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FKM inside ANSYS
Automatisierter FKM-Nachweis in ANSYS Workbench

Unsere Lösung für den FKM-Nachweis in ANSYS Workbench

FKM inside ANSYS

Mit FKM inside ANSYS wird der richtlinienkonforme Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie als Erweiterung für ANSYS Workbench bereitgestellt. In wenigen Minuten können die Anwender zum vollflächig visualisierten FKM-Nachweis für komplette Strukturen gelangen.

Die Richtlinie "Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile" ist ein vom Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) entwickeltes Nachweisverfahren für verschiedene Anwendungsfälle im Maschinenbau und anderen Branchen. Einen kurzen Überblick der Eigenschaften der FKM-Richtlinie und der Vorteile einer automatisierten Nachweisführung erhalten Sie weiter unten auf dieser Seite.

FKM inside ANSYS besteht aus mehreren Modulen, die jeweils einen bestimmten Anwendungsbereich abdecken:

  • WB/FKM: Vollflächiger Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie von nicht geschweißten Volumenstrukturen in ANSYS Workbench
  • WB/FKM-Weld: Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie von Schweißnähten an Schalen- und Volumenstrukturen in ANSYS Workbench
  • WB/WIAM fatigue RIFEST: Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie für Einzelpunkte von nicht geschweißten oder geschweißten Bauteilen
  • WB/WIAM Engineering Data: Materialdatenbank für metallische Werkstoffe mit Übernahme von Werkstoffdaten in ANSYS Workbench

Diese Seite enthält weitergehende Informationen über die FKM-Richtline sowie die Module WB/FKM und WB/FKM-Weld.

Überblick zur Richtlinie und Vorteile der Automatisierung

Festigkeitsnachweis mit der FKM-Richtlinie

Die Richtlinie "Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile" ist ein vom Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) entwickeltes Nachweisverfahren für verschiedene Anwendungsfälle im Maschinenbau und anderen Branchen. Das Verfahren umfasst einen statischen Festigkeitsnachweis und einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis, jeweils für nichtgeschweißte Bauteile und Schweißnähte. Eine große Stärke der FKM-Richtlinie ist, dass der Nachweis nicht für spezifische Bauteilarten definiert ist und daher in vielen Branchen anwendbar ist.

Für die Anwendung der FKM-Richtlinie sind die Spannungen im Nachweispunkt zu ermitteln. In der Industrie werden die Spannungen üblicherweise örtlich mit der Methode der Finiten-Elemente (FEM) ermittelt, zum Beispiel mit ANSYS. FKM inside ANSYS stellt einen automatisierten FKM-Nachweis innerhalb von ANSYS Workbench zur Verfügung, der die notwendigen Spannungen direkt aus dem FEM-Modell übernimmt.

In der FKM-Richtlinie ist definiert, dass der Nachweis für den versagenskritischen Punkt eines Bauteils geführt werden muss, der vom Anwender mit Ingenieurverstand auszuwählen ist. Da die Auswahl des kritischen Punktes im Vorfeld meist nicht trivial ist, müssen in der Praxis oft mehrere Punkte betrachtet werden. Dies erhöht den Aufwand für einen manuellen Nachweis deutlich und führt zu Unsicherheiten für den Anwender. Durch den automatisierten FKM-Nachweis wird eine komfortable Berechnung des Festigkeitsnachweises für komplette Bauteilgruppen ermöglicht, ohne eine Vorauswahl von kritischen Stellen. Damit entfällt, gerade bei komplexen Strukturen, ein großes praktisches Problem in der Anwendung der FKM-Richtlinie.

Modul für den FKM-Nachweis von nichtgeschweißten Bauteilen in ANSYS Workbench

WB/FKM

Mit WB/FKM, einem von CADFEM und ihf gemeinsam entwickelten Modul von FKM inside ANSYS, kann der Festigkeitsnachweis für örtliche Spannungen komfortabel in ANSYS Workbench vorgenommen werden. Neben der Bewertung einzelner Flächen und ganzer Bauteile können auch automatisiert Lastfallkombinationen gebildet und untersucht werden.

Der Anwender erhält direkt in ANSYS Workbench eine Visualisierung des Auslastungsgrades über die gesamte Nachweisfläche. Damit entfällt das Auswählen des versagenskritischen Punktes und weitestgehend die manuelle Dateneingabe mit den damit verbundenen Unsicherheiten (Fehleingaben).

Durch die vollflächige Ergebnisdarstellung des Auslastungsgrades ergibt sich eine wesentlich leichtere Ergebnisinterpretation. Zudem erhält der Anwender einen Überblick, wo weitere kritische Bereiche liegen oder Material eingespart werden kann.

Die Vorteile von WB/FKM im Überblick:

  • Statischer und zyklischer Festigkeitsnachweis für nicht geschweißte Bauteile
  • Vollständige Integration in ANSYS Workbench
  • Schnelle und einfache Definition aller Nachweisparameter über Dialoge
  • Automatisiertes Bilden von Lastfallkombinationen
  • Auswertung in ANSYS Workbench mit vollflächiger Visualisierung des Auslastungsgrades
  • Umfangreicher Report für beliebige Nachweispunkte mit allen Eingangs- und Ergebnisgrößen
  • Vordefinierte Werkstoffdatenbank kann vom Anwender erweitert werden

Modul für den FKM-Nachweis von Schweißnähten in ANSYS Workbench

WB/FKM-Weld

Mit WB/FKM-Weld, einem von CADFEM und ihf gemeinsam entwickelten Modul von FKM inside ANSYS, kann der Schweißnahtnachweis von Schalen- und Volumenstrukturen komfortabel in ANSYS Workbench vorgenommen werden. Für den Nachweis von Schweißnähten für Schalen- und Volumenstrukturen werden jeweils unterschiedliche Konzepte verwendet.

Gemeinsam haben beide Konzepte eine vollständig in ANSYS Workbench integrierte Programmoberfläche, über die der Anwender die Schweißnähte definieren kann. Alle für den Schweißnahtnachweis nach FKM-Richtlinie erforderlichen Parameter können komfortabel über Dialoge angepasst werden. Aus den im Rechenmodell vorhandenen Lastfällen können automatisch Lastfallkombinationen gebildet und untersucht werden.

Schweißnahtnachweis für Schalenstrukturen mit örtlichem Nennspannungskonzept:

Der Nachweis für Schweißnähte zwischen Schalenbauteilen basiert dabei auf einem örtlichen Nennspannungskonzept. Innerhalb einer wählbaren Segmentlänge werden die Kräfte und Momente im Schweißstoß ermittelt, daraus Nennspannungen errechnet und der FKM-Nachweis geführt.

Der Benutzer wird bei der Suche und Definition der Schweißnähte durch Automatisierung unterstützt. Eine Vorauswahl der Schweißnähte ähnlich der Kontaktsuche steht zur Verfügung. Somit ist auch bei umfangreichen Schalenmodellen mit vielen Schweißnähten eine schnelle Berechnung des FKM-Nachweises möglich.

Schweißnahtnachweis für Volumenstrukturen mit Strukturspannungskonzept:

Die Berechnung für Schweißnähte zwischen Volumenbauteilen erfolgt auf Basis des Strukturspannungskonzeptes. Das Strukturspannungskonzept sieht eine vereinfachte Modellierung der Naht vor und erfordert daher einen erheblich geringeren Modellierungsaufwand als das Kerbspannungskonzept (R1MS). Technisch anwendbar ist das Strukturspannungskonzept auch ohne modellierte Schweißnaht, so dass auch größere Bauteilgruppen mit vertretbarem Aufwand abgeschätzt werden können.

Die FKM-Richtlinie gibt das Verfahren zur Berechnung der Strukturspannungen nicht vor. In WB/FKM-Weld wurde mit der Oberflächenextrapolation nach IIW-Empfehlungen (Hot-Spot-Konzept) ein weit verbreiteter Ansatz umgesetzt, der dem Stand der Technik entspricht.

Das Fundament für die Berechnung des FKM-Nachweises in FKM inside ANSYS bildet die automatische Berechnung der Strukturspannungen aus den örtlichen Spannungen entlang einer Naht. Dazu werden an Stützpunkten in einem definierten Abstand von der Naht die Spannungen ausgelesen und auf den Nahtübergang extrapoliert. Die erforderlichen Pfade entlang der Extrapolationsfläche und die darauf liegenden Stützpunkte werden dabei automatisch ermittelt, ohne dass eine spezielle Modellierung (z.B. Flächenprägung) oder Vernetzung notwendig ist. Die robuste Berechnung der Pfade unterstützt auch über Kontakt verbundene Bauteile sowie beliebig gekrümmte Nähte oder Extrapolationsflächen.

Der FKM-Nachweis wird für alle Knoten entlang der Nahtübergänge berechnet. Die Ergebnisse werden direkt in ANSYS Workbench visualisiert, so dass kritische Stellen schnell ermittelt werden können. Bei der Auswertung können zudem die berechneten Pfade und Extrapolationspunkte dargestellt werden. Ergänzend kann für beliebige Punkte auch ein umfangreicher Report mit den Eingangs- und Ergebnisgrößen erstellt werden.

Das umgesetzte Konzept entspricht 1 zu 1 dem Schweißnahtnachweis der FKM-Richtlinie mit der Anwendung des Hot-Spot-Verfahrens des IIW. Spezielle Ansätze oder Abweichungen von den Richtlinien werden bewusst nicht verwendet, da diese im Allgemeinen schwierig zu validieren sind. Die Visualisierung und der Report ermöglichen zudem eine gute Nachvollziehbarkeit der Berechnung.

Durch den hohen Automatisierungsgrad lässt sich mit FKM inside ANSYS ein enormer Zeitgewinn gegenüber einer manuellen Auswertung erreichen. Die Ergebnisdarstellung des Auslastungsgrades an den Schweißnähten ermöglicht eine einfache Ergebnisinterpretation.

Die Vorteile von WB/FKM-Weld im Überblick:

  • Statischer und zyklischer Festigkeitsnachweis von Schweißnähten an Schalen- und Volumenstrukturen
  • Vollständige Integration in ANSYS Workbench
  • Automatisierte Unterstützung des Benutzers bei der Suche und Definition von Schweißnähten (Schalenstrukturen)
  • Automatische Berechnung der Extrapolationspfade und Strukturspannungen (Volumenstrukturen)
  • Schnelle und einfache Definition aller Nachweisparameter über Dialoge
  • Automatisiertes Bilden von Lastfallkombinationen
  • Auswertung in ANSYS Workbench mit Visualisierung des Auslastungsgrades
  • Umfangreicher Report für beliebige Nachweispunkte mit allen Eingangs- und Ergebnisgrößen
  • Vordefinierte Werkstoffdatenbank kann vom Anwender erweitert werden