Projekt Schweisskon-struktion
Autor: J. te Heesen (Praktikant) Datum: 31.10.2016 Betreuer: G. Franzoso, S.Künzli Firma: CADFEM Schweiz AG
Projekt Schweisskonstruktion
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Zusammenfassung Zur Schulung in der FEM-Simulation von Strukturbauteilen wurde im Rahmen eines Praktikums bei
der Firma CADFEM ein Übungsbeispiel aus einem Fachbuch nachgerechnet. Es handelt sich hierbei
um eine tragende Schweisskonstruktion einer Kippvorrichtung für Mulden. Die Geometrie als Grund-
lage der Berechnung wurde vom Autor zur Verfügung gestellt. Ziel der Untersuchung war die Verifi-
kation der Spannungsverhältnisse und Deformationen der Bauteile sowie eine Auswertung der
Schweissnähte. Des Weiteren sollten die Ergebnisse mit denen aus dem Fachbuch verglichen werden.
Als Simulationswerkzeuge stand ANSYS Workbench 17.2 zur Verfügung. Die Rohgeometrie wurde
zunächst mit dem CAD-Tool SpaceClaim für die Berechnung optimiert. Parallel zur Auswertung des
Originalmodelles, welches partiell Schweissnähte als Solid-Geometrie enthielt, wurde ein Schalen-
modell sowie ein Modell mit exakt modellierten Schweissnähten erstellt. Das Modell mit der Origi-
nalgeometrie wurde verwendet, um die Simulationsergebnisse aus dem Fachbuch möglichst genau
zu reproduzieren. Das Schalenmodell wurde mit Hilfe des FKM-Tools von ANSYS analysiert, beim
exakten Modell wurde auf saubere Ausführung der Schweissnähte geachtet, speziell wurden diese an
den kritischen Stellen mit Übergangsradius modelliert. Im Verlaufe des Projektes kam noch eine 3D-
Version des FKM-Tools heraus, welche zusätzlich anhand der Geometrie des Vergleichsmodells ge-
testet wurde. Des Weiteren kam das Schraubenanalysetool BAIA zum Einsatz. Alle drei Modelle wur-
den einander gegenübergestellt und verglichen. Die detailliert gezeichneten Schweissnähte nach
Norm gezeichnet wiesen die besten Ergebnisse auf. Die FKM-Tools lieferten für diese Geometrie nur
teilweise zufriedenstellende Ergebnisse, da die Originalgeometrie zur Anwendung dieser Tools weni-
ger geeignet ist. Im Fachbuch fehlen Auswertungen nach Norm.
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Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung .................................................................................................................2
1. Ausgangslage .................................................................................................................5
2. Ziele der Untersuchung ....................................................................................................5
3. Geometrie und Material...................................................................................................5
4. Aufbereitung der Rohdaten ..............................................................................................6
4.1 Voll ausmodellierte Schweissnähte .............................................................................6
5. Randbedingungen der Simulation ......................................................................................7
5.1 Kontakte und Kontaktflächen .....................................................................................7
5.2 Vernetzung..............................................................................................................9
5.2.1 Vernetzungsdetails des Vergleichsmodells ............................................................9
5.2.2 Vernetzung des Schalenmodells ........................................................................ 10
5.2.3 Vernetzung des Volumenmodells mit voll ausmodellierten Schweissnähten............. 11
5.2.4 Vernetzung des Volumenmodells für das 3D-FKM-Tool ......................................... 11
5.3 Schraubenverbindungen ......................................................................................... 13
5.4 Belastungen und Supports ....................................................................................... 14
6. Ergebnisse ................................................................................................................... 15
6.1 Nachbau der Simulation aus dem Fachbuch ............................................................... 15
6.1.1 Vergleich der von-Mises-Spannungen................................................................. 15
6.1.2 Vergleich der Gesamtdeformationen.................................................................. 16
6.1.3 Lagerreaktionen .............................................................................................. 17
6.1.4 Problematische Stellen..................................................................................... 18
6.1.3 Auswertung von Schweissnähten ............................................................................ 19
6.2 Ergebnisse des Schalenmodells mit dem 2D-FKM-Tool ................................................. 22
6.2.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor ..................................................... 22
6.2.2 Totale Deformation ......................................................................................... 22
6.2.3 Lagerreaktionen .............................................................................................. 23
6.2.4 Auswertung der Schweissnähte ......................................................................... 23
7. Ergebnisse des Volumenmodells mit dem 3D-FKM-Tool .................................................. 26
7.1.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor ..................................................... 26
7.1.2 Totale Deformation ......................................................................................... 26
7.1.3 Lagerreaktionen .................................................................................................... 26
7.1.3 Auswertung der Schweissnähte ......................................................................... 27
8. Ergebnisse des Submodells mit ausmodellierten Schweissnähten ..................................... 29
8.1.1 Von-Mises-Spannungen und Fehlerenergie ......................................................... 29
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8.1.2 Totale Deformation ......................................................................................... 33
8.1.3 Untersuchung der Schraubenverbindung ............................................................ 33
9. Diskussion.................................................................................................................... 35
9.1 Vergleich der Simulationen ...................................................................................... 35
9.2 Diskussion der Modelle ........................................................................................... 36
9.3 Diskussion der Vorgehensweise im Fachbuch ............................................................. 36
10. Ausblick.................................................................................................................... 37
11. Quellen .................................................................................................................... 38
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1. Ausgangslage Im Rahmen eines Ausbildungspraktikums bei der Firma CADFEM Schweiz AG in Aadorf wurde ein
Übungsbeispiel aus dem Lehrbuch „FEM-Praxis mit SolidWorks“ von Michael Brand nachgerechnet
[1]. Es handelt sich dabei um das Beispiel 8 „Berechnung einer Schweisskonstruktion“. Die Geometrie
der Schweisskonstruktion in Form einer STP-Datei konnte von der Internetseite des Springer-Vieweg-
Verlages heruntergeladen werden. Zur Überprüfung dieses Beispiels standen die Softwaretools von
ANSYS „SpaceClaim 17.2“ und „Workbench 17.2“ zur Verfügung.
2. Ziele der Untersuchung Hauptzweck der Untersuchung dieses Beispiels war die Ausbildung in den Softwaretools von ANSYS
sowie das Aneignen der Denkweise eines Ingenieurs. Das Beispiel aus dem Buch sollte zum einen
analog zur Vorgehensweise im Buch durchgerechnet werden, zum anderen sollten der Vorgehens-
weise aus dem Fachbuch drei Vorgehensweisen der Firma CADFEM gegenübergestellt werden. Dies
wären im speziellen das „FKM-Inside-Ansys-Tool“ in der 2D- und 3D-Ausführung, zum anderen eine
saubere Ausmodellierung der Schweissnähte nach Norm. Mittels dieser beiden Verfahren sollen die
Ergebnisse aus dem Fachbuch überprüft werden. Neben den im Buch angesprochenen Nähten am
Grundkörper wurden weitere Nähte dem Lagerbock angefügt und untersucht.
3. Geometrie und Material Da die Kippvorrichtung aus zwei identischen Schweisskonstruktionen beidseitig der Mulde besteht,
wurde nur ein Gerüstteil mit halber Gesamtlast als Simulationsgeometrie benutzt. Das verwendete
Material ist gemäss Buch Seite 152 ein nichtlegierter Baustahl. Für die folgenden Berechnungen wur-
de von einem Baustahl S235 ausgegangen. Die Verbindung zwischen Quertraverse und Aufbau ist
gemäss Fachbuch ein fixiertes Gelenk, im ausführlichen Modell wurden Schraubenverbindungen
verwendet. Diese besteht aus zwölf Zylinderkopfschrauben der Dimension M24x60 und Festigkeits-
klasse 8.8. Die Schrauben wurden mit
SpaceClaim gezeichnet, da sie nicht im
Modell enthalten waren. Der Reibungs-
koeffizient der Schraubenverbindung
beträgt 0.14. Das Koordinatensystem liegt
etwa mittig auf der Quertraverse. Da im
Verlauf dieses Projektes auch die Flä-
chenpresskraft durch den Schraubenkopf
auf die Auflageplatte des Lagerbocks be-
rechnet wird, wurde der maximale Druck
für die Grenzflächenpressung mit Hilfe
der VDI 2230 Norm bestimmt. Unter der
Annahme, einen niedriglegierten Stahl
vorliegen zu haben, wurde ein Mittelwert
von 500 MPa für die zulässige Flächen-
pressung definiert [3]. Es wurden nur
lineare Materialeigenschaften verwendet.
Abbildung 1: Rohteilgeometrie der Schweisskonstruktion
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4. Aufbereitung der Rohdaten Um den Rechenaufwand der Simulation zu reduzieren, wurden am Originalmodell für diesen Versuch
unwichtige Details an der Geometrie mit Hilfe von SpaceClaim entfernt. Hierbei handelte es sich vor
allem um diverse Bohrungen, deren Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit des Modells vernachlässigbar
ist. Es wurde am Gerüst ein Blechteil entfernt, welches offensichtlich keinen Einfluss auf die Simulat i-
on hat. Des Weiteren wurde eine Lücke im Gerüst geschlossen. All diese Anpassungen wurden
durchgeführt um die Komplexität der Vernetzung zu reduzieren. Alle Bauteile einer Unterbaugruppe,
ausser den modellierten Schweissnähten, sind in einer sogenannten „Shared Topology“ enthalten.
Für die spätere Anwendung des 2D-FKM-Tools wurde diese bereits vereinfachte Geometrie zusätzlich
noch zu einem Schalenmodell umgewandelt. Schalenmodelle benötigen bedingt durch die einfachere
Vernetzung bedeutend weniger Rechenzeit. Für das ausführliche Modell wurde die Originalgeomet-
rie noch weiter optimiert. Zum einen wurden die vorhandenen Schweissnähte gelöscht. Dann wur-
den alle Blechteile miteinander verbunden, so dass die Baugruppe schlussendlich nur noch aus vier
Bauteilen bestand, aus der Quertraverse, dem Gerüstaufbau, dem Lagerbock sowie dem Befesti-
gungsbolzen. Am Lagerbock und an der Quertraverse wurden dann Schweissnähte nach FKM-Norm
[4] modelliert, also mit Übergangsradius von 1mm.
Für die zusätzlichen Untersuchungen am Lagerbock wurden Nähte nach Norm ausgelegt und unter-
sucht. Die Dimensionierung der Schweissnähte am Lagerbock wurde den Geometriebedingungen des
Lagerbocks angepasst. Nach Norm muss das Mass „a“ der Schweissnaht, welches als Höhe des Quer-
schnittdreiecks definiert ist, mindestens die halbe Blechdicke des Dünneren der beiden verschweiss-
ten Bleche haben. So wurden die horizontalen Nähte am Lagerbock mit Nähten der Seitenlänge 20
mm versehen (a = 14.14 mm). Aus Platzgründen wurden im Falle der vertikalen Nähte am Lagerbloch
Nähte der Seitenlänge 10 mm modelliert (a = 7.07 mm).
4.1 Voll ausmodellierte Schweissnähte
Um die Vereinfachungen und die FKM-Tools zu verifizieren wurde ein Modell mit Submodellen, wel-
che detaillierte Schweissnähte enthalten erstellt. Die Schweissnähte sind nach FKM-Norm gezeich-
net, das heisst die Übergangsecken der Schweissnähte sind mit Radius 1 mm abgerundet und die
Wurzel der Schweissnähte ist ebenfalls mit Rundungsradius 1 mm freigestellt (Beispiele Abbildung 2
und Abbildung 3).
Abbildung 2: Schweissnähte am Lagerbock
Abbildung 3: Geschweisster Stoss nach Norm
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5. Randbedingungen der Simulation
5.1 Kontakte und Kontaktflächen
Die Basis einer Berechnung mit ANSYS Workbench bildet die Wahl geeigneter Kontaktflächen. In die-
sem Projekt wurden zwei verschiedene Kontakttypen angewendet. In Abbildung 4Abbildung 4 bis
Abbildung 5 sind die jeweiligen Bereiche dargestellt, welche mit einem „Frictional“-Kontakt verbun-
den wurden. Hierbei handelt es sich um einen nicht-linearen Kontakttyp. Als Parameter muss hier ein
Haftreibungskoeffizient angeben werden, in diesem Projekt wurde ein Koeffizient von 0.14 gewählt.
Der Kontakttyp „Frictional“ kann Scherbelastungen bis zu einem gewissen Wert aufnehmen, bevor es
zu verrutschen kommt. Dieser Kontakttyp lässt ein auseinanderklaffen der Kontaktflächen zu. Zur
Formulierung der Kontaktalgorithmen wurde das „Pure Penalty“-Verfahren gewählt.
Abbildung 4: Frictional Kontakt Lagerbock (Contact)
Abbildung 5: Frictional Kontakt Lagerbock (Target)
Abbildung 6: 2x Frictional Kontakt Aufbau (Contact)
Abbildung 7: 2x Frictional Kontakt Aufbau (Target )
Der Bolzen, welcher zuoberst im Aufbau platziert ist, ist ebenfalls mittels eines „Frictional“ -Kontakts
verbunden, unter den gleichen Bedingungen wie der Aufbau die Quertraverse berührt. Dieser Kon-
takt ist nur im Vergleichsmodell sowie im Modell mit den detaillierten Schweissnähten vorhanden.
Da der Bolzen beim Schalenmodell fehlt, verfügt dieses Modell nur über diese drei Kontaktregionen.
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Das Vergleichsmodell weist an den Schweissnähten noch mehrere „Bonded“-Kontakte auf, welche
mit dem Multipoint-Constraint-Verfahren formuliert werden. Um saubere Kontaktbedingungen zu
erhalten, wurden auf den Bauteilen, welche durch die jeweiligen Schweissnähte verbunden werden,
Imprints mit SpaceClaim generiert (Abbildung 8 und Abbildung 9). Der Boden dieses Modells weist
zwei kleine Lücken auf, diese wurden auch mittels „Bonded“-Kontakt miteinander verbunden. Auf
diese Lücke wird im nächsten Kapitel (Vernetzung) nochmals eingegangen.
Abbildung 8: Schweissnaht mit verdeckten Imprints
Abbildung 9: Imprints auf den verbundenen Bauteilen
Das Modell mit den detaillierten Schweissnähten verfügt des Weiteren über zwölf Schrauben. Diese
sind sowohl mit „Bonded“-Kontakten im Bereich der Gewinde verbunden (ebenfalls mit Imprints), als
auch mit „Frictional“-Kontakten im Bereich der Auflagefläche der Schraubenköpfe. Da die Schrauben
feiner vernetzt sind, sind sie jeweils als Contact und der Lagerbock, respektive der Aufbau, als Target
definiert.
Im Vergleichsmodell und in den beiden Modellen mit dem FKM-Tool werden Grundkörper und Auf-
bau mit „Fixed Joints“ verbunden. Einzig im Modell mit den detaillierten Schweissnähten kommt das
Bolt Assessment Tool BAIA als Nebenuntersuchung zum Einsatz.
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5.2 Vernetzung Die Vernetzung der Modelle ist leicht unterschiedlich, sie ist den jeweiligen Bedingungen etwas an-
gepasst. Es wurde dennoch darauf geachtet, dass die Modelle miteinander vergleichbar sind. In Ab-
bildung 10 ist ein Überblick ersichtlich, welcher verdeutlichen soll, welche Bezeichnungen für die
jeweiligen Bauteile gewählt wurden. Die Vernetzung der Bauteile wurde je nach Anforderung an die
Simulation lokal etwas angepasst. Auf diese Anpassungen wird im Folgenden jeweils kurz eingegan-
gen.
Abbildung 10: Überblick der verwendeten Begriffe für Unterbaugruppen der Schweisskonstruktion
5.2.1 Vernetzungsdetails des Vergleichsmodells
Im Vergleichsmodell wurde die maximale Elementgrösse auf 30 mm festgelegt, dies weil im Buch
ebenfalls diese Elementgrösse verwendet wird. Das ganze Modell wurde mit dieser Elementgrösse
vernetzt, die Form der verwendeten Elemente sind Tetraeder (Abbildung 11).
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Abbildung 11: Vernetzung des Vergleichsmodells
Lediglich in der im vorigen Kapitel angesprochenen Lücke musste die Elementgrösse etwas verringert
werden (neu 8 mm), um Kontaktprobleme und somit Konvergenzprobleme zu vermeiden (Abbildung
12).
Abbildung 12: Verringerte Netzgrösse bei Kontaktlücke im Boden
5.2.2 Vernetzung des Schalenmodells Im Schalenmodell wurde eine generelle Netzgrösse von 8 mm gewählt, dies weil mit diesem Modell
auch noch die Genauigkeit der Ergebnisse gegenüber dem Vergleichsmodell erhöht werden sollte. Es
wurde mittels einer Methode die Elementform Tetraeder definiert. Um die Auswertung nach FKM-
Norm mittels der Hot-Spot-Methode zu verbessern, wurde lokal die Elementgrösse reduziert. Dies
betrifft bei diesem Modell lediglich den Lagerbock. Dieser wurde mit einer Elementgrösse von 1 mm
vernetzt. Aus Gründen der Darstellung wird auf eine Abbildung der Vernetzung verzichtet.
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5.2.3 Vernetzung des Volumenmodells mit voll ausmodellierten Schweissnähten Am detailliertesten sind die Submodelle dieses Volumenmodells vernetzt. Das gröber vernetzte
Hauptmodell ist übergeordnet mit einem 30 mm Netz versehen. Ausser dem Bolzen und den model-
lierten Schrauben besteht das ganze Netz aus Tetraedern. Der Lagerbock wurde mit 10 mm vernetzt.
Der Bolzen (Abbildung 13) und die Schrauben (Abbildung 14) sind die einzigen Elemente mit einer
Hexaeder-Vernetzung. Die Vernetzungsgrösse des Bolzens wurde auf 10 mm festgelegt, mit einer
Verfeinerung von 5 mm an den Auflageflächen. Die Schrauben wurden generell mit 4 mm Netzgrösse
versehen.
Abbildung 13: Vernetzung des Bolzens
Abbildung 14: Vernetzung der Schrauben
Die Submodelle wurden jeweils mit einer maximalen Netzgrösse von 1 mm modelliert, die Über-
gangsradien wurden mit 0.1 mm Netzgrösse deutlich feiner vernetzt.
5.2.4 Vernetzung des Volumenmodells für das 3D-FKM-Tool Für das 3D-FKM-Tool wurde ebenfalls ein Volumenmodell erstellt. Dieses wurde ebenfalls generell
mit 30 mm Netzgrösse versehen. Der Lagerbock wurde dabei mit 10 mm etwas feiner vernetzt, da
hier das FKM-Tool zur Anwendung kommt. Des Weiteren wurden noch drei Kanten feiner vernetzt,
da auch hier die Hot-Spot-Methode zur Kontrolle angewendet wurde (Abbildung 15 und Abbildung
16).
Abbildung 15: Feinere Kante am Lagerbock
Abbildung 16: Feinere Kante am T-Stoss
Der Bolzen wurde gleich wie beim anderen Volumenmodell vernetzt.
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Die Modelle bestehen nach der Vernetzung aus den folgenden Anzahlen an Elementen und Knoten:
Modell Anzahl Elemente Anzahl Knoten Mittlere Elementqualität Vergleichsmodell 118‘226 229‘767 68%
Schalenmodell 308‘543 613‘908 96% Volumenmodell 3D-FKM 325‘375 583‘579 76%
Detailliertes Hauptmodell 192‘515 437‘898 68% Submodell 1 9‘239‘719 13‘047‘727 84% Submodell 2 288‘015 1‘201‘995 87%
Submodell 3 294‘588 1‘240‘339 64% Tabelle 1: Vergleich der Vernetzung der verschiedenen Modelle
Im Buch bestand das Modell aus 108593 Elementen und 208442 Knoten. Zur Netzqualität werden
keine Angaben gemacht. Diese dürfte vergleichbar sein mit der des Vergleichsmodells.
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5.3 Schraubenverbindungen Neben den Überprüfungen der Schweissnähte wurde auch die Schraubenverbindung zwischen dem
Träger und den Aufbauelementen auf Festigkeit überprüft. Dies wurde einerseits wie im Fachbuch
mit fixierten Gelenken durchgeführt, andererseits mit dem Bolt Assessment Tool (BAIA) von Ansys.
Um die Bauteile zu verbinden wurde eine M24x50 Zylinderkopfschraube der Festigkeitsklasse 8.8
konstruiert und eingefügt. Gemäss VDI 2230 [2] wurden die Schrauben mit einer Vorspannkraft von
183 kN versehen. Die Schrauben sollen bezüglich Festigkeit, Flächenpressung unter dem Schrauben-
kopf und Verrutschen überprüft werden.
Abbildung 17: Schraubenverbindungen für die Simulation mit BAIA
Die Schrauben wurden mittels einer Multizone mit Hexaedern vernetzt. Dies weil mit dieser Element-
form eine höhere Qualität und Regelmässigkeit der Vernetzung erreicht werden kann. Die Vernet-
zung der Schrauben ist exemplarisch in Abbildung 14 ersichtlich.
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5.4 Belastungen und Supports In Abbildung 18 ist eine teilweise Übersicht zu sehen, an welchem Punkt der Schweisskonstruktion
welcher Support oder welche Last definiert ist. Der Lastfall „Label D“ in der Legende ist in dieser Ab-
bildung nicht ersichtlich, er wird in Abbildung 19 gezeigt.
Abbildung 18: Lastanbringung und Supports unterer Teil
Die Schweisskonstruktion ist an den beiden Bodenplatten (Label A und B) fest eingespannt. Der Last-
fall, wie er im Buch beschrieben ist, setzt sich aus zwei Kräften an zwei Angriffspunkten zusammen.
Es wird ein Augenblick simuliert, in welchem eine Mulde zum Kippen angehoben wird. Der Hydraulik-
zylinder, welcher die Kraft aufbringt um die Mulde anzuheben, ist am Lagerbock befestigt, der in
Abbildung 18 mit „Label C“ beschriftet ist. Der zweite Angriffspunkt ist zugleich der Drehpunkt der
Kippmulde, dies ist der Bolzen, welcher in Abbildung 19 ersichtlich ist. Die beiden beschriebenen
Kräfte liegen jeweils in der X-Y-Ebene des angezeigten Koordinatensystems. Kurz nach dem Anhe-
bend der Mulde sind die Kraftrichtungen näherungsweise entgegengesetzt. Die Kraft am Lagerbock
teilt sich auf in 46 kN in X-Richtung und -369.5 kN in Y-Richtung, respektive am Bolzen in -46 kN in X-
Richtung und 148.7 kN in Y-Richtung. Die Kräfte wurden als „Bearing Load“ simuliert.
Abbildung 19: Lastanbringung oberer Teil
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6. Ergebnisse
6.1 Nachbau der Simulation aus dem Fachbuch
6.1.1 Vergleich der von-Mises-Spannungen Um den Nachbau zu verifizieren wurden die Bilder mit den Sondierungsergebnissen aus dem Fach-
buch nachgestellt. Die Spannungs-Labels wurden rein optisch nach der Vorgabe aus dem Buch plat-
ziert. Die Farbskala wurde ebenfalls der Skala aus dem Buch nachempfunden (Maximalwert 60 MPa).
Auch wurde auf Konturbänder bei der Farbdarstellung verzichtet, um optisch ein vergleichbares Er-
gebnis zu erzielen. In Abbildung 20 ist der Kopfbereich der Konstruktion dargestellt. Die Label-Werte
weichen maximal 7.1% ab. Eine Ausnahme bilden die Sondierungswerte 21.26 und 19.593. Diese sind
markant geringer, was auf die fehlenden Bohrungen um den Bolzen herum zurückzuführen ist.
Abbildung 20: Stelle 1, Bereich des Bolzens oben
Gleich wurde für Stelle 2, also im Bereich des linken Radsatzes verfahren. Auch hier wurden Ver-
gleichs-Labels gesetzt. Die maximale Abweichung der gesetzten Messpunkte beträgt 4.2%.
Abbildung 21: Bereich Stelle 2, Befestigung Radsatz links
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Ebenso Stelle 3. Die Abweichung der Messpunkte beträgt maximal 2.5%.
Abbildung 22: Stelle 3, Befestigung Lagerbock
Auf eine Darstellung von Stelle 4 wird verzichtet, da die Ergebnisse ebenfalls vergleichbar waren.
6.1.2 Vergleich der Gesamtdeformationen Die Deformation der gesamten Schweisskonstruktion beträgt maximal 2.43 mm am obersten Punkt
der Konstruktion (Abbildung 23). Das Fachbuch gibt eine maximale Deformation von 2.37 mm an. Der
Unterschied zwischen beiden Simulationen bezüglich der maximalen Gesamtdeformation beträgt
somit 2.6 %. In der übertriebenen Darstellung ist deutlich ein abheben der Aufbauelemente zu sehen.
Abbildung 23: Deformation links realistisch und rechts übertrieben (250-fach)
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6.1.3 Lagerreaktionen Da die gesamte Konstruktion Kräftemässig im Gleichgewicht sein muss, wurden die Lagerreaktionen
untersucht. In Abbildung 24 ist die Richtung der Lagerreaktionskraft A ersichtlich, in Abbildung 25
sind die Komponenten der Reaktionskraft A ersichtlich. Hierbei ist anzumerken, dass nur Zeitschritt 1
relevant ist (Zeile 3 der Tabelle).
Abbildung 24: Resultierende der Lagerreaktion A
Abbildung 25: Kraftkomponenten der L agerreaktion A
Gleiches wurde für die Lagerreaktion B durchgeführt. Richtung und Komponenten der Reaktion sind
in Abbildung 26 und Abbildung 27 dargestellt. Auch hier ist nur Zeitschritt 1 zu beachten.
Abbildung 26: Resultierende der Lagerreaktion B
Abbildung 27: Kraftkomponenten der L agerreaktion B
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6.1.4 Problematische Stellen Der Nachbau des Modells aus dem Buch offenbarte einige problematische Stellen, welche in der Fol-
ge noch genauer untersucht werden, vor allem auch an den anderen Modellen. Die erste Stelle, die
in dieser Untersuchung als kritisch eingestuft wurde (Abbildung 28), ist die Befestigung des Lager-
bocks. An den Kanten, an welchen dieser vermutlich ebenfalls angeschweisst ist, treten hohe Von-
Mises-Spannungen auf. Diese liegen zwar unterhalb der Streckgrenze, dennoch sollten diese näher
untersucht werden. Es ist in dieser Untersuchung nicht klar, ob es sich um ein mathematisches Prob-
lem handelt oder ob hier tatsächlich hohe Spannungen auftreten. An dieser Stelle wird angenom-
men, dass diese ebenfalls mit 10 mm breiten Schweissnähten verbunden wurden.
Abbildung 28: Problematische Stelle 1, Lagerbock
Eine weitere problematische Stelle ist in Abbildung 29 aufgezeigt. Die Stelle mit dem Label „115.9
MPa“ wird in einem späteren Modell untersucht, in welchem das Bolt Assessment Tool BAIA zur An-
wendung kommt. Die Stelle mit dem Label „123.61 MPa“ wird ebenfalls nach der FKM-Norm unter-
sucht, respektive in den weiteren Modellen noch mit ausmodellierten Schweissnähten respektive
noch mit dem 2D-FKM-Tool (beim Schalenmodell) und dem 3D-FKM-Tool (3D-Modell).
Abbildung 29: Problematische Stelle 2, Schraubenverbindung und Support-Platte
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6.1.3 Auswertung von Schweissnähten Um die Festigkeit von Schweissnähten zu bewerten, wurde das Strukturspannungsverfahren der
FKM-Norm angewendet. In Abbildung 30 ist ersichtlich, welche Stelle für eine genauere Überprüfung
ausgewählt wurde. Der blaue „Min-Label“ markiert eine Stelle, welche gemäss Hauptspannungs-Plot
einen Wert von etwa 280 MPa aufweist. Dies gibt einen Hinweis darauf, dass die Schweissnaht an
dieser Stelle potentiell gefährdet ist. Also wurde orthogonal zur Naht ein Pfad definiert, entlang wel-
chem Werte aufgenommen werden sollten (Abbildung 31).
Abbildung 30: Wahl der Auswertungsstelle
Abbildung 31: Pfad zur Auswertung
Die Ergebnisse der Spannungsanalyse sind in Abbildung 32 dargestellt. Der Pfad beginnt bei Punkt 1
(Abbildung 31), ist 80 mm lang und endet bei der Wurzel der Schweissnaht. Die Schrittgrösse ent-
spricht 1 mm, um Spannungswerte für eine Analyse gemäss Hot-Spot-Methode zu erhalten. Das dün-
nere der beiden verschweissten Bleche ist 15 mm dick, es wurde aber eine 20 mm breite Schweiss-
naht modelliert, damit der Nahtquerschnitt „a“ in etwa der Dicke des Bleches entspricht. Dieser Wert
von 20 mm dient als Referenzdistanz zum Auswerten der Schweissnaht. In der Tabelle von Abbildung
32 ist nur der interessante Bereich von 40 mm bis 80 mm dargestellt.
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Abbildung 32: Spannungskurve entlang des gewählten Pfades
Die folgende Formel entspricht der Hot-Spot Methode. Die auszuwertende Spannung der Schweiss-
naht entspricht dem Spannungswert entlang des Pfades, welcher 100% der Blechdicke entfernt vom
Nahtfuss liegt minus den Spannungswert in einer Entfernung von 40% der Blechdicke. Die beiden
Spannungswerte sind zusätzlich skaliert. Da die Schweissnähte 20 mm breit modelliert wurden be-
ginnt der Fuss der Naht also bei 60 mm.
Formel gemäss Hot-Spot-Methode:
Mit Zahlenwerten bei 40 mm gemäss Tabelle respektive 52 mm:
In Abbildung 33 ist eine weitere Problemzone ersichtlich, hier sind die Hauptspannungen ebenfalls
deutlich erhöht. In Abbildung 34 ist der Pfad zur Auswertung abgebildet.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 33: Hauptspannungen am Fuss der Konstruktion
Abbildung 34: Pfad am Fuss
Der Pfad ist wiederum 80 mm lang. Somit wurden auch für diesen Problemfall die Spannungswerte in
den gleichen Abständen aufgenommen, da die Blechdicke hier ebenfalls 15 mm beträgt.
Abbildung 35: Spannungswerte entlang de s Pfades
Mit Zahlenwerten bei 40 mm gemäss Tabelle respektive 52 mm:
Im Bereich des Grundkörpers konnten keine Schweissnaht-Auswertungen nach Norm vorgenommen
werden, da die Extrapolationsflächen zu klein waren.
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6.2 Ergebnisse des Schalenmodells mit dem 2D-FKM-Tool
6.2.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor
Die maximalen Von-Mises-Spannungen sind im Bereich der Bohrungen zu finden und betragen rund
815 MPa. Dieser Wert ist allerdings nicht relevant, da die Schraubenverbindung im 3D-Modell mit
dem BAIA untersucht wird. An einer vergleichbaren Stelle wie im vorherigen Modell kann ein Span-
nungswert von rund 287 MPa herausgelesen werden (Maximalwert an der Kante). Spannungswerte
höher als 110 MPa treten nur in direkter Nähe zu scharfen Kanten auf. Diese werden separat ausge-
wertet.
Abbildung 36: Von-Mises-Spannungen am Schalenmodell
6.2.2 Totale Deformation
Die totale Deformation des Schalenmodells beträgt im Maximum 2.35 mm. Die Abweichung gegen-
über dem Modell beträgt am Punkt der maximalen Deformation etwa 1 %.
Abbildung 37: Totale Deformation am Schalenmodell, rechts 260-fach verstärkt
Projekt Schweisskonstruktion
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6.2.3 Lagerreaktionen Die Lagerreaktionen in der X-Richtung sind entgegengesetzt etwa gleich gross. Verglichen mit dem
Referenz-Modell aus dem letzten Kapitel sind die X-Achsen-Lagerreaktionen betragsmässig etwa
11076 N grösser.
Abbildung 38: Lagerreaktionen am Fixed Support A
Abbildung 39: Lagerreaktionen am Fixed Support B
6.2.4 Auswertung der Schweissnähte
Das Schalenmodell ist speziell für das 2D-FKM-Tool von ANSYS aufgestellt worden. Die Untersuchung
mit diesem Tool ergab für die Schweissnähte am Lagerbock gemäss Abbildung 40 Auslastungsgrade
von bis zu 220 % an den vertikalen Nähten respektive rund 85 % an den horizontalen Nähten.
Abbildung 40: Schweissnähte um den Lagerbock
Im Bereich der Befestigung der Quertraverse ermittelte das 2D-FKM-Tool einen Auslastungsgrad von
73.3 %.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 41: Schweissnähte im Bereich der Befestigung der Quertraverse
Im Bereich des Grundkörpers weisen die Schweissnähte gemäss Abbildung 42 Auslastungsgrade bis
zu rund 230 % auf.
Abbildung 42: Schweissnähte am Grundkörper
Des Weiteren wurden die Schweissnähte an den ausgewählten Stellen auch mit der Hot-Spot-
Methode ausgewertet, um einen Vergleich der Modelle präziser bewerten zu können. Es wurden
stets die gleichen Stellen ausgewertet. Abbildung 43 und Abbildung 44 zeigen Ort der Untersuchung
sowie den gewählten Pfad für die Hot-Spot-Methode.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 43: Gewählte Stelle am Lagerbock
Abbildung 44: Pfad für Hot -Spot -Methode
Abbildung 45: Spannungsverlauf entlang des Pfade s
Mit Zahlenwerten bei 40 mm gemäss Tabelle aus Abbildung 45 respektive 52 mm:
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7. Ergebnisse des Volumenmodells mit dem 3D-FKM-Tool
7.1.1 Von-Mises-Spannungen und Sicherheitsfaktor Die Von-Mises-Spannungen
Abbildung 46: Von-Mises-Spannungen am 1. Volumenmodell
7.1.2 Totale Deformation Die totale Deformation am Modell mit
Abbildung 47: Totale Deformation, rechts 230-fach verstärkt
7.1.3 Lagerreaktionen Die Lagerreaktionen in der X-Richtung sind entgegengesetzt etwa gleich gross. Verglichen mit dem
Referenz-Modell sind die X-Achsen-Lagerreaktionen betragsmässig etwa 2260 N grösser.
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Abbildung 48: Lagerreaktionen am Fixed Support A
Abbildung 49: Lagerreaktionen am Fixed Support B
7.1.3 Auswertung der Schweissnähte
Die in Abbildung 50 gezeigte Auswertung mit dem 3D-FKM-Tool zeigt, dass die Schweissnähte gegen
den Rand hin eine Auslastung von 100 % übersteigen. Nimmt man im Falle der kurzen Naht einen
Wert aus der Mitte der Schweissnaht, so resultiert eine Auslastung von etwa 80 – 100 %. Für die lan-
gen Nähte resultiert ein Wert im Bereich von 60 – 100 %.
Abbildung 50: Auswertung der horizontalen Schweissnähte am Lagerbock
Die vertikalen Nähte (Abbildung 51) sind bis maximal 67.7 % am Rand ausgelastet. In der Mitte resul-
tiert ein Minimalwert von etwa 20 %.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 51: Auswertung der vertikalen Schweissnähte am L agerbock
Für die oberen Nähte am Grundkörper resultiert gemäss Abbildung 52 eine maximale Auslastung von
etwa 45 %.
Abbildung 52: Auswertungen am Grundkörper
Projekt Schweisskonstruktion
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8. Ergebnisse des Submodells mit ausmodellierten Schweissnähten Als Verifikation der Untersuchungen mit den FKM-Tools wurden als letztes noch drei Submodelle
eines Volumenmodells erstellt, bei welchen die Schweissnähte vollständig ausmodelliert sind. Unter-
sucht wurden drei Stellen, welche auch in den letzten Modellen betrachtet wurden. Diese drei Stel-
len sind in Abbildung 53 und Abbildung 54 ersichtlich. Am Grundkörper (Submodell der Stelle 2 und
3) wurden Schweissnähte mit einer Seitenlänge von 10 mm gezeichnet, welche an den Rändern mit
einem Übergangsradius versehen sind, so wie es die FKM-Norm vorschreibt. Die Grösse der
Schweissnähte wurde gleich wie im Fachbuch gewählt. Bei der Zusatzuntersuchung am Lagerbock
wurden die vertikalen Nähte ebenfalls mit einer Seitenlänge von 10 mm modelliert. Grund hierfür
waren die Platzverhältnisse. Die horizontalen Nähte wurden mit einer Seitenlänge von 20 mm model-
liert.
Abbildung 53: Lokalisierung Untersuchungsstelle 2
Abbildung 54: Lokalisierung Untersuchungsstelle 1 und 3
8.1.1 Von-Mises-Spannungen und Fehlerenergie Im untersuchten Bereich des Lagerbocks (Abbildung 55) treten maximale Von-Mises-Spannungen von
etwa 2145 MPa auf. Diese sind in den Bereichen der scharfen Kanten zu finden und sollten nicht
genauer beachtet werden, da auch keine Ausläufe der Schweissnähte modelliert sondern diese
scharf abgeschnitten wurden. Relevant sind hingegen die Spannungswerte in der Mitte der
Schweissnähte. Hier treten im Falle der horizontalen Schweissnähte Werte um die Streckgrenze des
Werkstoffes auf, was auf eine Auslastung der Nähte von 100 % hinweist. Im Falle der vertikalen
Schweissnähte treten Spannungen im Bereich bis etwa 60 MPa auf, was auf eine Auslastung von et-
wa 30 % hinweist.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 55: Von-Mises-Spannungen des Submodells 1
Um einen Einfluss einer zu schlechten Vernetzung zu untersuchen, wurde in einem weiteren Schritt
die gemittelte Fehlerenergie in den Elementen angezeigt (Abbildung 56). Diese Fehlerenergie liegt im
Bereich der Fläche Schweissnähte sowie im Bereich der Übergangsradien bei unter 4%.
Abbildung 56: Mittlere Fehlerenergie in den Elementen
Projekt Schweisskonstruktion
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Im Bereich der Auflage der Quertraverse (Stelle 2, Abbildung 57) liegen die höchsten Spannungen an
der Schweissnaht im Bereich von 141 MPa. Der Maximalwert tritt an der Schnittkante auf und ist
somit nicht relevant für diese Beurteilung. Die Auslastung dieser Schweissnaht liegt somit etwa bei
60 %.
Abbildung 57: Von-Mises-Spannungen an der Auflage der Quertraverse
Auch für dieses Submodell wurde die mittlere Fehlerenergie der Elemente untersucht. Wie in Abbil-
dung 58 ersichtlich treten im Bereich der Schweissnaht sowie an den Übergangsradien Werte von
unter 0.1 % auf. Höhere Werte von 25 % treten im Bereich des Radius 1 mm an der Freistellung der
Nahtwurzel auf.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 58: Mittlere Fehlerenergie der Elemente am zweiten Submodell
Die Auswertung nach Von-Mises an der Stelle 3 ergeben Spannungswerte von 185 MPa im Bereich
des Übergangsradius der Schweissnaht. Die Schweissnaht an dieser Stelle ist somit etwa zu 79 % aus-
gelastet.
Abbildung 59: Von-Mises-Spannungen an der Stelle 3
Die Fehlerenergie der Elemente bleibt für diese Schweissnaht unter 5 %.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 60: Mittlere Fehlerenergie der Elemente am dritten Submodell
8.1.2 Totale Deformation
Die totale Deformation beträgt im Maximum 2.45 mm. In Abbildung 61 ist links eine reale Darstel-
lung zu sehen, rechts die Deformation 250-fach übertrieben.
Abbildung 61: Totale Deformation des Modells mit den detaillierten Schweissnähten
8.1.3 Untersuchung der Schraubenverbindung
Um den Einfluss der Fixed Joints, mit welchen der gesamte Aufbau an der Quertraverse befestigt ist,
zu untersuchen, wurden alle drei Verbindungen noch mit Schrauben versehen und mit dem BAIA
untersucht. Die Schraubenverbindungen wurden bezüglich Schraubenspannung, Flächenpressung
unter dem Schraubenkopf und Verrutschen der Schraubenverbindung untersucht. In Abbildung 62 ist
das Ergebnis der Untersuchung bezüglich der Schraubenspannung ersichtlich. Der Sicherheitsfaktor
der Schraubenspannung beträgt 119%.
Projekt Schweisskonstruktion
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Abbildung 62: Sicherheitsfaktor der Schraubenspannung
In Abbildung 63 ist der Sicherheitsfaktor bezüglich der Flächenpressung unter dem Schraubenkopf
ersichtlich. Dieser liegt bei 110%.
Abbildung 63: Sicherheitsfaktor der Fl ächenpressung unter dem Schraubenkopf
In Abbildung 64 ist der Sicherheitsfaktor der Schraubenverbindung bezüglich verrutschen der
Schraubenverbindung ersichtlich, bezogen auf die Fuge zwischen den beiden Platten, welche durch
die Schrauben verbunden werden. Der Sicherheitsfaktor beträgt minimal etwa 0.96 am Lagerbock,
Eine Schraube (grün) liegt bei Sicherheitsfaktor 1. Die Verbindung zwischen Gerüst und Quertraverse
verfügt über Sicherheitsfaktoren zwischen 7 und 18.5.
Abbildung 64: Sicherheitsfaktor der Schraubenverbindung bezüglich Verrutschen
Projekt Schweisskonstruktion
35
9. Diskussion Wichtig für den Leser dieses Berichtes ist, dass dieser Bericht lediglich als Teillösung zu verstehen ist.
Der Grund hierfür ist, dass das Projekt zeitlich mit dem Ende des Praktikums kollidierte. Die Untersu-
chungen, welche nicht oder nur teilweise durchgeführt wurden, sind im nächsten Kapitel Ausblick
aufgeführt.
Bei den aufgestellten Modellen wurde davon ausgegangen, dass der im Buch auf Seite 167 gezeich-
nete Lastfall zutrifft. Auch wurde in diesem Bericht nicht hinterfragt, ob die vorgenommenen Verein-
fachungen der Gesamtgeometrie so vorgenommen werden dürfen. Da nichts über die exakte Lage-
rung der Konstruktion bekannt ist, wurde der Ansatz aus dem Buch übernommen, wobei beide Sei-
ten fest eingespannt sind. Dies beinhaltet wahrscheinlich einen Fehler, da davon ausgegangen wer-
den muss, dass die Hubvorrichtung fahrbar, das heisst mit Rollen, ausgestattet ist. Bei den zusätzlich
untersuchten Schweissverbindungen am Lagerbock und an der Quertraverse wird jeweils davon aus-
gegangen, dass diese durchgeschweisst sind. Es wurden keine Untersuchungen bezüglich der Materi-
alermüdung durchgeführt. Diese Untersuchungen stützen sich auf die Anwendung der FKM-Richtlinie
der 6. Auflage 2012. Es war teilweise sehr schwierig, die Norm auf die Konstruktion anzuwenden.
Idealerweise würde eine Schweisskonstruktion so konstruiert, dass sie eine zweifelsfreie Anwendung
der Norm ermöglicht.
9.1 Vergleich der Simulationen
Die Gesamtdeformationen der verschiedenen Modelle weichen nur unerheblich von der Gesamtde-
formation im Fachbuch ab. Die grösste Abweichung zum Fachbuch hat das Volumenmodell mit der
3D-FKM-Analyse, hier beträgt die Abweichung etwa 5.5 %. Das Schalenmodell weicht um etwa 1 %
ab, das detaillierte Modell um 2 %. Diese Abweichungen können zumindest teilweise mit der unter-
schiedlichen Vernetzung und der verschiedenen Verbindung zwischen Grundkörper und Aufbau er-
klärt werden (Fixed Joints versus Schraubenverbindungen). Somit wäre auch die errechnete Gesamt-
deformation aus dem Fachbuch bestätigt.
Bei den Auswertungen der Schweissnähte des Buchmodelles fällt auf, dass die Spannungskurven
entlang der gewählten Pfade deutliche Knicke aufweisen. Dies liegt daran, dass für eine derartige
Auswertung nach der FKM-Norm die Vernetzung des Modelles deutlich zu grob gewählt wurde. Der
Solver interpoliert die Spannungen zwischen den Stützstellen, welche auf der Vernetzung basieren
linear. Bei den Vergleichsmodellen wurde dieser Tatsache Rechnung getragen und im Bereich der
auszuwertenden Schweissnahte auf eine ausreichend feine Vernetzung geachtet.
Bei den 3D-Vergleichsmodellen mit voll ausmodellierten Schweissnähten wurde statt der „Fixed-
Joint“- Verbindung eine Schraubenverbindung mit M24x60 Zylinderkopfschrauben modelliert. Dies
weil beim Buch-Modell sowie beim Schalenmodell sehr hohe Spannungen im Bereich der Schrauben-
bohrungen auftraten, welche nicht eindeutig zugeordnet werden konnten. Daher wurde das 3D-
Modell mit den Submodellen zum Vergleich mit dem BAIA-Tool von ANSYS verifiziert. Über die
Schraubenverbindung kann gesagt werden, dass diese sehr wahrscheinlich halten wird. Der Sicher-
heitsfaktor der Schraubenspannung hat einen Wert von 1.19, der der Flächenpressung unter dem
Schraubenkopf beträgt 1.1 und die Sicherheit gegen Verrutschen der Platten beträgt minimal 0.96
am Lagerbock. Diese ist somit zu tief gewählt. In diesem Falle sollte eine Schraubenverbindung der
Projekt Schweisskonstruktion
36
Festigkeitsklasse 10.9 gewählt werden. Die Sicherheit der Verbindung des Gerüstes ist mit mindes-
tens Faktor 7 deutlich höher.
Als beste wenn auch aufwändigste Lösung kann das Modell mit den voll modellierten Schweissnäh-
ten gewertet werden, da dieser Ansatz einem idealen Modell am nächsten kommt. Die Auslastung
der horizontalen Nähte von Stelle 1 entspricht den Ergebnissen der Auswertung mit dem 3D-FKM-
Tool. Bei beiden Lösungen ergibt sich eine Auslastung der Schweissnähte im Bereich von 100 %. So-
mit wäre diese Schweissnaht zu knapp ausgelegt. Da allerdings davon ausgegangen werden kann,
dass beim realen Modell (welches gemäss Herr Brand im Einsatz ist und bisher hält) diese Schweiss-
nähte teilweise penetrieren oder sogar durchgeschweisst sind, dürfte eine gewisse Sicherheit gege-
ben sein. Aus Mangel an Information muss diese Vermutung aber so stehen gelassen werden. Die
Naht an Stelle 3 ist gemäss Submodell zu etwa 79 % ausgelastet. Das 3D-FKM-Tool erreicht lediglich
eine Auslastung von maximal 45 %. Hierbei dürfte das Resultat des Submodells als deutlich präziser
eingestuft werden, da diese Schweissnaht über viel zu kurze Extrapolationsflächen verfügt und somit
eine zuverlässige Analyse mittels des 3D-FKM-Tools verunmöglicht.
Vergleicht man die Schweissnahtauswertung mittels dem Schalenmodell und dem 2D-FKM-Tool mit
den voll ausmodellierten Nähten und dem 3D-FKM-Modell, so fällt auf dass im Bereich der Nähte
längs des Grundkörpers massiv höhere Auslastungsgrade auftreten. Bei Stelle 2 lässt sich eine eini-
germassen gute Übereinstimmung mit den voll modellierten Schweissnähten erkennen. Das 2D-FKM
errechnete für Stelle 2 eine Auslastung von 73.3 %, während im Falle der modellierten Nähte eine
Auslastung von etwa 60 % resultierte. Die Auswertung des 2D-FKM-Tools im Bereich des Lagerbocks
war zuerst noch schlechter, da die „Fixed-Joint“-Verbindungen offensichtlich einen Einfluss auf die
Ergebnisse hatten. Deswegen wurde extra für die Nahtauswertung der Kontakttyp zwischen Lager-
bock und Grundkörper auf „Bonded“ umgestellt und die Fixed Joints unterdrückt. Damit kamen die
Ergebnisse näher in den Bereich der Simulation mit dem 3D-FKM-Tool, es bleibt aber eine Restabwei-
chung (Abbildung 40). Diese kann einerseits mit der nicht korrekten Lastanbringung auf den Rand der
Schalen erklärt werden zum anderen wird das Ergebnis nicht wie beim 3D-Tool mit Verlauf angezeigt
sondern quasi „verschmiert“. Daher lässt sich nicht sagen, im welchem Bereich sich die Auslastung
effektiv bewegt. Das vorliegende Modell mit den Blechen, welche Ecke auf Ecke angeschweisst sind,
eignet sich nicht für eine Untersuchung mittels Schalen und dem 2D-FKM-Tool, da die Wirklichkeit zu
stark verzerrt wird.
9.2 Diskussion der Modelle Das Schalenmodell weist bei der Anbringung der Last einen Fehler auf. Dies weil die Lastanbringung
„Bearing Load“ nur bei Volumenmodellen funktioniert. Beim Schalenmodell musste die Kraft auf die
Bohrungskante angebracht werden. Dies hat den Nachteil, dass die Kraft auf dem gesamten Radius
der Bohrung angreift, was nicht der Realität entspricht.
9.3 Diskussion der Vorgehensweise im Fachbuch
Als kritisch betrachtet werden muss bei der Vorgehensweise im Buch, dass keinerlei Festigkeitsnach-
weise nach einer Norm wie der FKM-Norm vorgenommen wurden. Das Verifizieren der Konstruktio-
Projekt Schweisskonstruktion
37
nen nach gültiger Norm sollte in der Entwicklung oberste Priorität haben. Eine alleinige Spannung s-
betrachtung nach Von-Mises reicht keinesfalls aus. Gerade in einem Lehrbuch sollte vor allem dieser
Punkt den Lesern klargemacht werden. Diesbezüglich stimmen auch die Aussagen zur Produktehaf-
tung auf Seite 179 nicht. Es ist gemäss Schweizer Rechtsordnung nicht möglich, die Haftung für ein
Produkt vertraglich auszuschliessen oder zu begrenzen. Sollte jemand durch ein Materialversagen
der Schweisskonstruktion verletzt werden oder gar zu Tode kommen, dann entscheidet ein Richter
basierend auf einer unabhängigen Expertenmeinung, welche sich auf die geltenden Normen stützt,
ob der Ingenieur alles Mögliche getan hat um einen Unfall zu vermeiden. Trifft dies nicht zu, wird die
Haftpflichtversicherung mit hoher Wahrscheinlichkeit Regress einlegen und den Schaden nicht über-
nehmen.
Des Weiteren stellt sich die Frage, warum die Lagereaktionen auf Seite 167 nicht stimmen. Die Sum-
me der Kräfte in X-Richtung beträgt gemäss Skizze:
Die X-Komponenten der angreifenden Kräfte heben sich gegenseitig auf. Gemäss den Lagerreaktio-
nen im Fachbuch bleiben 2000 N übrig. Es stellt sich somit die Frage ob die Skizze auch mit dem So-
lidWorks-Modell übereinstimmt.
10. Ausblick
Auch für die Modelle, mit welchen das Beispiel aus dem Buch nachgerechnet wurde, wurden einige
Vereinfachungen getroffen. Dies betrifft vor allem die Art der Lagerung. Da nicht wirklich bekannt ist,
wie dieses Modell gelagert ist (Räder, Schienen, etc.), wurde beidseitig ein fixiertes Lager definiert.
Dies entspricht natürlich nicht der Realität. Für weitere Untersuchungen müsste einerseits klar defi-
niert werden, wie die Konstruktion in Realität gelagert ist, da dies vermutlich einen grossen Einfluss
auf die Resultate hat. Des Weiteren ist über den Lastfall nichts Eindeutiges bekannt und da die Anla-
ge aus zwei gleichen miteinander verbundenen Schweisskonstruktionen besteht, müsste der Einfluss
aufeinander untersucht werden (diese sind über Querstreben verbunden). Allerdings sind für diese
weiterführenden Untersuchungen keine Geometriedaten vorhanden, demzufolge müssten sie beim
Autor angefragt werden.
Die Geometrie könnte dahingehend verändert werden, so dass die FKM-Tools besser zur Anwendung
kommen können. Dann könnten auch alle möglichen Schweissnähte ausgewertet werden, auf dies
wurde verzichtet da keine Zeit mehr dafür blieb.
Projekt Schweisskonstruktion
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11. Quellen
1. FEM-Praxis mit SolidWorks, Springer Vieweg Verlag, Autor Michael Brand
2. Handbuch der Norm VDI 2230, Seite 109, Angaben zur Montagevorspannkraft von Schrauben
3. Handbuch der Norm VDI 2230, Seite 122, Angaben zur Flächenpresskraft und Streckgrenze
von Materialien
4. Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, FKM-Richtlinie 6. Auflage 2012