Materialversagen beschreibt das Verhalten eines Bauteils, wenn die Materialstrukturen der (wiederholten) Belastung unterliegt und irreparable Schäden erleiden. Unverhersehbarer Bruch von Werkzeugen können zu Maschinenausfällen und Produktionsstop führen, daher beschäftigt sich die Materialversagenstheorie mit der Vorhersage des Werkzeugaustauschzeitpunkts.
Nastran kann die Anzahl der Belastungszyklen vorhersagen. Für diese Rechnung werden vier Werte benötigt. Aber wie genau setzen sich die einzelnen Parameter zusammen?
In diesem Tipps und Tricks wird beschrieben, wie sich eine S-N-Kurve zusammensetzt und welche Werte dafür in Nastran benötigt werden.
Die S-N-Kurve ist auch als Wöhlerdiagramm bekannt und beschreibt das Verhalten von Werkstoffen unter Berücksichtigung der aufgebrachten Spannungsamplitude. Die Daten der jeweiligen Werkstoffe werden meist aus Schwingversuchen entnommen, jedoch können auch aus den Datenblättern Kennwerte entnommen werden, um eine synthetische Wöhlerlinie zu erstellen. In dem nachstehenden Diagramm ist der Vergleich der experimentellen zu der idealisierten Kurve dargestellt.
Blau zeigt den Verlauf aus den Versuchswerten und rot die Kurve aus den Kennwerten zu dem Werkstoff. Die Lebensdauer lässt sich in drei Bereiche einteilen, die Kurzzeitfestigkeit, die Zeitfestigkeit und die Dauerfestigkeit. Die Kurzzeitfestigkeit beschreibt einen Belastungswiderstand, der unter 104 Lastschwingspielen liegt. Hierbei handelt es sich um die statische Festigkeit, welche aus dem Zugversuchsdiagramm entnommen werden kann. Im Bereich der Zeitfestigkeit wird die Betriebsfestigkeit definiert. Bei wiederholter Beanspruchung treten Risse auf, die im weiteren Verlauf zum Bauteilversagen durch Bruch führen. Wenn das Bauteil den Bereich der Dauerfestigkeit erreicht, können unendlich viele Lastschwingspiele auf das Bauteil wirken, ohne das dies der Belastung unterliegt. Als Grenzwert wird eine Schwingspielzahl von 106 angesetzt.
Doch wie kann eine synthetische Wöhlerkurve für ein Werkstoff hergeleitet werden? Dazu werden folgende Materialkennwerte benötigt:
Rm – Zugfestigkeit
Sf – Streckgrenze
SD – Dauerfestigkeit
NF und ND – die Lastschwingspielzahlen
ND kann standardmäßig mit 106 und NF mit 104 festgelegt werden.
Für den Werkstoff 1.4034 Stahl (X46Cr13) würde die Kurve wie folgt aussehen:
Rm = 800
Sf = 650
SD = 103
In manchen Fällen wird nicht die Lastschwingspielzahl im Bereich der Dauerfestigkeit gefragt, sondern die Steigung der Kurve. Der Bereich der Zeitfestigkeit kann näherungsweise durch einen linearen Verlauf beschrieben werden. Daher kann die Steigung für den Kurvenverlauf mit Hilfe der Formel für lineare Funktionen bestimmt werden.
Nastran lässt sich dadurch eine Kurve mit Zwischenwerten für die Ermüdungssimulation erstellen.
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