FEM Zielgerichtete Simulation erhöht die Lebensdauer

Autor / Redakteur: Dr. Klaus Wilhelm, Dipl.-Ing. Wolfgang Hildensperger, Dr.-Ing. Stephan Vervoort, Evelyn Gebhardt / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Durch einfache FEM- und Fatigue-basierte Konstruktionsänderungen konnten Lebensdauer und Haltbarkeit einer Nutzfahrzeugachse bei gleichem Material- und Kosteneinsatz um das 5-fache verbessert, zielgerechte Prüfstandtests abgeleitet und die Anzahl der benötigten Prototypen signifikant reduziert werden.

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Hohe Lebensdauer, reduzierte Anzahl an Prototypen bei gleichem Material- und Kosteneinsatz: Dies ist AL-KO bei der Entwicklung einer Achse gelungen.
Hohe Lebensdauer, reduzierte Anzahl an Prototypen bei gleichem Material- und Kosteneinsatz: Dies ist AL-KO bei der Entwicklung einer Achse gelungen.
(Bild: AL-KO/André Becker)

Die Frage, wie alt man selbst wird, kann einem auch die beste Simulationssoftware nicht beantworten. Wenn es aber um die Lebensdauer von Produkten geht, gibt es einige Hilfsmittel, die entscheidende Antworten liefern können. Lebensdauersimulation hat sich in den letzten Jahren von einer Nischenanwendung zu einer in der Produktentwicklung immer häufiger eingesetzten Lösung entwickelt. Die Lebensdaueranalyse hilft, Entwicklungskosten und -zeit einzusparen, reduziert den Bedarf an realen Tests und Prototypen und liefert Aussagen über die Sicherheit und Haltbarkeit von Produkten. Außerdem unterstützt die Lebensdaueranalyse Unternehmen dabei, das Risiko von Rückrufaktionen sowie Gewährleistungskosten zu reduzieren.

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Lebensdaueranalyse als Standardprozedur einbinden

Die Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Lebensdauervorhersage sind präzise Eingabegrößen. Neben dem verwendeten Material, der Geometrie und anderen Randbedingungen sind es insbesondere die Lasten, für die eine genaue Angabe entscheidend sind, da sich die Lebensdauer bei nur 10 % höheren Lasten in der Regel halbiert. Natürlich kann man Betriebsfestigkeitsuntersuchungen auch mit physischen Langzeittests durchführen, diese sind jedoch sehr aufwendig und teuer. Um diese Kosten und diesen Zeitaufwand zu vermeiden bzw. zu reduzieren, ziehen immer mehr Unternehmen die Ermüdungsanalyse heran. Mit der HBM-Ncode-Produktsuite hat das süddeutsche Unternehmen AL-KO eine Lösung gefunden, die Lebensdaueranalyse als Standardprozedur in seine Produktentwicklung einzubinden. So ist das Unternehmen dank Simulation in der Lage, die kritischen Stellen eines Bauteils bereits aus den ersten Konzeptentwürfen zu bestimmen und zielgerichtet die vielversprechendste Variante zur Weiterentwicklung auszuwählen.

Über AL-KO

AL-KO ist ein global agierender Konzern mit drei Unternehmensbereichen: Fahrzeugtechnik, Garten & Hobby und Luft- und Klimatechnik. Weltweit hat das Unternehmen mehr als 40 Niederlassungen auf allen Kontinenten, beschäftigt rund 4000 Mitarbeiter und erwirtschaftete 2014 einen Jahresumsatz von 705 Millionen Euro. Das Portfolio von AL-KO reicht von der Entwicklung und Produktion von Fahrwerks- bzw. Chassis-Technik bis hin zum Zubehör für Reisemobile, Caravans, Nutzfahrzeuge oder Nutzanhänger – beispielsweise Anti-Schlingerkupplungen, elektrische Rangierantriebe, Lastenträger und Luftfederungen.

Der Einsatz von Simulationswerkzeugen

Für den Bereich Simulation ist bei AL-KO Wolfgang Hildensperger, Senior Referent für FEM und Betriebsfestigkeit, verantwortlich. Dazu gehören sowohl FEM-Berechnungen als auch Betriebsfestigkeitsanalysen, darüber hinaus ist er zuständig für den Schluss zwischen FEM, Betriebsfestigkeit, Versuch sowie die Anleitung von Konstrukteuren und die konstruktionsbegleitende Berechnung. Die Abteilung führt seit Jahren regelmäßig Lebensdaueranalysen durch, die FE-Analyse wird bereits seit zehn Jahren intensiv betrieben.

AL-KO setzt in seiner Vorentwicklungs- und Versuchsabteilung verschiedene CAE- und CAD-Werkzeuge ein, darunter Ncode Glyphworks zur Aufbereitung und Auswertung der gemessenen Signale und Ncode Designlife für die numerische Lebensdaueranalyse.

Der Ablauf der Lebensdaueranalyse bei AL-KO ist eine Kombination aus virtuellen und physikalischen Entwicklungs- und Testprozessen, wobei die Daten, die aus dem jeweiligen Prozessschritt gewonnen werden, als Eingabegröße für den nächsten Schritt dienen. So liefert der Versuch mit der HBM-Messtechnik Lasten, die mit Ncode Glyphworks aufbereitet und ausgewertet werden, und Ncode Designlife liefert anhand dieser Daten in Verbindung mit einer FEM-Analyse eine Lebensdaueranalyse.

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.

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.

Ergebnisse & Ausblick

Der Vorteil einer Software-Lösung wie Ncode Designlife liegt in der höheren Aussagequalität. „Durch den Einsatz eines Lebensdaueranalyse-Tools wird ein zusätzlicher Schritt im Entwicklungsprozess durchgeführt, der sich aber durch eine deutliche Verbesserung der Aussagegüte auszahlt. Wird ein Bauteil mit einer Ermüdungsanalyse ausgelegt, sind wir sicher, dass auch im Test dieselben Versagensstellen auftreten werden. So muss man sich anfänglich nur wenig Gedanken darüber machen, wo die kritischen Stellen liegen werden. Als Input wird das gemessene Zeitsignal und eine entsprechende FEM-Analyse verwendet und als Ergebnis bekommt man dann nach kurzer Berechnungszeit die kritischen Stellen und das Versagensbild", führt Wolfgang Hildensperger aus.

Weniger Prototypen

Natürlich werden immer noch Prototypen gebaut und es gibt auch immer mal wieder Iterationsschleifen, weil viele Faktoren wie die Fertigungs- und die Werkstoffqualität eine Rolle spielen. Doch die Prototypen hinsichtlich unterschiedlicher Konzepte wurden durch den Einsatz der FEM und der Lebensdaueranalyse deutlich reduziert. Am Ende steht nur noch ein Konzept, und die Entscheidung für genau dieses Konzept basiert auf der virtuellen Produktentwicklung. Die Simulation dient dabei als Freigabeschritt für den Prototypenbau.

Ermüdungsanalysen einfach einbinden

Dank der einfachen Anwendung von Ncode Designlife ist die Einbindung der Ermüdungsanalyse im Entwicklungsprozess sehr viel leichter möglich als noch vor wenigen Jahren. „Aus unserer Sicht gibt es zu der von HBM angebotenen Lösungs- und Lizenzkonstellation für Betriebsfestigkeitsanalysen und Messsignalauswertungen keine wirkliche Alternative. Bei der Entwicklung dieser Achse konnten wir dank einfacher FEM-basierter Konstruktionsänderungen die Lebensdauer und Haltbarkeit bei gleichem Material- und Kosteneinsatz um das 5-fache verbessern, zielgerechte Prüfstandtests ableiten und die Anzahl der benötigten Prototypen signifikant reduzieren. Insbesondere Ncode Designlife und Ncode Glyphworks eröffnen uns Möglichkeiten, die wir vorher so nicht zur Verfügung hatten“, fasst Wolfgang Hildensperger zusammen. (mz)

* Dr. Klaus Wilhelm Senior Vice President, R&D Europe Vehicle Technology, Alois Kober GmbH Dipl.-Ing. Wolfgang Hildensperger Senior Referent FEA / Fatigue Analysis Concept Engineering, R&D Vehicle Technology, Alois Kober GmbH Dr.-Ing. Stephan Vervoort Senior Application Engineer, HBM-nCode Produkte Evelyn Gebhardt Geschäftsführerin, Blue Gecko Marketing GmbH

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