Software: FEM - Tutorial - 2D-Komponente - Belastung - Beanspruchung

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Beanspruchung (Sicherheitsfaktor)

Der Sicherheitsfaktor (gegen Fließen) für zähe Materialien (z.B. Stahl, Aluminium) wird definiert als das Verhältnis der Streckgrenze des Materials zur maximal auftretenden Belastung:

S_F=R_e/σ_max

• Als maximal auftretende Belastung wird für zähe Materialien der ermittelte Maximalwert der Von-Mises-Spannung (im Beispiel 518 MPa) verwendet.
• Wir haben die Streckgrenze (hier 410 MPa) als Kriterium für die Berechnung des Sicherheitsfaktors für das zähe Material gewählt.
• Daraus müsste für die Position der höchsten Belastung im Beispiel ein Sicherheitsfaktor=0,79 angezeigt werden, was auch der Fall ist:
  
• Hinweis: Für spröde Materialien muss man stattdessen die Zugfestigkeit als Kriterium wählen. Dann wird jedoch diese im Verhältnis zur maximal 1. Hauptspannung betrachtet (Sicherheitsfaktor gegen Bruch!).
• Ein Sicherheitsfaktor kleiner 1 weist normalerweise auf einen Konstruktionsfehler hin, der mit ziemlicher Sicherheit zu einer Zerstörung des Teils führt (Deshalb auch das rote Ausrufezeichen an der Legende).
• Der maximale Wert des Sicherheitsfaktors wird im Fusion 360 auf 15 begrenzt, um eine anschauliche Farbkontur für die interessanten Bereiche zu erhalten.
• Im Beispiel beschränkt sich der zu hoch belastete (dunkelrote) Bereich auf extrem schmale Kreisringe am Rand zur "Verschweißung" und praktisch nicht sichtbar.

Leider ist die Konfigurierbarkeit der Legende für Sicherheitsfaktoren entgegen der Dokumentation in der aktuellen Version stark eingeschränkt (max. 4 Farbstufen für Banddarstellung). Die beschriebenen Tipps zur Hervorhebung des kritischen Bereiches nützen deshalb nichts:

• Nur über das ERGEBNISDETAILS-Fenster (Aufruf über Statussymbol an der Legende) besteht zur Zeit eine Möglichkeit, die dargestellte Farbkontur an den interessierenden Zielbereich für die Belastung anzupassen:
  
• Entscheidend für die Skalierung der Legende und den Sicherheitsfaktor-Status ist der Zielbereich für den minimalen Sicherheitsfaktor (standardmäßig 3 bis 6).
• Es werden werden folgende Status-Symbole und Farbbereiche unterschieden:
  1. Rotes Ausrufezeichen: der minimale Sicherheitsfaktor liegt unter dem Wert 1 oder bei eigenem Zielbereich unterhalb dieses Bereiches.
  2. Gelbes Ausrufezeichen: (nur bei unveränderten Zielbereich-Vorgabewerten!) der resultierende minimale Sicherheitsfaktor liegt zwischen 1 und unterem Zielbereichswert.
  3. Grünes Häkchen: der minimale Sicherheitsfaktor befindet sich innerhalb des wirksamen Zielbereichs.
  4. Blaues doppeltes Häkchen: der minimale Sicherheitsfaktor überschreitet den oberen Zielbereichswert.
• Hinweis: der Wert des minimalen Sicherheitsfaktors ist in der Legende im zugehörigen Farbbereich gekennzeichnet

Wir ändern unseren Sicherheitsfaktor-Zielbereich auf 2 bis 4:

• Daraufhin existieren nur noch die Farbbereiche rot, grün und blau.
• Der Maximalwert der Legende liegt immer um den Wert 2 über dem oberen Zielwert.
• Die Anzeige des schwächsten Teils der Konstruktion (roter Bereich) erfolgt sehr anschaulich im Rahmen einer Glaskörperdarstellung des Bauteils:
  
• Die stark belasteten Kantenabschnitte sind nach Aktivierung von "Schwächste Bereiche der Konstruktion anzeigen" deutlich zu erkennen.

Um nicht für das Versagen unzulänglicher Konstruktionen finanziell zu haften, erfolgen von Autodesk-Seite ausführliche Erläuterungen in Hinblick auf den Sicherheitsfaktor einer Konstruktion in der Online-Hilfe:

• Wir streben im Beispiel einen minimalen Sicherheitsfaktor=2 an. Dazu verringern wir die Zugkraft soweit, bis dieser Minimalwert angezeigt wird.
• Wichtig: Da ein linearer, reziproker Zusammenhang zwischen Zugkraft und Sicherheitsfaktor existiert, kann man die zulässige Zugkraft für den Sicherheitsfaktor 2 sehr einfach berechnen!

Fragen:

• Wie groß ist die zulässige Zugkraft, wenn der Sicherheitsfaktor=2 im Modell an allen Stellen eingehalten werden soll.
• Wie groß ist die maximale von Von-Mises-Vergleichsspannung bei dieser ermittelten zulässigen Zugkraft?
• Die als Bestandteil der Lösung einzusendende Studie ist mit dem ermittelten Kraftwert zu konfigurieren!

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