FEM

Zielgerichtete Simulation erhöht die Lebensdauer

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Anwendungsbeispiel Fahrzeugachse

Ein Beispiel aus dem Bereich Fahrzeugentwicklung, das die einzelnen Entwicklungsschritte verdeutlicht, ist eine kürzlich von AL-KO entwickelte und produzierte 13"-Achse für den Nutzfahrzeugbereich.

Für die Grundauslegung und die Entwicklung eines Achskonzeptes definierten die Konstrukteure zunächst das Lastkollektiv, wie diese Achse betrieben wird und welche Fahrmanöver in welcher Häufigkeit auftreten.

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Für das Konzept im CAD-System erstellte das Team daraufhin ein Modell, mit dem sie anschließend eine FEM-Berechnung durchführten. Bei der FE-Analyse erhielten die Konstrukteure Unterstützung durch den Berechnungsexperten, damit ermittelt werden konnte, welche Lastfälle berechnet, wie die Randbedingungen aufgebracht werden müssen und wie die Spannungsbewertung durchzuführen ist.

Das Ergebnis der FE-Analyse war die quasistatische Bewertung des Konzepts hinsichtlich der Standardlastfälle. So konnte die FE-Analyse auf viele wichtige Fragen Antworten liefern, z.B. ob die Achse eine Schlaglochdurchfahrt oder eine extreme Kurvenfahrt übersteht. Dabei wurde auch bewertet, ob das Spannungsniveau unter der Werkstoffstreckgrenze liegt und ob das System unter bestimmten Voraussetzungen kollabiert. Mit Hilfe kosten- und gewichtsneutraler Möglichkeiten konnten die Konstrukteure in diesem Entwicklungsstadium potenzielle Schwachstellen eliminieren.

Geringer Aufwand für die Betriebsfestigkeitsbestimmung

Nach der Grundauslegung baute das Team ein Funktionsmuster, mit dem versuchsseitig das Lastkollektiv gemessen werden konnte. Dazu gehörten Straßen- und Teststreckenfahrten sowie Sondermanöver wie die „Sleeping Policeman“-Überfahrt (die Überfahrt einer verkehrsregulierenden Bodenwelle) und Schlaglochdurchfahrt. Direkt im Anschluss wertete man mit Ncode Glyphworks die Messergebnisse hinsichtlich Lastkollektivzusammenstellung aus. Mit Ncode Designlife werden die als Kollektiv zusammengefassten Einzelmessungen berechnet und simuliert. So wurde es möglich, kritische Stellen zu erkennen und Ersatzlastfälle zu bestimmen. Mit diesen können dann, mit einfachen Kraftkonstellationen, die kritischen Stellen wiedergegeben werden, um daraus wiederum Tests abzuleiten. So konnte der Aufwand der Betriebsfestigkeitsbestimmung so gering wie möglich gehalten werden.

Versuchsergebnisse mit Funktionsmuster abgleichen

„Die Betriebsfestigkeitsanalyse ist ein zusätzlicher Schritt in der Entwicklung, den man natürlich möglichst effizient gestalten möchte. Deswegen verwenden wir Ersatzlastfälle, um mittels FEM-Analyse virtuelle Prüfstandtests abzuleiten. Diese virtuellen Prüfstandtests werden dann in reale Prüfstandtests umgesetzt und geben Rückmeldung darüber, ob die berechnete Lebensdauer und die Lastwechsel mit den Versuchsergebnissen korrelieren. Mit dem Funktionsmuster, mit dem das Lastkollektiv gemessen wurde, wurden Fahrtests auf der Teststrecke durchgeführt, um eine Aussage zur absoluten Lebensdauer zu erhalten und die Korrelation FEM, Prüfstand und Fahrtest erstellen zu können. Wichtig war, dass mit dem identischen Konstruktionsstand sowohl die FEM-Rechnung als auch die Betriebsfestigkeitsanalyse, der Prüfstandtest und der Fahrtest durchgeführt wurde", erläutert Wolfgang Hildensperger den Prozess.

Konzepte mithilfe der Simulation kostengünstig bewerten

Die Ergebnisse zeigten, dass in der Rechnung, am Prüfstand und im Fahrtest qualitativ dieselben Versagensstellen auftraten. Lediglich die Faktoren untereinander gingen anfangs naturgemäß auseinander. Nach der Korrelation konnten die Ingenieure Aussagen darüber treffen, an welcher Stelle die Spannung und die Belastungen reduziert werden mussten, um dann die gewünschte Lebensdauer im Fahrtest zu erreichen, der als Praxisanwendung den Maßstab definiert.

Diese Vorgehensweise bietet sich vor allem dann an, wenn nicht jede einzelne Variante als realer Prototyp getestet werden soll. Da die Herstellung der für die Blechumformung benötigten Werkzeuge äußerst aufwändig ist, sind die Kosten und auch der Zeitaufwand in der Konzeptphase zu hoch, um jede Variante real zu testen. Zu Beginn ist daher die Simulation zur Bewertung der Konzepte am sinnvollsten. Erst später im Funktionsmusterbau ist es dann zielführend, sich an den Serienzustand anzulehnen, so dass am Ende „nur noch“ die Hilfswerkzeuge in den Serienzustand überführt werden müssen.

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