Feszültség számítás végeselemes módszerrel. Mit kezdjünk a dinamikus terhelésekkel? W. Eichlseder, Kerekes E., B. Unger

Átírás

1 Feszültség számítás végeselemes módszerrel. Mit kezdjünk a dinamikus terhelésekkel? W. Eichlseder, Kerekes E., B. Unger Engineering/Technologie Zentrum Steyr Az alkatrészek fejlesztésekor, az optimális struktúra kialakítására egyre jobban terjednek - a gyakorlati mérések mellett - a numerikus módszerek. A szimulációk előnyei a fejlesztési folyamat kezdeti fázisában jelentkeznek. A legfőbb hasznuk abban áll, hogy lecsökkentik a tesztmérések számát, mert a numerikus számítási módszerek segítségével az alkatrészek különféle változatait előzetesen már optimalizáltuk. Ennek előfeltétele egy felhasználóbarát és gyakorlatias szoftvercsomag, amely az összes lényeges hatást figyelembeveszi az alkatrészre ható feszültség meghatározásakor. Ez a cikk bemutatja annak a lehetőségét, hogy hogyan lehet a végeselemes módszert (FEM), és a számítógéppel segített tervezést (CAE), egy megfelelő élettartam számító szoftverrel (FEMFAT) összekapcsolni. Bemutatjuk a számítási eljárás elméleti alapjait és egy dízelmotor valamint egy hegesztett teherautó-alváz példáján keresztül az alkalmazását. Bevezetés A közlekedés- és gépészmérnöki gyakorlatban - a tervezés során- egyre nagyobb jelentőségű az alkatrészre megengedett feszültség minél pontosabb meghatározása. A számítógépes módszerek használatával egyre nagyobb segítséget kapunk, már a fejlesztés korai szakaszában, a dinamikusan terhelt alkatrészek statisztikailag helyes élettartam becslésére. Az elsődleges cél a nagyon költséges élettartammérések számának lecsökkentése a minimálisra. 1. Feszültségszámítás végeselemes módszerrel A végeselemes módszerrel számolt feszültség legnagyobb nehézségei és bizonytalanságai a számolt feszültség és nyúlás valamint az alkatrész élettartama közötti viszonyban van. Amikor dinamikusan terhelt alkatrészeket méretezünk, több ilyen bizonytalanságot találunk. Néhány ezek közül: a) Végeselem modell

2 A legtöbb szerkezetben a végeselem háló finomsága - pl. kapacitási okokból,- egy kompromisszum. Ilyen kompromisszumok vezetnek oda, hogy a nagyobb méretű elemek alkalmazása miatt, az összetett szerkezetek gyenge pontjait nagyon nehéz azonnal felismerni. A végeselem háló finomsága és az elem típus - lokálisan - egy meghatározó tényező az eredményre. b) Terhelés Amíg az alkatrész geometriai adatai nagyon pontosan leírhatok ( CAD - FE adatátvitel), addig a terhelési függvény, előre csak nagyon pontatlanul, vagy nehezen definiálható. Így például, amikor többtengelyű dinamikus terhelés éri egy személyautó felfüggesztését, a számítást végző mérnöknek - a feladat megoldása előtt - egyszerűsítenie kell a bemenő feltételeket, figyelve arra, hogy a kifáradásigörbe logaritmikus hatása miatt a terhelés kis változtatása igen nagy változást eredményezhet a károsodás számításban. c) Anyag jellemzők A számítási szabályok, próbatestek mérési eredményein alapulnak. Ideális esetben ezeknek a próbatesteknek az anyagát magából a méretezendő szerkezetből kapjuk, például öntésnél ugyanabból az öntelékből. De általában nem gazdaságos a méretezéshez szükséges minden anyagi jellemzőt kimérni, mert más alkatrészekre vonatkozó vizsgálatokból, vagy segédanyagokból ezeket megkaphatjuk. 2. Feszültségek becslése A számítási elképzeléseket, - amelyek az irodalomban találhatóak-, nehéz közvetlenül a gyakorlati végeselemes módszerre átültetni, mert a számítás kezdeti értékei gyakran sokkal összetettebbek, mint amit az elméletben leírnak. Például egy végeselemes számítás eredménye feszültség és alakváltozási tenzor, ugyanakkor a irodalomban csak az egytengelyű feszültségre és nyúlásra találunk adatokat. A gyakorlati szakembernek tehát, lehetősége van az eredmények és a valóság viszonyát pozitívan vagy negatívan befolyásolni. A végeselemes szerkezetek automatikus élettartam számítására kifejlesztettünk egy módszert és egy postprocessor programot (FEMFAT), amely a végeselemes módszer lehetőségeihez és kívánalmaihoz nagymértékben alkalmazkodik A FEMFAT lehetővé teszi, egy szerkezet végeselemmel számolt méretezési feszültségének és az élettartam számításnak a kombinálását. Figyelembevéve a terhelés spektrumnak és a terhelés függvényeknek az alkatrész élettartamára gyakorolt hatását, ily módon a statikusan számolt feszültségértékeinket átszármaztathatjuk a végeselemes szerkezetre ható dinamikus igénybevételekké. A folyamat során az egész terhelés spektrumot figyelembe vesszük és nem egyszerűen csak egy-egy adott középértékű és amplitúdójú feszültséggel számolunk. A program a térfogati elemek, a membrán és a héj elemek feszültségeit használja fel a számításhoz. A számolt feszültségadatokból és a bemetszetlen próbatesten mért Wöhler görbéből kiindulva, az alkatrész minden egyes végeselemes pontjában a program kiszámolja a helyi kifáradási görbét, figyelembe véve a legfontosabb befolyásoló tényezőket, mint például feszültségamplitúdó, középértékfeszültség, fajlagos feszültségesés (relatív feszültséggradiens), felületi érdesség és korrózió, felületi kezelés hatásai, helyi plasztikus deformáció és a statisztikai megfontolásokat. A halmozódó károsodás kiszámításához szükséges terhelés információk egyrészt a végeselemes számításból, másrészt a rain-flow mátrixból, vagy egyéb adat redukáló eljárásokból kapjuk.

3 3. Számítási koncepció A végeselem programmal lineárisan számolt statikus és dinamikus terhelés összetevők feszültség tenzorai adják a FEMFAT számára szükséges bemenő feszültséget. Az elsődleges befolyásoló tényező,- a periodikus terhelés hatása, a fajlagos feszültségesésben jelenik meg, amely egyben a helyi geometriai hatásokat is tartalmazza (lásd: alaktényező). A program kiszámítja a szerkezet minden csomópontjában, a Rain-flow mátrixban adott amplitúdó és feszültség párokra a helyi kifáradási görbét és ezt a görbét használja fel a halmozódó károsodási tényező meghatározására. A károsodás számítása lineárisan történik a Palmgren- Miner, a Haibach, vagy a Corten-Dolen elv szerint. A másodlagos befolyásoló tényezőt,- a középfeszültség hatását-, a Neuber hiperbola segítségével repozícionált középfeszültség értékekből, valamint a program által előállított Haigh diagramból, a vágó-sík eljárás ( cutting-plane procedure) segítségével vesszük figyelembe. ( extended structural stress concept ) A szerkezet élettartamát befolyásoló további hatásokat, mint például a mechanikai vagy termikus felületi kezelést többféle szabványból, illetve tapasztalati képletekből határozhatjuk meg. a) A feszültséggradiens hatása A FEMFAT segítségével történő méretezéskor nagy hangsúlyt fektetünk a fajlagos feszültségesés (feszültséggradiens) és a feszültségamplitúdó viszonyára. A célunk az volt, hogy a fajlagos feszültségesésből módosító tényezőket határozzunk meg a Wöhler görbe kifáradási határára, az igénybevételi számra, és a kitevőre. Az abszolút és a relatív feszültséggradiens definíciója a következő: = σ l [ N 3 ] χ feszültségesés (abszolút feszültséggradiens), 1 σ = σ k l mm [ 1 ] χ fajlagos feszültségesés (relatív feszültséggradiens) mm 1. ábra A próbatest feszültségesése Ennek oka az volt, hogy hagyományos számítási módszerekkel, az elméleti alaktényezőkből a fajlagos feszültségesés levezethető. Ellenben bonyolult alkatrészeknél, gyakran előfordul, hogy nem határozható meg elméleti alaktényező, vagy egyszerű membrán- illetve hajlítófeszültség. Ráadásul a valóságban ezek az esetek többé vagy kevésbé egyszerre jelentkeznek. A feszültség és gradiens számításhoz a végeselemes módszert használjuk, mert így lehetőségünk van a nem szokványos bemetszések és erő folyamok modellezésére. A fajlagos feszültségesés kiszámításához a végeselemes szerkezet minden egyes csomópontjában, az egyenérték feszültséget használjuk, (pl.mises feszültség).

4 b) A fajlagos feszültségesés hatása a szerkezet helyi kifáradási görbéjére Amikor a feszültség az alkatrészben nem egyenletes eloszlású, a nagyobb feszültségű anyagi szálakat a kisebb feszültségűek egy bizonyos mértékig tehermentesítik ("támasztó hatás"). Ez megegyezik a gyakorlattal, amely azt mutatja, hogy egy bemetszetlen próbatest kifáradási feszültsége lüktető hajlítás eseten általában magasabb, mint lüktető húzó-nyomó terhelés eseten. A mennyiségi különbség függ az anyag típusától. Az irodalomban különböző modelleket találunk a támasztó hatás leírására. Az eljárás, amely az [1] irodalomban található, elsősorban azon alapszik, hogy a próbatest lüktető húzó-nyomó és a lüktető hajlító kifáradási határfeszültségét jellemző értékek a próbatest megfelelő vastagságával leírható. Ez azt jelenti, hogy például egy prizmatikus rúd tetszőleges kifáradási határa kiszámítható a sima hengeres húzott nyomott rúd kifáradási határából. A helyi kifáradásihatár mellett, a kitevő és az igénybevételi szám szinten módosítható az [1] irodalomban leírt módon. 6,00 A fajlagos feszültségesés hatása a kifáradásihatárra fgr, D 5,00 4,00 3,00 2,00 St37 St52 42CrMo4 GS40 GGG40 GG25 AlSi10Mg 1,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 A fajlagos 2,50feszültségesés 3,00 3,50 hatása az igénybevételi számra Fajlagos feszültségesés 1,10 for, E 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 St37 St52 42CrMo4 GS40 GGG40 GG25 AlSi10Mg 0,30 0,20 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 A fajlagos 2,50 feszültségesés 3,00 3,50 hatása a kitevôre Fajlagos feszültségesés for, N 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Fajlagos feszültségesés St37 St52 42CrMo4 GS40 GGG40 GG25 AlSi10Mg 2. ábra A fajlagos feszültségesés hatása a Wöhler görbére c) A középfeszültség többtengelyűségi hatása

5 Az alkatrész kifáradásra való méretezésekor legtöbbször nem csak egyszerű lengő terhelések, fordulnak elő, hanem összetettebbek is, amelyek tartalmaznak statikus és dinamikus tagot is. Az egytengelyű állandó középértékű terhelések hatása a húzó-nyomó kifáradási határfeszültségre elég jól ismert a Smith és Haigh diagramokból. Azonban az alkatrészekben - általában - nem tisztán egy dimenziós középfeszültségek fordulnak elő, hanem legalább két vagy három dimenziósak. A helyzet bonyolódik abban az esetben, ha a középfeszültség- és feszültségamplitúdó- tenzor elemei nem ugyanazok. (pl. önsúly és csavaró terhelés egy alvázon) A klasszikus egyenérték feszültség számító elméletekben az eredmény mindig a Haigh diagram jobb oldalán található, mivel az egyenérték középfeszültség pozitív. Ebből adódóan az alkatrész kifáradásihatára mindig lefelé módosul a lengő húzó-nyomó kifáradásihatárral összehasonlítva. Pontosan az öntött anyagok esetében, ahol a nyomási jellemzők sokkal nagyobbak, mint a húzási jellemzők, egy ilyen eljárással módosított méret a túlzott biztonságot jelentheti. A Technologie Zentrum Steyr munkatársai kidolgoztak egy numerikus eljárást, amelyik figyelembe veszi ezeket a hatásokat. Ezzel, bármely amplitúdó és középfeszültség pár hatása leírható, egy végeselemes csomópont lokális kifáradási görbéjére. d) Kritikus vágósík módszer Egy adott végeselemes csomóponton keresztül véges számú különböző helyzetű síkelem sorozatot fektetetünk. A középfeszültség tenzor és a feszültségamplitúdó tenzor elemei, bármely síkban felbonthatóak normál feszültségre és nyíró feszültségre. A normál és a nyíró feszültségből minden esetben egyenérték feszültséget határozunk meg a módosított torzulási munka elmélet segítségével. A középértékre vonatkozó egyenértékfeszültség előjele megegyezik a vágósíkbeli normál feszültség előjelével. Mindenegyes vágósíkban kapunk egy "terhelési pontot", amit a Haigh diagramban ábrázolhatunk. A program által előállított Haigh diagramhoz szükséges adatokat, egy anyag adatbázisból kapjuk, amely szinten a program része (FEST-database). Végül a terhelési pontokat ábrázoló pontfelhőből a legrosszabb közép feszültség és feszültségamplitúdó párt határozhatjuk meg. Azt a síkot pedig, amelyikből ez adódik, a rain-flow spektrum egy adott részére vonatkozólag kritikus síknak nevezzük. A kifáradási határfeszültségen kívül, az igénybevételi számot és a kitevőt is módosítjuk az ismert hatások alapján.

6 3. ábra Az adott feszültség tenzor terhelési pontjainak "felhője" a Haigh diagramban, és a "Kritikus terhelési pont" helyzete. 4. Hegesztés a végeselemes modellben 4. ábra A középfeszültség repozíciója Mivel a hegesztések ellenállóképessége a dinamikus terhelésekkel szemben kisebb, ezért a hegesztési varratok környezetében a feszültségek becslése különlösen fontos. Ennek az összetett problémának a megoldására a TZS egy- a hagyományos számítási módszereken alapuló- eljárást dolgozott ki, amely megkönnyíti a dinamikusan terhelt hegesztési varratok feszültség számítását. Erről az eljárásról már régebben bebizonyosodott, hogy elég jó eredményeket ad és a következők szükségesek hozzá:

7 a) Hegesztési varratok modellezési segédkönyve A TZS által kifejlesztett hegesztési varratok modellezési segédkönyve segítséget nyújt a felhasználóknak. Jól használható tanácsokat ad, hogyan modellezhetőek legoptimálisabban a hegesztési varratok egy bonyolult szerkezetben. Használatával az élettartamra való méretezés automatikusan megvalósítható. Megtalálhatjuk benne hogy, hogyan jelöljük meg azokat az elemeket és csomópontokat, amelyek a hegesztési varratot modellezik. Ezek a jelölések szükségesek ahhoz, hogy a program felismerje a hegesztést. b) Hegesztésivarratok adatbázisa 5. ábra Segédábra a hegesztések modellezéséhez A hegesztési varratokra vonatkozó, - részletes modelleken keresztül előzetesen meghatározott- alaktényezők segítségével lecsökkenthető a számításhoz szükséges idő, mivel ezen részletes modellek megalkotása szükségtelenné válik. A hegesztési varratok különböző részeire vonatkozó (pl. gyök stb.) előzetesen kiszámolt helyi alaktényezőket egy adatbázisban tároljuk. A részletes modell létrehozásához a fix Radaj módszert használtuk. Az eljárás alapja a feszültség csúcsok vizsgálata a Mean Value/Range módszer segítségével, amelyet először KÖTTGEN, OLIVER és SEEGER [7] alkalmazott, majd pedig RADAJ [8] fejlesztett tovább. A felhasználóknak lehetőségük van arra, hogy az adatbázisukat és a modellezési segédkönyvüket bármikor kibővítsék a számukra szükséges egyedi hegesztési típusokkal. c) FEMFAT-WELD A FEMFAT-WELD, - a hegesztési varratokra vonatkozó élettartam méretező program- a FEMFAT programcsomag része, amely megkönnyíti az egész szerkezet károsodásának előrejelzését egészen a törésig. A következő részfeladatokat oldja meg a program: - megkeresi az összetett végeselemes szerkezetből a hegesztési varratokat, - felismeri a különböző hegesztési varrattípusokat és formákat, - meghatározza mindenegyes varrat térbeli viszonyát, - kiszámítja az adott hegesztési varrat vegső feszültség komponenseit, - meghatározza az élettartamokat az adott hegesztési varrat környezetében, figyelembe véve a leginkább meghatározó alaktényező értékét a hegesztés különböző pontjaiban.

8 Eredményként károsodási tényezőket és/vagy biztonsági tényezőket kapunk az egész szerkezetre. Ezeket azután ábrázolhatjuk és a részletes információkat pedig egy un. Report fájlban találhatjuk meg. A program előnyei: - jelentős mértékben elősegíti a végeselemes eredmények kiértékelését, - költség megtakarítás. 5. A számításhoz szükséges anyagjellemzők Amit egy felhasználóbarát szoftvertől elvárhatunk az az, hogy rendelkezzen, a számításokhoz szükséges bemenő adathalmazzal. A FEMFAT fejlesztőinek egyik célja az volt, hogy mindenféle külső mérési adat nélkül,- a programhoz tartozó adathalmaz segítségévelkifáradásra méretezhessünk. A másik cél, hogy az eljárások annyira rugalmasak legyenek, hogy az esetleges meglévő mérési eredményeinket felhasználhassuk, beépíthessük a számításainkba. Egy normál károsodás vagy biztonsági tényező számításhoz a következő bemetszetlen próbatestre (ajánlott d=7.5 mm, P=90%) vonatkozó anyagjellemzőkre van szükségünk. (1. Táblázat) 1. táblázat A FEMFAT számára szükséges anyagjellemzők Károsodási Kifáradási tényező határra vonatkozó biztonsági tényező Szakító húzó feszültség Húzási folyáshatár ++*) ++*) Húzó-nyomó lengő kifáradási feszültség Húzó-nyomó lüktető kifáradási feszültség Törőszilárdság + + Hajlító szakítószilárdság +++ Lengő kifáradás a hajlításra Nyírási folyáshatár + + Lengő kifáradás a nyírásra n, k (ciklikus anyag jellemzők) + + Statikus húzási diagram +++ Wöhler görbe a húzás-nyomásra Kifáradási határ A görbe kitevője Igénybevételi szám Törési biztonság +++ feltétlen szükséges, ++feltétlen szükséges, ha a közép feszültség hatását figyelembe akarjuk venni, + ha a felhasználó nem definiálja, akkor a FEMFAT létrehozza ezt az értékét *) Szürke öntöttvasakra nem kell definiálni Az anyag jellemzők, valamint a terhelés spektrum (pl. Rain-Flow) tárolható illetve a szoftverhez adott vagy általunk elmentett adatfájlból betölthető. [3]

9 Nézzünk meg ezek után két példát a FEMFAT programcsomag használatára! 6. Az M1-es dízelmotor élettartambecslése a) A végeselem modell A 6. ábrán az M1-es monoblock dízelmotor végeselem modellje látható, a vezérműtengelyházzal valamint a főcsapágyakkal. A modell körülbelül csomópontból és különféle típusú elemből áll (hexaeder, pentaeder, teraeder, beam, rod). A kritikus részeken a részletesebb feszültség számításra, valamint a biztonsági tényező számításra egy jobban kidolgozott almodellt (szubmodell) használtunk. b) A végeselem modell terhelései σ "" 1 FE 1. Terhelési eset, A szelepülés besajtolásából származó feszültség, : A besajtolt szelepülés helyi feszültség csúcsokat okoz a hengerben. Ezen feszültség nagysága elsősorban az átmérők átfedésétől függ. Az átmérők átfedését rod elemek termikus expanziójával modelleztük. ( FE) 2. Terhelési eset, Az égésből származó terhelés σ " 2" : A henger maximális gáz nyomása, nem sokkal a dugattyú felsőholtpontja után jelentkezik. A maximális gáznyomás 150 bar. A dugattyú gyűrűktől lefele lineáris nyomás csökkenést feltételeztünk. A dugattyú helyzetét mindaddig változtattuk, amíg a legrosszabb terhelési esetet el nem értük. σ "" 3 FE 3. Terhelési eset, A befecskendező egységből származó erő : Az üzemanyag igen nagy nyomással jut be a hengerbe. A vezérműtengely mechanizmusáról erők hatnak a befecskendező egységre. Ez az oka a befecskendező egység és a henger érintkezési részén keletkező nagyon magas helyi feszültség értékeknek. ( 4 FE) 4. Terhelési eset. Hő terhelés, σ " " : A hőmérséklet növekedésének hatására az anyag kitágul. Mivel a hőmérséklet eloszlás a motorblokkban igen tág határok között változik, ezért elég nagy feszültség értékeket kapunk. A termikus terhelést 2 lépésben határoztuk meg: a) Hőmérséklet eloszlás számítás a motorblokkban b) A hőmérséklet hatására létrejött elmozdulás mező és feszültség eloszlás számítása. A gáz/henger valamint a víz/henger közötti hőáramlás meghatározásához a henger különböző pontjain mért hőmérséklet értékeket használtunk.

10 6. ábra: Végeselem modell σ "" 5 FE 5. Terhelési eset, A befecskendezőegység rögzitő csavarjaiból származó erők, : A befecskendezőegységet 2 csavarral rögzítik a monoblok motoron. A csavar/monoblok és a befecskendezőegység/monoblok érintkezéséből statikus feszültségek keletkeznek. c) Az élettartam számítás terhelési esetei A motorra ható terhelést, két feszültségi állapot között változó lengő feszültséggel definiáltuk. ( FEMFAT ) A következőkben, ezeket a feszültségeket maximális feszültségi állapotnak σ és ( FEMFAT ) minimális feszültség állapotnak σ nevezzük. A maximális és a minimális feszültség " i",min állapot meghatározható az egyszerű végeselemes terhelési esetek ( FE ) σ " j " " i",max szuperpoziciójaként. Az élettartam számításra használt 1. terhelési eset, Mechanikus terhelés, állandó hőmérséklet eloszlással: ( 5 FE) ( FEMFAT ) Maximális feszültség σ "1",max = σ "" 1 FE + σ " 2 FE " + σ "" 3 FE + σ " 4 FE " + σ "" (1) ) 1 FE σ " 4 FE ( FE " σ "" 5 ( FEMFAT ) Minimális feszültség σ "1",min = σ "" + + (2) Az élettartam számításra használt 2. terhelési eset, Mechanikus terhelés plusz váltakozó termikus terhelés (motor bemelegedés és lehűlés) ( 5 FE) ( FEMFAT ) Maximális feszültség σ "2",max = σ "" 1 FE + σ " 2 FE " + σ "" 3 FE + σ " 4 FE " + σ "" (3) ) 1 FE ( FE σ "" 5 ( FEMFAT ) Minimális feszültség σ "2",min = σ "" + (4)

11 d) A számítás Az élettartamszámításhoz szükséges feszültségamplitúdókat σ "", i ampl és középfeszültségeket σ "", i mean az alapösszefüggésekből kapjuk meg. (5) σ " i", ampl ( FEMFAT ) ( FEMFAT ) σ " i",max σ " i",min = ; 2 σ " i", mean ( FEMFAT ) ( FEMFAT ) σ " i",max + σ " i",min = (5) 2 Az élettartam számításhoz használt 1. terhelési esetre (állandó hőmérséklet), az igénybevételi szám sokkal nagyobb, mint a határérték. A kifáradási határra vonatkozó legkisebb biztonsági tényező 1.65, amely a henger külső oldalán taláható. Ez az érték megengedhető. 7. ábra: Az élettartamra vonatkozó biztonsági tényező számítási eredményei a henger részmodelljére (szubmodell); élettartam terhelési eset 2 (bemelegedési ciklus) Az élettartam számításhoz használt 2. terhelési esetre (bemelegedési fázis), a legkisebb biztonsági tényező 0,65. Ez az eredmény látható a 7. ábrán. Ebben az esetben azonban, az igénybevételi szám jóval alacsonyabb, mint a határérték, ezért lépcsős terhelési spektrum használatával károsodás számítást hajtottunk végre. A számítás 30 éves élettartamot eredményezett. Az élettartam becslésre itt bemutatott példa bizonyítja, hogy a módszer, igen jól használható a mindennapi mérnöki gyakorlatban. A főbb előnyei a következőek: - lehetővé teszi a végeselemes eredmények tökéletesebb megértését, - a végeselemes számítások jobb értelmezése miatt költségmegtakarítást eredményez, - a gyakorlati kifáradási tesztek számának csökkenthetőségét érhetjük el, - különböző terhelési szituációk vehetők figyelembe a prototípus legyártása előtt. Az M1-es dízelmotor számolt és mért eredményei igen jó egyezést mutatnak. Ráadásul, a módszerrel lehetőségünk van különféle- a motor élettartamának szempontjából fontostervezési paraméterek változtatására (pl. víz hőmérséklet, gáz erők stb.)

12 7. Hegesztett teherautó-alváz Egy új teherautó-alváz kifejlesztése során, - meg a tervezés fázisában, - különféle kereszttag változatokra numerikus számításokat végeztünk el. A szimuláció kiinduló pontja a különböző terhelési esetek-, mint például függőleges hajlítás, ívben haladás vagy csavarás - feszültség eredményei voltak. A kívánt működési körülményekre, - összehasonlítva más terheléskombinációkkal - a statikus függőleges hajlítás és a dinamikus csavarás kombinációja volt a kifáradási szempontból domináns. Ez az oka, amiért a különböző variációk számításakor csak a kifáradási határra vonatkozó biztonsági tényezőt határoztuk meg a teljes alvázra (8. ábra). 8. ábra Hegesztett teherautó-alváz (teljes szerkezet) A kereszt tag hegesztésének alakja és helyzete volt a bennünket leginkább foglalkoztató kérdés (9. ábra). Már két különböző variáció végeselemes módszerrel és FEMFAT-tal történt kiszámításakor módosítani tudtuk a kritikus részeket úgy, hogy a minimális biztonsági tényező értéke 90 %-kal nőtt. Az előzetesen optimalizált teherautó alváz pulzátoron végzett mérési eredményei jól korreláltak a numerikus szimulációval.

13 9. ábra. a) Alap variáció, b) Szimulációval optimalizált variáció Összehasonlítva egy merőberendezés felépítésének és három mérési sorozat elvégzésének költségeit különféle alvázvariációkon, a végeselemes módszer + FEMFAT szimulációk (3 számítás) költségeivel, azt tapasztaljuk, hogy a numerikus szimulációval az első mérésig 25 % költségmegtakarítást érhetünk el a fejlesztés során. 8. Összefoglalás Ezen a két példán keresztül is már jól látható, hogy a FEMFAT programcsomag segítségével, már a fejlesztés korai szakaszában kialakítható, egy az élettartam szempontjából optimális szerkezet. Különösen nagy segítséget nyújthat az olyan nehezen modellezhető részeknél, mint például a hegesztések. Az elmúlt év végén jelent meg a FEMFAT programcsomag legújabb két tagja: a FEMFAT SPOT, amelyet a ponthegesztések dinamikus méretezésére és a FEMFAT MAX, amelyet pedig a multiaxiális terhelések figyelembevételére fejlesztettek ki. Ezekkel az új egységekkel a programcsomag egy komplex egésszé alakult és a gépészmérnöki gyakorlat minden területén igen hasznos segítséget nyújt a felhasználóknak. IRODALOM [1] Eichlseder, W. (1989). Rechnerische Lebensdaueranalyse von Nutzfahrzeugkomponenten mit der FE- Methode. Dissertation, TU Graz. [2] Eichlseder, W., B. Unger (1994). Prediction of the Fatigue Life with the Finite Element Method. SAE- Paper [3] FEMFAT User s Manual (1995), Vers Engineering/Technologie Zentrum Steyr, Steyr [4] FKM-Richtlinie (1994), Festigkeitsnachweis. Forschungsheft 183-2, Vorhaben Nr Frankfurt. [5] Haibach, E. (1989). Betriebsfestigkeit. Verfahren und Daten zur Bauteilbeurteilung. VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf

14 [6] Hück, M., L. Trainer, W. Schütz (1983). Berechnung von Wöhlerlinien für Bauteile aus Stahl, Stahlguß und Grauguß - Synthetische Wöhlerlinien. Bericht Nr. ABF 11 der Arbeitsgemeinschaft Betriebsfestigkeit, dritte überarbeitete Fassung [7] Köttgen, V.B., R. Olvier und T. Seeger (1989). Schwingfestigkeitsnachweise für Schweiß verbindungen auf Grundlage örtlicher Beanspruchungen. Forschungshefte, Heft 143, Forschungskoratorium Maschinenbau, Frankfurt. [8] Radaj, D. (1985). Gestaltung und Berechnung von Schweißkonstruktionen, Ermüdungs festigkeit. DVS, Düsseldorf. [9] TGL (1983). Ermüdungsfestigkeit - Dauerfestigkeit der Maschinenbauteile. Standardversand, Leipzig [10] Carl C. Osgood: Fatigue Design Wiley-Interscience a Division of John Wiley&Sons. Inc., 1970, USA [11] J. Drapper: Modern Fatigue Analysis, Theory and practical application, Sheffield, November 92 [12] W. Eichlseder, F. Schuch:Application of the finite element method to calculate the operating strength of dynamical commercial vehicle components, Steyr-Daimler-Puch AG., TZS [13] C.M.Sonsino, V. Grubisc: Mechanik von Schwingbrüchen an gegossenen und gesinterten Konstruktionswerkstoffen unter mehrachsiger Belastung, Darmstadt, Konstruktion 37 (1985) H.7, S [14] Eichlseder, W.; Unger, B., 1995: Assessment of Welded Seams with the Finite Element Method, SAE-Paper [15] Seyfried, G., 1993, Überprüfung des Lebensdauerprogrammes FEMFAT durch Vergleich von Rechen- und Versuchsergebnissen sowie Berechnung und Optimierung von Klauensperren mit der Finiten Elemente Methode, Diplomarbeit, Technical University of Graz, Graz, Austria. [16] P. Fischer, H. Dannbauer, B. Unger: Fatigue analysis of M1 diesel engine by finite element method 10 th International Symposium MOTOR SYMPO '97, Brno, June 1997