verformungen aufweisen oder erwartete Eigenschaften nicht erfüllen. Aber er hat auch Ratschläge parat, wie sich diese Fehler vermeiden lassen.

Konstruktionsfehler 1: Falsche Rippenlage

Rippen werden gesetzt, um einem flächigen Bauteil mehr Stabilität gegen Verformen zu geben. Sind Rippen falsch angeordnet, ist der Einfluss auf die Steifigkeit des Bauteils geringer. Falsche oder schlechte Verrippungen nutzen weniger und versagen schneller.

Dies passiert, wenn die Rippen nicht auf gemeinsame Knotenpunkte auslaufen, sondern auf anderen Rippen enden und diese auf Biegung belasten, wie in Abbildung 1. An jenen Stellen, an denen der Kraftfluss unterbrochen beziehungsweise umgelenkt wird, treten aufgrund von Biegungen unnötige Spannungen auf. Spannungskonzentrationen aufgrund falscher Verrippung führen dazu, dass von diesen Stellen Risse ausgehen können.

Werden jedoch Knotenpunkte definiert und kann der Kraftfluss an weiterführende Rippen übergeben werden, werden die Spannungen im Bauteil geringer. Dies führt bei gleichem Materialeinsatz zu einer höheren Steifigkeit und besserer Stabilität, wie im Bild oben rechts dargestellt.

Wird das grundlegende Prinzip verstanden, sieht man sehr schnell, dass sich diese Überlegungen auch auf Maschinengestelle, Rahmenkonstruktionen usw. übertragen lassen.

Fazit: Eine solide Verrippung von Bauteilen erhöht das Belastungspotenzial und führt zu stabilen, steiferen und leichteren Produkten, die weniger anfällig sind für Risse und Brüche.

Konstruktionsfehler 2: Steifigkeitssprünge

Bauteile müssen unterschiedliche Belastungen aushalten, die sich als mechanische Spannungen innerhalb des Bauteils auswirken.

• Ist das Bauteil ohne große Kerben, gleichförmig und fließend mit kontinuierlich sich verändernden Querschnitten aufgebaut, kann sich der Kraftfluss optimal verteilen und Spannungsspitzen werden vermieden.

• Ist das Bauteil jedoch mit harten Querschnittssprüngen oder unterschiedlichen Materialien konstruiert, kommt es zu Spannungskonzentrationen.

Lokale Belastungsspitzen und von dort ausgehende Risse sind die Folge. Kritisch sind hier vor allem Steifigkeitssprünge, aber auch Schweißnähte.

Werden dünne Bauteile ohne weiche Übergänge mit vergleichsweise dicken Bauteilen verbunden, entstehen ebenfalls lokale Spannungsspitzen, von denen bei wechselnden Belastungen Risse ausgehen. Dies kann, bei dem Beispiel Abbildung 1, einer Schweißkonstruktion mit Blechen, dadurch vermieden werden, dass die Anschlussbleche auslaufen und Schweißverbindungen nicht mitten auf Blechen befestigt sind.

Wichtig bleibt immer, Lasten vergleichsweise fließend zu übertragen. So auch bei Wellen und Rotoren. Bei gebrochenen Wellen und Rotoren liegt die Schadensursache oft darin, dass die Verrundungsradien oder der Welleneinstich zu klein ausgeführt sind. Die Anpassung der Durchmesser oder auch eine Zwischenabstufung und großzügige Verrundungen oder Einstiche können hier Abhilfe schaffen.

Fazit: Der ideale Körper hätte aus Sicht der Festigkeit bei der Belastung überall das gleiche Spannungsniveau. Mit fließenden Übergängen lassen sich Spannungsspitzen und Steifigkeitssprünge besser vermeiden.

Konstruktionsfehler 3: Schraubverbindungen

Schraubverbindungen werden auf Zug- und Querkräfte ausgelegt. Entsprechend werden statische und dynamische Festigkeitsnachweise geführt. Ursache für einen Schraubenbruch ist dabei oft, dass die Schraube zu schwach ausgelegt wurde oder dass sich die Vorspannkraft mit der Zeit verringert hat, wodurch sich die Spannungsamplitude in der Schraube erhöht. Zu den Ursachen für die Verringerung der Vorspannkraft zählen unter anderem das Setzen der Schraube, Losdrehen, Kriechen, zu kleine Klemmlängen, Vibrationen oder Temperaturänderungen.

Abgesehen von diesen allgemein bekannten Faktoren gibt es noch einen weiteren, nicht seltenen Schadensfall, nämlich die Belastung der Schrauben auf Biegung.

Ist der Flansch, in den die Schraube eingebracht ist, sehr steif, sieht die Schraube kaum Biegung. Je dünner aber die Flansche werden, umso höher werden auch die Biegespannungen in der Schraube.

Üblicherweise legt man Schraubverbindungen so aus, dass die reine Vorspannkraft zu einer Spannung von 70 Prozent bis 90 Prozent Dehnungsgrenze führt. Legt man eine Schraube der Festigkeitsklasse 8.8 zugrunde, beträgt die Dehnungsgrenze etwa 640 N/mm².

Verbiegen sich aber die Flansche, ist die Dehnungsgrenze durch die zusätzliche Biegespannung schnell überschritten. Vor allem, wenn man eine übliche Auslegung zugrunde legt, welche nur die Normalkraft der Schraube betrachtet. Die Schraube verformt sich bei ein- oder mehrmaliger Belastung plastisch, die Vorspannung fällt ab und die Schraube ist aufgrund der verringerten Vorspannkraft höheren Spannungsamplituden ausgesetzt. Bei wechselnder Belastung ist somit sehr schnell die Zeitfestigkeit erreicht und die Schraube bricht.

In der Realität treten hier weniger Probleme auf. Dies liegt an den üblicherweise nur geringen Lastspielzahlen. Werden aber dynamisch hochbelastete Bauteile wie beispielsweise ein Pumpendeckel betrachtet, erlebt man oft unliebsame Überraschungen.

Fazit: Es gilt nach wie vor das Prinzip, dass Schrauben nicht auf Biegung belastet werden sollten. Sollte dies konstruktionsbedingt nicht anders möglich sein, sollte man die Spannungen über eine FEM-Berechnung genauer untersuchen.

Berechnung

Hunderte Schrauben einfach auf Knopfdruck simulieren

Konstruktionsfehler 4: Behinderung thermomechanischer Spannungen

Thermomechanische Spannungen entstehen aufgrund von Temperaturschocks, wenn ein heißes Bauteil zum Beispiel beim Reinigen mit kaltem Wasser durchströmt wird oder ein kaltes Bauteil mit einem heißen Fluid in Kontakt kommt.

• Ein häufiges Missverständnis ist, dass ein Körper, der gleichmäßig, sehr langsam erwärmt wird, Spannungen aufweist oder sich ungleichmäßig ausdehnt. Dies ist erst der Fall, wenn mehrere Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verbunden sind.

• Ähnlich verhält es sich bei Baugruppen mit unterschiedlichen Wandstärken. Dünnere Bauteile nehmen die Endtemperatur schneller an als die dicken, wodurch ebenfalls hohe Spannungen entstehen können. Ansonsten wird der Körper einfach gleichmäßig, d. h. geometrisch ähnlich, größer.

Ein wichtiger Grund für thermomechanische Spannungen und daraus resultierende Schadensfälle ist die Behinderung der thermischen Ausdehnung. Auch können Baugruppen aufgrund verschiedener Werkstoffe mit unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten sich gegenseitig „behindern“.

Dies ist unserer Erfahrung nach ein häufiger Grund für Konstruktionsfehler. Der Ausdehnungskoeffizient von Aluminium ist beispielsweise doppelt so hoch wie der von Stahl. Wenn Stahllaufräder bei erhöhten Anforderungen aufgrund des Gewichtes durch Aluminium/Silumin ersetzt werden, treten trotz perfekter Auswuchtung vorab nach dem Betrieb Unwuchten auf.

Fazit: Lösungen können hier sein, dass man ein Medium zwischen Stahl und Aluminium bringt, das in der Lage ist, die Dehnungen ohne gleitende Bewegungen auszugleichen. Auch eine Reduzierung des Durchmessers des Lochkreises würde die thermischen Spannungen reduzieren.

Die beschriebenen Effekte können auch über transiente, also zeitliche, FE-Simulationen bewertet werden.

Simulation

FEM vs. CFD – wann welche Methode geeignet ist

Konstruktionsfehler 5: Formen von Druckbehältern

• Der Körper mit dem geringsten Gewicht unter Innendruck, dem größten Volumen und der geringsten Oberfläche unter Innendruck ist die Kugel.

• Zudem punktet die Kugel mit einem geringen Bauvolumen.

• Der Nachteil der Kugelform ist die anspruchsvollere Fertigung, da die Bleche in zwei Richtungen gekrümmt sind und es einem Mindestmaß an Präzision bedarf.

• Daher haben sich zylindrische Druckbehälter mit gewölbten Böden, sogenannten Klöpperböden an beiden Enden, durchgesetzt. Ein guter Kompromiss zwischen Fertigung und Festigkeit.

• Die einfachste Fertigungsform sind rechteckige Behälter. Diese zeigen aber die höchsten Spannungen und machen in der Praxis auch die meisten Probleme.

Die Kesselformel gibt für kugelförmige und zylindrische Behälter die erforderlichen Mindestwanddicken an. Damit ist die Grunddimensionierung relativ einfach. Bei einem Rechteckbehälter muss zwischen Membranspannung und Biegespannung unterschieden werden, was nicht mehr ganz so einfach ist. Die Abbildung zeigt ein Spannungsbild, in dem lokale Spannungsspitzen vorhanden sind, die weit ausgeprägter sind als an einem zylindrischen Behälter.

Auch die nachstehende Tabelle zeigt eine Kugel, einen zylindrischen Behälter mit Halbkugelschalen an den Enden und einen Quader unter einem Innendruck von 15 bar, einander gegenübergestellt. Die Wanddicke wurde für das Ausgangsmodel mit jeweils 2 mm angenommen. Die FEM-Berechnung bei Merkle CAE Solutions erfolgte jeweils als Schalenmodell.

Fazit: Der würfelförmige Behälter wiegt 16-mal so viel wie die Hohlkugel. Der zylindrische Körper etwa 15 Prozent mehr als die Kugel. Spannungen an Druckbehältern hängen maßgeblich davon ab, welche Grundform gewählt wird. Der vermeintliche Vorteil bei der Verwendung geschweißter, ebener Bleche resultiert in einem erheblich höheren Gewicht bei gleicher Sicherheit. Die Berechnung von Druckbehältern mit ebenen Wänden ist analytisch kaum noch möglich. Daher kommt es auch hier am häufigsten zu grundlegenden Dimensionierungsfehlern. Auch die Bewertung von FEM-Modellen ist hier nicht trivial, da innerhalb der Spannungskategorisierung zwischen Membranspannungen, Biegespannungen und lokalen Spannungen nach Norm zu unterscheiden ist. Durch die Konzentration der Spannungen in den Schweißnähten an den Kanten steigt zudem das Risiko, dass es zu einem vorzeitigen Versagen des Behälters kommt.

* Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle, Geschäftsführung Merkle CAE Solutions GmbH

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