Als KMU sind wir ein gerne gesehener Partner in Forschungs- und Entwicklungs-projekten. Seit Jahren sind wir im FKM-Arbeitskreis des Forschungskuratoriums Maschinenbau des VDMA tätig. Durch die Beteiligung an zahlreichen projekt-begleitenden Ausschüssen und am Redaktionskreis leisten wir einen aktiven Beitrag zur Weiterentwicklung der FKM-Richtlinie. Für unsere Kunden heißt das: Wir sind auf dem aktuellen Stand der Entwicklung und noch ein Stückchen weiter.
Regelmäßig initiieren wir eigene Forschungs- und Entwicklungsprojekte und setzen diese gefördert oder mit internen Mitteln um.
Die FKM-Richtlinie ist ein etabliertes Regelwerk für rechnerische Festigkeitsnachweise im Maschinenbau und darüber hinaus in zahlreichen anderen Branchen. Für die Anwendung der FKM-Richtlinie müssen mechanische Spannungen ermittelt werden – üblicherweise mittels Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Nachweisführung erfolgt anschließend in spezialisierter Software. Zwei etablierte Tools von ihf, AutoFENA und FKM inside ANSYS, ermöglichen eine normgerechte Bewertung der Bauteilfestigkeit.
Die Richtlinie wird in der Industrie erfolgreich eingesetzt, hat aber auch praxisrelevante Lücken und Unzulänglichkeiten. Im Rahmen des Forschungsprojektes „FKM Mehrkanalig“ [1] wurden Vorschläge erarbeitet, die den Nachweis wesentlich verbessern. Die umfangreichen und sehr anspruchsvollen neuen Algorithmen sollen im Rahmen unseres aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprojekts (Laufzeit Juli 2025 – Juni 2027) in einer Software umgesetzt werden.
Die komplexen Algorithmen sollen in eine anwenderfreundliche Software implementiert werden. Ziel ist es, noch einfacher und effizienter physische Tests durch simulationsgestützte Nachweise zu ersetzen.
Die wesentlichen Änderungen betreffen die bisherige Koordinatenvarianz des Nachweisergebnisses sowie den Umgang mit nichtproportionalen Beanspruchungen. Diese neuen Methoden werden derzeit in die aktuelle FKM-Richtlinie integriert – in einem über 30-jährigen Kontext die bisher tiefgreifendste Überarbeitung.
Aufgrund der algorithmischen Komplexität ist eine Softwarelösung essenziell – diese wird im Rahmen unseres aktuellen Forschungsprojektes entwickelt.
Durch das Vorhaben werden KMUs in die Lage versetzt, nichtproportional beanspruchte Bauteile rein virtuell und weniger konservativ nachzuweisen – schnell, kostenschonend und von Aufsichts- und Zulassungsbehörden anerkannt. Das spart Zeit und Ressourcen, stärkt die Innovationskraft und verschafft einen klaren Wettbewerbsvorteil.
Ermöglicht wird uns dieses Projekt durch eine finanzielle Förderung des Landes Hessen in Zusammenarbeit mit der WIBank.
[1] Wuthenow, R.; Fällgren, C.; Wächter, M.; Esderts, A.; Vormwald, M.: FKM Mehrkanalig: Erweiterung des Ermüdungsfestigkeitsnachweises der FKM-Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis zur Anwendung auf mehrkanalig nichtproportionale Lasten; Abschlussbericht, FKM-Vorhaben Nr. 618, Heft 350, 2024
Ziel des Vorhabens:
Es soll ein Verfahren entwickelt werden, um den nummerischen Nachweis von Schweißnähten nach dem Kerbspannungsverfahren vollständig zu automatisieren. Für den Nachweis nach FKM-Richtlinie sind drei Spannungskomponenten notwendig. Zwei Komponenten können nummerisch mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) örtlich ermittelt werden. Die dritte Komponente parallel zur Schweißnaht muss im Nachweis als globale Größe im Querschnitt (Nennspannung) angegeben werden. Die Ermittlung dieser Nennspannung ist nur bei wenigen, einfachen Strukturen (stabförmige Strukturen aus dem Stahlbau) möglich. Zu allen anderen Strukturen aus der industriellen Anwendung lassen sich Nennspannungen nicht automatisiert ermitteln. Hier soll das Vorhaben Abhilfe schaffen. Zwischen der örtlichen Spannung parallel der Naht und der Nennspannung besteht ein komplexer, von der Geometrie und vom Spannungsverlauf abhängiger Zusammenhang. Dies konnte ihf in ersten Voruntersuchungen zeigen. Der Zusammenhang soll genutzt werden, um mit Hilfe von neuronalen Netzen die Nennspannung näherungsweise abzuschätzen. Damit wird ein wirtschaftlicher, vollständig automatisierter Nachweis möglich.
Erstellung einer Software für den Lebensdauernachweis von Offshore-Strukturen nach DNV-RP-C203 und DNV-ST-0361
Ziel des Vorhabens:
Es soll eine Software erstellt werden, mit der der Lebensdauernachweis von Offshore-Strukturen möglich ist. Für den sicheren Betrieb solcher Strukturen ist ein rechnerischer Lebensdauernachweis nach Regelwerken wie der DNV-RP-C203 (Schweißnahtnachweis) und DNV-ST-0361 (Grundmaterial) des Zertifizierers Det Norske Veritas verpflichtend. Aufgrund der komplexen Belastung durch Wind oder Wellen sind die Nachweise sehr aufwendig. Auf die Strukturen wirken zeitgleich Lasten in verschiedene Raumrichtungen an verschiedenen Lastangriffsorten über eine sehr große Zeitdauer (25 Jahre). Diese Lasten sind im Allgemeinen zueinander unkorreliert und werden entsprechend den normativen Vorgaben als Lastzeitreihen ermittelt. Da die Lasten zueinander nichtproportional sind, müssen an jedem Nachweispunkt die Beanspruchungen über die Lebensdauer millionenfach wechselnd ermittelt und bewertet werden. Dies ist nur mithilfe geeigneter Software und großer Rechenleistung möglich. Ziel des Vorhabens ist es, eine solche Software zu erstellen, die den Nachweis auf Basis von numerischen Simulationen mit der Finiten-Elemente-Methode ermöglicht. Der komplexe Nachweis soll dabei in kurzer Zeit auf Hardware, die auch KMUs zur Verfügung steht, durchführbar sein. Notwendig ist dafür eine massive Parallelisierung und ein bandbreitenoptimiertes Datenmanagement. Techniken, die in diesem Vorhaben erarbeitet werden, sollen auf andere Vorhaben des Antragstellers übertragen werden.
Ziel des Vorhabens:
Ziel des Vorhabens ist es eine Software zu entwickeln, die den VDI-Nachweis für Schrauben mit Lastzeitreihen ermöglicht. In Europa wird die VDI-Richtlinie 2230 („Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen“) weit verbreitet angewendet. Mit ihr werden Schraubverbindungen nachgewiesen, um den sicheren Betrieb zu erlauben. Bei hochbeanspruchten Verbindungen wird dabei die Belastung der Schraubverbindung auf Basis von numerischen Simulationen mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode ermittelt. Mit den so gewonnenen Schnittkräften und -momenten wird anschließend der Nachweis im Querschnitt der Schraube erbracht. Der Nachweis ist umfangreich und wird in der industriellen Anwendung mit Softwareunterstützung durchgeführt. Er setzt einfache Lastfälle voraus, die immer proportional zueinander wirken, so dass der Lebensdauernachweis auf eine einstufige Spannung reduziert werden kann. Im industriellen Bereich gibt es aber zahlreiche Strukturen, die mit variablen Lastamplituden über der Zeit (Lastzeitreihen) belastet werden (Transportmittel, Turbinen, Windkraftanlagen, …). In diesen Fällen sind die Lasten zueinander nichtproportional. Die Spannung in der Schraube darf dann nicht nur für den Querschnitt global, sondern muss über die Länge und den Umfang der Schraube örtlich ermittelt und bewertet werden. Entwicklungsziel ist eine Software, die den VDI-Nachweis für Lastzeitreihen örtlich in der Schraube durchführt und so den Anwendungsbereich praxisgerecht erweitert.
Unser letztes Forschungsprojekt gefördert vom Land Hessen Staatskanzlei und der WIBank:
Schweißnähte sind eines der wichtigsten Verbindungsmittel in der Technik. Bei wechselnder Belastung sind sie in den allermeisten Fällen die versagenskritischen Schwachstellen. Der Nachweis von Schweißnähten erfolgt nach verschiedensten Regelwerken je nach Einsatz der Schweißnaht.
Die Bewertung von Schweißnähten ist, auch in der simulationsgetriebenen Produktentwicklung, eine Herausforderung. Aufgrund der besonderen Eigenschaften der Schweißnähte sind aufwändige rechnerische Methoden zur Führung des Nachweises erforderlich.
Im Rahmen dieses Projektes wurde in einem Zeitraum von November 2020 bis Ende Oktober 2022 eine Software erstellt, die einen Schweißnahtnachweis entsprechend FKM-Richtlinie, Eurocode oder IIW-Richtlinie vollautomatisiert und richtlinienkonform und damit prüffähig durchführt. Aktuelle Forschungsergebnisse und die geplanten Erweiterungen in der FKM-Richtlinie sowie dem Eurocode sind dabei ebenfalls berücksichtig worden.
Unterstützt wird ein automatisierter Nachweis mittels Struktur- oder Kerbspannungen, die auf Basis eines FE-Modells durch die Software ermittelt wurde. Schnittstellen zu ANSYS, Abaqus und HyperWorks wurden implementiert. Um die Automatisierungspotentiale zu erschließen, waren insbesondere bei der Erkennung der lokalen Nahtsituation durch die Software Innovationen, z.B. durch den Einsatz von Verfahren der Mustererkennung, erforderlich, die im Rahmen des Projektes umgesetzt wurden.
Begleitet wurde dieses Projekt durch unseren Verbundpartner, der Technische Universität Darmstadt, durch das Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik mit dem Fachgebiet Werkstoffmechanik (IFSW) und Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM).
Durch die geplanten Arbeiten der wissenschaftlichen Projektpartner wurde die Anwendbarkeit der Struktur- und Kerbspannungskonzepte für weitere in der Praxis übliche Nahttypen (Steckschweißverbindungen) und Nachweissituationen (Nahtende, Nahtwurzel) untersucht, die aktuell in den Richtlinien nicht berücksichtigt sind und daher in der Praxis offene Fragen aufwerfen. Die gewonnen Erkenntnisse wurden im Anschluss durch ihf in der Software implementiert und somit in die industrielle Anwendung übertragen.
Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bestehen in einer erheblichen Beschleunigung des normativen Nachweisvorgangs und höherer Sicherheit durch eine erhöhte Nachweisdichte.
Ermöglicht wurde uns dieses Projekt durch eine finanzielle Förderung des Landes Hessen in Zusammenarbeit mit der WIBank.
