Festigkeitsanalyse – Ist das Bauteil richtig dimensioniert?

FE-Analysen

Die Festigkeitsanalyse ist für Konstrukteure und Entwicklungsingenieure im Bereich Mechanik ein wichtiger Bestandteil der Produkt- und Bauteilentwicklung. Die Frage ob das Bauteil korrekt und ausreichend dimensioniert ist stellt sich dabei bei jedem einzelnen Teil und Baugruppe. Der Entwickler hat die Aufgabe das Bauteil leicht und kostengünstig zu entwerfen aber dennoch ausreichend Robust um die Lasten aufnehmen zu können. Da die Anforderungen immer mehr an die physikalischen Grenzen gehen wird es immer schwieriger abzuschätzen ob diese Herausforderung erfolgreich gemeistert wurde.

Der Entwickler steht in der Verantwortung und muss die Erfüllung der Anforderungen garantieren. Viele Entwickler geben dem Druck nach und haben dann in der Produktentwicklung sorgen ob die Funktion gewährleistet wird. Hat der Entwickler zu viel riskiert, dann kann es sehr teuer werden diesen Fehler zu korrigieren. Wird der Fehler in der Produktentwicklung entdeckt ist es hauptsächlich der Kostenfaktor, doch wird ein Fehler nicht erkannt, können auch Leib und Leben gefährdet sein.

Im günstigsten Fall erleidet der Entwickler einen Imageschaden und muss mit Kompetenzeinbußen rechnen. Im schlimmsten Fall muss er nachweißen, dass er die Bauteile korrekt entworfen hat. Kann er das nicht, muss mit strafrechtlichen Konsequenzen gerechnet werden.

Wie kann der Entwickler Sicherheit gewinnen?

Damit der Entwickler nicht jeden Tag mit einem schlechtem Bauchgefühl und der Angst jemanden zu verletzen leben muss, haben sich diverse Möglichkeiten etabliert um sich abzusichern. Hierbei stehen der praktische Test, das Unternehmens Know-How oder auch eine Festigkeitsanalyse zur Wahl. Nachfolgend wird näher auf diese Möglichkeiten eingegangen.

Umfangreiche praktische Tests

Diese Form der Absicherung bzw. Überpürfung ist aus der modernen Produktentwicklung nicht mehr wegzudenken. Im Rahmen der Produktentwicklung selbst werden umfangreiche Funkrionstest durchgeführt. Abschließend wird durch die Produktvalidierung ebenfalls ein Nachweis erbracht, dass die Funktionalität erfüllt ist. Dies ist auch notwendig, da mit diesen Tests die Grundlage für diverse Zertifizierungen geschaffen werden.

Diese Tests können je nach Produkt oder Anforderungen sehr umfangreich sein oder sind sogar gar nicht sinnvoll abtestbar, wovon jetzt aber nicht ausgegangen wird. Entwicklungsbegleitende Tests werden in den meisten Fällen sehr spät im Projekt durchgeführt. Hierfür werden Musterteile in großer Anzahl benötigt um eine statistisch auswertbaren Test zu erhalten. Darin liegt auch der große Nachteil. Fehler werden im Projekt erst spät erkannt und die Fehlerbehebung kann mitunter sehr kostenintensiv und langwierig sein. Im schlimmsten Fall muss das komplette Konzept umgestaltet werden. Die 10er-Regel, welchem Qualitätswesen gern vorgebracht wird zeigt dies ebenfalls. Je später ein Fehler erkannt wird, desto schlimmer sind die Konsequenzen.

Unternehmens Know-How nutzen

Diese Form der Sicherheit ist eher subjektiver Natur. In vielen Unternehmen herrschen die Devisen “Das haben wir schon immer so gemacht” und “Das hat früher schon nicht funktioniert”, welche heute aber nicht wirklich zeitgemäß zu sein scheinen. Nichts desto trotz ist es aber eine Erkenntnis die als Grundlage durchaus verwendbar sein kann. Denn auf Erfahrungen kann man aufbauen und die richtigen Fragen stellen. Wieso macht man es so? Wieso hat es damals nicht funktioniert? Ist es mit neuerer Methode oder Technik machbar? Das Unternehmens Know-How hilft an die richtigen Stellen zu schauen, aber ob die Dimensionierung ausreichend gut ist sagt dies nicht zuverlässig aus.

Festigkeitsanalyse

Die Festigkeitsanalyse ist eine gute Alternative zum praktischen Test. Der Konstrukteur kann durch analytische Berechnungen vorhersagen, ob ein Bauteil die Anforderungen übersteht. Diese analytischen Modelle sind für einfache Geometrien wie Stangen, Rohre, Würfel etc. und wenig zusammen auftretende Randbedingungen sehr exakt. Die Problematik liegt daher, dass viele Produkte heutzutage keine einfachen Geometrien haben. Damit ist es beinahe unmöglich geworden eine analytische Festigkeitsanalyse durchzuführen. Aus Zeitgründen wird in Projekten auf umfangreiche Berechnungen verzichtet und die Funktionalität im praktischen Test nachgewiesen.

Dank der immer leistungsstärkeren Computertechnik ist es möglich numerische Berechnungen anstatt von analytischen Ansätzen durchzuführen. Durch diese Finite-Elemente Analysen kann zwar keine absolute exakte Lösung ermittelt werden, aber es ermöglicht es in der Konzeptphase bereits zu überprüfen ob das Konzept ausreichend gut ist. So können Fehler oder zu schwache Dimensionierungen in kurzer Zeit und sehr früh im Projekt behoben werden. Der Nachteil dieser Methode ist jedoch die sehr hohe Komplexität der Berechnungen die durch einen qualifizierten Berechnungsingenieur durchgeführt werden sollte. Im Bereich der Strukturmechanik kann zwischen statischen und dynamischen Analysen unterschieden werden. Näheres zum Thema der Finite-Elemente-Methode (kurz FEM) finden Sie in unserem Artikel auf dem Blog.

Wie sieht die moderne Produktentwicklung aus?

Bei der modernen Produktentwicklung spielt die numerische Festigkeitsanalyse eine gleichbedeutende Rolle wie der praktische Test. Nach der Konzeptphase wird mit Hilfe einer Designstudie geprüft welches Konzept das vielversprechendste ist. In dieser Studie, welches nichts anderes ist wie eine Finite-Elemente bzw. Festigkeitsanalyse pro Konzeptvariante, werden auch mögliche Schwachstellen aufgedeckt, welche im weiteren Projektverlauf optimiert werden können. Anschließend wird das Konzept mit Hilfe einer Designoptimierung weiter optimiert. Mit dieser Analyse können bestimmte Designparameter auf ein Optimum gebracht werden. Hierbei kann eine gigantische Anzahl an Parametervariationen durchgespielt werden um die bestmögliche zu finden. Zuletzt wird das fertige Konzept abschließend berechnet um die Funktionalität nachzuweisen. Diese letzte Analyse wird auch als “virtuelles testen” bezeichnet. Besteht dieses Konzept den virtuellen Test, so wird der entsprechende praktische Test abschließend durchgeführt.

Mit dieser Vorgehensweise ist es möglich sehr komplexe Baugruppen oder Bauteile mit sehr hoher Qualität zu entwickeln. Diese Methode erhöht nicht nur den Qualitätsstandard des Produktes, sondern senkt die Projektkosten und verringert die Projektlaufzeiten großer Projekte signifikant.

Eine Übersicht der Vorteile dieser Methode erhalten Sie in unserer Leistungsübersicht. Wenn Sie Fragen zum Thema Finite-Elemente-Methode oder zu einem konkretem Anwendungsfall haben können Sie uns jederzeit ansprechen. Hierfür können Sie per Telefon, E-Mail oder Chat mit uns in Verbindung treten.

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Möchten Sie die Methode bei sich im Unternehmen einführen? Gerne beraten wir sie kostenlos in einem Erstgespräch. Nehmen Sie hierzu bitte über unsere Kontaktseite Kontakt zu uns auf um einen Beratungstermin zu vereinbaren. Gerne können Sie auch direkt unsere Chatfunktion nutzen.

Mit freundlichen Grüßen

Marc Beha

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