Ich freue mich, eine aktuelle Kundenreferenz meiner Arbeit als Simulationsingenieur zu teilen. Für Burnside Hydracyl Ltd. aus Irland durfte ich eine Strukturanalyse an einem Hydraulikzylinder als Dienstleister durchführen.
Der Kunde
Burnside Hydracyl Ltd. aus Irland entwickelt und produziert in Ballymoon seit über 50 Jahren Hydraulikzylinder. Das Lieferprogramm umfasst einfachwirkende Zylinder, doppeltwirkende Zylinder und Teleskopzylinder.
Die Herausforderung
Ein Hydraulikzylinder wird mit einer seitlich angeschweißten verrippten Befestigungsplatte an einem Gestell befestigt (Abbildung 1). Die Positionen der Schrauben sind vorgegeben. Die Sicherheit dieser geschweißten Befestigung ist nachzuweisen.
Dabei wird eine Spielzahl von 10 000 Spielen mit einem Einstufenkollektiv auf die Nennlast des Bauteils vorgegeben.
Die Belastungen und Randbedingungen
Geometrie, Belastungen und Randbedingungen sind halbsymmetrisch, somit kann das Modell auf die Hälfte reduziert werden (Abbildung 2 links).
Trotz fehlender Geometriedaten des Gestells und der Vorgabe einer steifen Anbindung, konnte durch eine konservative Modellierung mit Fixierung nur an 8 Schrauben (Abbildung 2 rechts) und Berücksichtigung des Öldrucks als Belastung eine realistische Simulation erstellt werden.
Die Ergebnisse
Verformung
Die Verformung beträgt maximal 0,38mm und ist in sich plausibel (Abbildung 3). Die Verformung der Befestigungsplatte wurde absichtlich zugelassen.
Spannungen
Die in Abbildung 4 dargestellten Vergleichsspannungen sagen noch nichts darüber aus, ob das Bauteil sicher ausgelegt ist.
Bewertung
Die anfänglichen Vergleichsspannungen waren hoch, und die FKM-Richtlinie zeigte an einigen Hot Spots Optimierungsbedarf auf. Insbesondere Hot Spot 1 wies eine statische Sicherheit von 0,83 auf, was eine Optimierung dringend erforderlich machte.
Die Optimierung
Geometrieänderung Kundenreferenz
Die geometrischen Anpassungen sollten möglichst gering ausfallen, deshalb wurde vorgeschlagen, die Rippen etwas zu verlängern und mit einem weichen Übergang zu gestalten (Abbildung 5).
Spannungen
Durch gezielte Geometrieänderungen, wie die Verlängerung der Rippen mit weichem Übergang, konnte die Verformung der Befestigungsplatte reduziert und die Maximalspannung in einen ungeschweißten Radius verlagert werden. Dies ist bei gleicher Farbskalierung der Spannungen durch die Verringerung der roten Bereiche im Vergleich zur ursprünglichen Berechnung zu erkennen.
Bewertung
Das Ergebnis spricht für sich: Das Spannungsniveau sank merklich, und alle Hot Spots weisen nun eine statische und dynamische Sicherheit von über 1 auf. Die Verbesserung der statischen Sicherheit an Hot Spot 1 betrug beeindruckende 48%!
Hier die Verbesserung gegenüber der ursprünglichen Geometrie in Prozent.
Fazit
Diese Fallstudie zeigt eindrucksvoll, wie selbst kleine Geometrieänderungen durch präzise Simulation zu einer signifikanten Erhöhung der Bauteilsicherheit führen können. Das schafft nicht nur Vertrauen beim Endkunden, sondern ist auch ein wertvolles Vertriebsargument.
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Elmar Weber ist freiberuflicher Simulationsingenieur mit über 30-jähriger Erfahrung im Maschinenbau und der Antriebstechnik. Als Dienstleister „Weber Simulation Engineer“ bietet er die Durchführung und Bewertung von FEM-Simulationen und Berechnungen, Automatisierung von Berechnungsabläufen, Programmierung von Berechnungstools.