Experimentelle Absicherung virtueller Produktoptimierungen (PDF)

Im heutigen Konstruktionsprozess technischer Produkte werden numerische Simulationsver-fahren in wachsendem Umfang eingesetzt, um dem steigenden Kosten- und Zeitdruck in der Entwicklung von Produkten Rechnung zu tragen. Für die Anwendung numerischer Simulati-onsverfahren muss das reale Produkt in ein diskretes Berechnungsmodell überführt werden. Dabei müssen gegebenenfalls durch Annahmen und Idealisierungen die komplexen Systeme vereinfacht und in einzelne Grundstrukturen zurückgeführt werden. Dies führt abhängig von der Modellbildung zu unterschiedlich guten Übereinstimmungen zwischen den Simulations-ergebnissen und der realen Situation. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Verbesserung der Modellbildung in konstruktionsbegleitenden Berechnungsprogrammen für die Simulations-verfahren Mehrkörpersimulation (MKS) und Finite-Elemente-Analyse (FEA), sowie die Un-tersuchung der Aussagefähigkeit der Lebensdauerberechnung nach der FKM-Richtlinie für Maschinenbauteile. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt anhand von Versuchsergebnissen.
Für die Validierung der Ergebnisse aus der MKS wurde das Handhabungssystem REACHRob (Redundant Elastic And Controled Hydraulic ROBot) als Experimentalsystem entwickelt und aufgebaut. Der Vergleich zwischen den Mess- und Simulationsergebnissen verschiedener Programme ergab eine hinreichend gute Übereinstimmung in den auftreten Maximalkräften der Aktoren, jedoch waren deutliche Schwächen in der Abbildung der zeitlichen Kraftverläufe zu erkennen. Erst Anpassungen der Simulationsmodelle führten zu einer Ergebnisverbesse-rung. Dadurch wurde deutlich, dass die Anwendung eines Simulationsprogramms nur nach vorheriger kritischer Auseinandersetzung damit erfolgen darf.
Für die Validierung der FE-Modellbildung wurde ein Tragelement aus dem Experimentalsys-tem in einem servohydraulischen Prüfstand untersucht. Der Ergebnisvergleich von Simulation und Versuch lies erkennen, dass bei der Wahl der Systemgrenzen im Simulationsmodell auch angrenzende Bauteile in ihrer Wirkung auf die Berechnungsergebnisse betrachtet und Ver-gleichssimulationen mit unterschiedlichen Systemgrenzen sinnvoll und notwendig sind.
Die Lebensdauerberechnung nach der FKM-Richtlinie führte für geschweißte Bauteile zu einer sehr konservativen Auslegung. Eine Ursache dafür ist der fehlende Einfluss der Festig-keit des Grundwerkstoffes in die Berechnung der Schweißnähte. Eine Berücksichtigung der Eigenschaften des Grundwerkstoffes führte zu einer deutlichen Ergebnisverbesserung.
In weiterführenden Arbeiten ist für die erlangten Erkenntnisse eine statistische Absicherung notwendig. Besonders vor Änderungen der Vorschriften der FKM-Richtlinie sind Untersu-chungen zur Absicherung der Allgemeingültigkeit einer Abhängigkeit der Schweißnahtfestig-keit von den Eigenschaften des Grundwerkstoffes durchzuführen.