Hallo Herr Wartenberg,

vielen Dank, dass Sie diese Einblicke aus der industriellen Anwendung hier teilen. Ich stimme Ihren Ausführungen vollumfänglich zu. In der Konzeptphase werden sehr häufig vereinfachte Berechnungsverfahren eingesetzt. Während die Konstruktion bzw. das Produkt dann immer weiter detailliert und konkretisiert wird, verfeinert sich auch das Berechnungsverfahren immer weiter. Wenn wir Simulation/Berechnung in den Produktentstehungsprozess unserer Kunden implementieren, setzen wir derartige Vorgehensweisen sehr häufig ein.

In Ihrem Fall müssen wir m.E. noch zwischen einer dynamischen Analyse und einem Dauerfestigkeitsnachweis unterscheiden. Die dynamische Analyse berechnet die Antwort eines Bauteils auf eine dynamische Anregung. Hierbei werden dynamische Eigenschaften wie Anregungsfrequenzen und auch Eigenfrequenzen berücksichtigt. Bei vielen Fragestellungen kann hier das statische Ersatzlastverfahren zum Einsatz kommen. Vorher muss aber eine Resonanzanregung in den Eigenfrequenzen des Systems ausgeschlossen werden. Dies kann mit einer einfachen numerischen Modalanalyse erfolgen.

Vorgenanntes Verfahren wenden Sie an, wenn Sie aus der dynamischen Anregung mit F=m*a eine statische Ersatzlast machen und anschließend einfach eine statische Berechnung durchführen. Selbstverständlich kann die statische Berechnung analytisch (Handrechnung) oder numerisch (Simulation z.B. FEM) durchgeführt werden.

Mit der statischen Berechnung bekommen Sie die maximalen Spannungen (örtliche oder Nennspannungen). Diese müssen anschließend bewertet werden. Hier kommt der Dauerfestigkeitsnachweis ins Spiel. Wie Sie schon schreiben, ist die Herausforderung hierbei eine passende Dauerfestigkeit für den verwendeten Werkstoff zu bekommen.

Die Faustformel von Ihrem Stahlfachmann will einen allgemeingültigen Zusammenhang zwischen der statischen Festigkeit und der Dauerfestigkeit bereitstellen. Ich kenne diese Regel nicht und kann zu Ihrer Verlässlichkeit keine Aussage machen.

Obwohl ich pragmatische Ansätze sehr gut finde, rate ich Ihnen davon ab derartige stark vereinfachte Regeln bei Festigkeitsnachweisen einzusetzen. Es ist i.d.R. immer besser sich hier an eine Richtlinie oder Norm zu halten und nicht auf Faustformeln zurückzugreifen. Sie verringern die Wahrscheinlichkeit für Fehler und Schadensfälle, wenn Sie sich auf etablierte Vorgehensweisen und Kennwerte stützen.
Wenn es doch mal zu einem Schadensfall kommt, können Sie Ihre Argumentation dann auch auf etablierte Vorgehensweisen und Kennwerte stützen. Dies macht es bei einer gerichtlichen Begutachtung einfacher zu zeigen, dass Sie verantwortungsbewusst gehandelt haben.

Auch wenn es sich hier nur um eine Art Vorabschätzung in der Konzeptphase handelt, empfehle ich Ihnen Vorgenanntes trotzdem, denn es ist nicht unbedingt mehr Aufwand und sie sind dann auf der sicheren Seite.
Sie finden z.B. im Tabellenbuch Metall oder in der FKM-Richtlinie die statischen Festigkeiten und die Dauerfestigkeiten für alle gebräuchlichen Werkstoffe. Ich habe in meiner alten Ausgabe des Tabellenbuch Metall 1.4301 nicht gefunden, aber in der FKM-Richtlinie.

Das Verhältnis von statischer Festigkeit zu Dauerfestigkeit ist bei 1.4301 z.B. 0,955 und somit von 2/3 weit entfernt. Wenn Sie sich derartige Tabellen anschauen, werden Sie auch sehen, dass dieses Verhältnis sich von Werkstoff zu Werkstoff signifikant unterscheidet.

Das Tabellenbuch Metall beschreibt im Kapitel „Festigkeitslehre“ eine einfache Vorgehensweise für die Vordimensionierung von Maschinenbauteilen. Hier kommen vorgenannte Dauerfestigkeiten zum Einsatz. Entscheidend sind hierbei auch die Sicherheitsfaktoren. Diese unterscheiden sich je nach Werkstoff und Belastungsart signifikant.

Für dynamische Belastungen wird hier ein Sicherheitsfaktor von 3-6 empfohlen. Der Sicherheitsfaktor ist in diesem Fall so hoch, weil er die festigkeitsmindernden Einflüsse der Bauteilgestalt bei der Vordimensionierung mit absichert.
Sie sehen also, ganz so einfach ist es nicht. Aber ich denke die Vorabschätzung lässt sich mit geringem Mehraufwand auf ein solides Fundament stellen.

Wenn Sie hierzu weitere Fragen haben, melden Sie sich gern.

Viele Grüße,
Tobias Vonstein

Hallo Herr Rist,

freut mich, dass Ihnen der Artikel gefällt.

Vielen Dank, dass Sie Ihre Erfahrungen aus der industriellen Praxis hier teilen.

In der Automobilindustrie liegen i.d.R. eindeutig dynamische Belastungen vor. Ähnlich wie bei dem Schwingsieb in meinem Artikel. In vielen anderen Anwendungsfällen ist die Abgrenzung von statisch zu dynamisch oft nicht so offensichtlich.

Ich denke eigene Richtlinien und Erfahrungen sind immer besser, wenn man Bauteile an die Grenze optimieren will. Allgemeine Richtlinien wie die FKM-Richtlinie sind i.d.R. konservativer. In Branchen und Unternehmen wo es an Erfahrungswerten und eigenen Richtlinien mangelt, ist die FKM-Richtlinie aber ein guter Startpunkt, um für die Auslegung eine solide Basis zu haben. Denn diese Basis muss ja auch einer Überprüfung durch einen Gutachter bei einem Schadensfall standhalten.

Im Zuge der Einführung der entsprechenden Prozesse können dann mit der Zeit eigene Richtlinien entwickelt werden, wenn dies erforderlich ist.

Viele Grüße,
Tobias Vonstein

Hallo Herr Rist,

vielen Dank für Ihren Erfahrungsbericht aus der industriellen Praxis.

Es freut mich, dass sich unsere Beispiel-Rechnungen auch in Ihrem Unternehmen bestätigen.

Insbesondere bin ich aber auch (wie Sie) der Meinung, dass die Vorteile der Simulation weit über die eigentlichen Ersparnisse bei den Entwicklungskosten hinaus gehen. Produktentwickler können mit der Simulation schnell und günstig Produkte entwickeln die sehr gut auf die Kundenanforderungen zugeschnitten sind. Das führt zu signifikanten Wettbewerbsvorteilen, mehr Kundenzufriedenheit und weniger Reklamationen.

Wird die Simulation intern genutzt bleiben auch alle diese Vorteile inHouse!

Diese Vorteile sind für jedes Unternehmen unschlagbar wertvoll. Allerdings sind sie im Vorfeld viel schwerer im Sinne der Monetarisierung abzuschätzen, als die Ersparnisse bei den Entwicklungskosten. Die Ersparnisse bei den Entwicklungskosten sind deshalb häufig die anfängliche Motivation.

Viele Grüße,
Tobias Vonstein

als bei uns im Unternehmen das Thema „Einführung der Simulation in die Produktentwicklung“ zur Sprache kam, waren entstehende Kosten zunächst das größte Thema.
Nach einigen Vergleichssimulationen und den nötigen Zeitaufwendungen wurde sehr schnell ein „Das machen wir“ !
Wie haben sehr ähnliche Kosteneinsparungen wie in den Beispielen gezeigt gehabt.

Was für den gesamten Produktentwicklungsprozess vorteilhaft ist, zu schnelleren und besseren Ergebnissen führt und Expertise und Kundenbindung fördert, ist die Tatsache das von der ersten Idee bis hin zur Bestätigung „das Bauteil hält“ alles Inhouse bleibt.

Vg Theodor Rist

sehr interessanter Artikel, ich denke hier wird der ein oder andere Anwender der mit Bauteilauslegungen zu tun hat abgeholt.
Was ich aus meiner bisherigen Expertise zu diesem Thema sagen kann, ich kenne bis auf Missbrauchsfälle in der Montage, keine Bauteilauslegung in der Automobilindustrie die sich rein auf den statischen Nachweis verlässt.
Ich finde deshalb diesen Artikel sehr wichtig!
Die FKM-Richtlinie ist ein verlässlicher und guter Indikator für die Spannungsbewertung, jedoch bewerten die meisten OEM‘s diese mit eigenen Richtlinien und Erfahrungen.
Wie in ihrem Artikel beschrieben „jedes Gramm zählt“ ist es tatsächlich auch! Die Kunden achten hier penibel darauf das sich Bauteile Gewichtstechnisch absolut an der Unterkante bewegen. Dies macht eine genaue Untersuchung der Bauteile und der Belastungen unabdingbar!

Gerne mehr von solchem Content!

VG Theodor Rist

Das stimmt! Allerdings bewegt sich hier der Ski-Springer als Festkörper frei im Strömungsgebiet und die Wechselwirklungen zwischen diesem Festkörper und dem Strömungsgebiet sind im Hinblick auf das Simulationsergebnis nicht vernachlässigar. Es würde also auf eine Fluid-Struktur-Interaktion mit CEL (Coupled-Euler-Lagrange) hinauslaufen und etwas aufwendiger werden. Zudem können viele Einflussparameter, wie z.B. die Windrichtung und -geschwindigkeit während des Sprungs, im Vorfeld nicht klar als Eingangsparameter quantifiziert werden. Hierdurch besteht die Gefahr größerer Abweichungen zwischen den Simulationsergebnissen und dem realen Sprung.

Hallo Herr Gossel,
es freut mich sehr zu hören, dass unsere Weihnachts-Simulation es geschafft, hat Ihr Lieblingsweihnachtsvideo zu werden. Anscheinend sind Sie genauso begeistert von unserem virtuellen Pfeffi wie ich. Ich bin mir jetzt schon sicher, dass es im Dezember 2022 ein Pfeffi-Upgrade geben wird. Wahrscheinlich werden optimierte Zusatzmassen in den Armen und Beinen in noch lustigeren Eigenmoden resultieren.
Ich wünsche Ihnen schöne Weihnachtstage und dann einen guten Start ins neue Jahr.

Viele Grüße,
Tobias Vonstein