Buckling-Tool. Integration des Stabilitätsnachweis nach Eurocode 3 in ANSYS Workbench mit ACT

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1 Buckling-Tool Integration des Stabilitätsnachweis nach Eurocode 3 in ANSYS Workbench mit ACT Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Feickert, Dipl.-Ing. (FH) Tim Kirchhoff, Cand. B.Eng. Elena Sips, Hochschule RheinMain Ingenieurbüro Huß & Feickert, Liederbach, Deutschland Seite 1 / 31

2 Ingenieurbüro Huß & Feickert Simulation explicit and Software- und Experimental SoftwareTraining implicit FE-Method - Linear and nonlinear structural mechanics - Dnamic - Optimisation - Thermal Transport - Fluid Dnamic - Crash - Drop Test - Containment Test Product Development - Software Development - WB / FKM - WB / Weld - Concept Development - CAD Design - Assessment - Preparation Of Drawings Services - Durabilit Testing - Acceleration Measurement - Modal Analsis - Temperature- und Strain Gauge- Measurement - Training Course in ANSYS and LS- DYNA Seite 2 / 31

3 Inhalt 1. Einleitung 2. Grundlagen der Beulanalse 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) 4. Beulanalse mit ANSYS Workbench 5. Umsetzung 6. Anwendungsbeispiel 7. Zusammenfassung und Ausblick Seite 3 / 31

4 1. Einleitung Beulnachweis schlanker Platten (Schweißkonstruktionen, Brücken, Kranbau, Schiffe) Gefahrenpotential durch plötzlichen Stabilitätsverlust aufgrund von Beulen oder Knicken Konstruktion und Auslegung sind gesetzlich geregelt Richtlinien und Regelwerke, z.b.: - DASt Richtlinie 012 (deutsche Richtlinie) - DIN Teil 3 (deutsche Norm (veraltet)) - DIN EN : (Eurocode 3, europäische Richtlinie) ABER: Nachweis nach Norm von Hand ist je nach Geometrie sehr zeitaufwendig Seite 4 / 31

5 1. Einleitung Daher: Entwicklung einer Software zur Unterstützung des Beulnachweises nach Eurocode 3 Teil 5, Abschnitt 10 (Methode der reduzierten Spannungen) Nachweis auf Basis der Ergebnisse einer FE-Analse Integration in ANSYS Workbench mit Hilfe des ACT Ziel: Arbeits- und Zeitersparnis für den Anwender Vermeidung von Fehlern bei manuellen Berechnungen Seite 5 / 31

6 2. Grundlagen der Beulanalse Elastische Beulanalse Beulen tritt bei Druckbelastung in Plattenebene auf Erhöhung der Last über die Verzweigungslast hinaus führt zu seitlichem Ausweichen aus der Plattenebene (Verlust der Stabilität) Annahme: Perfekte Geometrie und lineare Materialgesetze Berechnung der theoretische kritischen Beullast (Verzweigungslast) Verzweigungsproblem => mehrere Stabilitätslagen für eine Last möglich Seite 6 / 31

7 2. Grundlagen der Beulanalse Kritische Beulspannung Kritische Beulspannung σ cr = σ E k (= Eulerspannung * Beulfaktor) cr 2 2 E t 2 12(1 ) b 2 k Beulfaktor k Beulfaktor k ist abhängig von der Art der Belastung, der Lagerung, dem Randspannungsverhältnis und dem Seitenverhältnis α=a/b Gültig nur für allseits gelenkig gelagerte Platten unter Längsspannung Seite 7 / 31

8 Seite 8 / 31 Buckling-Tool 2. Grundlagen der Beulanalse Beispiel Allseits gelenkig gelagerte Platte (Randspannungsverhältnis = 1): b a m n a b m k n a b m k 2 2 5,34 4 a b k m=1, n=1 m=2, n=1 m=1, n=1 m=2, n=1 m=1, n=1 m=2, n=1

9 2. Grundlagen der Beulanalse Nachteile der linearen Beulanalse Versagen auf Grund von globalem Knicken wird nicht berücksichtigt Imperfektionen und nicht lineares Materialverhalten werden vernachlässigt Überkritische Tragreserven können nicht ausgenutzt werden Entwicklung von Normen Zunächst DIN Dann DIN Teil 3 Ab 2010: DIN EN (Eurocode 3 Teil 5) Seite 9 / 31

10 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Eurocode 3 (Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten) Teil 1-5 (Plattenförmige Bauteile) Verfahren mit wirksamen Breiten (Querschnittsklasse 4, Sicherheit gegen Beulen und Knicken für 3 verschiedene Lastfälle, separate Berechnung mit anschließender Interpolation) Methode der reduzierten Spannungen (Querschnittsklasse 3, Sicherheit gegen Beulen und Knicken mit einer Berechnungsmethode für alle Lastfallkombinationen) Seite 10 / 31

11 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Verfahren mit wirksamen Breiten Grundgedanke - Eigentliche Breite des Beulfeldes wird auf eine wirksame Breite reduziert, in der die maximale Spannung der tatsächlichen Platte über die reduzierte Breite wirkt - Wirksame Breite b eff = ρ b (= Abminderungsfaktor * tatsächliche Breite) Seite 11 / 31

12 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Verfahren mit wirksamen Breiten Getrennte Nachweise für verschiedene Lastfälle - Plattenbeulen bei Längsspannungen - Schubbeulen - Querbelastung Anschließende Interaktion - Interaktion zwischen Schub, Biegemoment und Normalkraft - Interaktion zwischen Querbelastung und den Längsrändern, Biegemoment und Normalkraft Seite 12 / 31

13 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Verfahren mit wirksamen Breiten p x, Rd f x, Ed x, Rd x, cr f W Rd Ed Rd W f 3 cr f 3 p, Rd f, Ed, Rd, cr f => Zusammenführen der Ergebnisse nach Interaktionsformel Seite 13 / 31

14 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Verfahren mit wirksamen Breiten Vorteile Lokales Beulen und globales Knicken wird berücksichtigt Lastumlagerungen zwischen Einzelblechen eines Bauteils werden berücksichtigt Überkritisches Tragverhalten wird berücksichtigt Nachteile Allgemeine Beulkurven können nicht genutzt werden Nachweis nur unter Kenntnis der jeweilig vorliegenden, spezifischen Lastfallkombination möglich bei einer FE-Analse mit komplizierter Geometrie nicht möglich => Für eine Automatisierung eher ungeeignet Seite 14 / 31

15 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Methode der reduzierten Spannungen Grundgedanke - Vergleichsspannung wird der um den Beuleinfluss reduzierten Streckgrenze der Platte gegenübergestellt - Vergleichspannung σ v,ed ρ f (Abminderungsfaktor * Streckgrenze) Seite 15 / 31

16 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Methode der reduzierten Spannungen Vorliegender Spannungszustand mit gegebenem Spannungsverhältnis ψ Berechnung des Auslastungsgrads α ult,k ult, k f v, Ed 2. Berechnung des Lasterhöhungsfaktors α cr cr v, cr v, Ed 3. Berechnung des Sstemschlankheitsgrads λ p p ult, k cr Seite 16 / 31

17 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Methode der reduzierten Spannungen 4. Berechnung der Abminderungsfaktoren 0,055(3 ) 0,055(3 ) p x p x 2 2 0,83/ W x, W ; ; p 2 ; p p p p p 1, 1 1 p p p p0 2 p Lastfallspezifische Beulkurven Allgemeine Beulkurven 1,2 Abminderungsfaktoren ρ, χ w 1 0,8 0,6 0,4 0,2 min = χ verformbar max = χ starre Auflager ρ spezifisch ψ=-1 ρ spezifisch ψ=1 ρ allgemein ψ<0 ρ allgemein ψ>0 χ starre Auflager χ verformbar 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Schlankheitsgrad λ p Seite 17 / 31

18 Seite 18 / 31 Buckling-Tool 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Methode der Reduzierten Spannungen 5. Nachweis bei lastfallspezischen Beulkurven 6. Nachweis bei allgemeinen Beulkurven 1 / / / / / 1 1, 1, 2 1, 2 1, M W Ed M Ed M x Ed x M Ed M x Ed x f f f f f 1 1, M k ult Umgesetztes Nachweisformat

19 3. Die Richtlinie (Eurocode 3) Methode der reduzierten Spannungen - Vorteile Alle Lastfallkombinationen werden in einem Nachweis abgedeckt (Sstemschlankheit λ p ) Allgemeine Beulkurven können genutzt werden Lokales Beulen und globales Knicken werden berücksichtigt Überkritische Tragreserven werden ausgenutzt - Nachteile Lastumlagerungen zwischen Einzelblechen eines Bauteils werden nicht berücksichtigt Globales Knicken kann nicht so einfach berücksichtigt werden => Für eine Automatisierung gut geeignet Seite 19 / 31

20 4. Eigenwert-Beulanalse mit ANSYS Workbench Ablauf - Eigenwert-Beulanalse in ANSYS ist eine Modalanalse unter Vorspannung - Daher: 1. Statisch-mechanische Analse - Kraft aufbringen und Spannung berechnen 2. Eigenwert-Beulanalse - Moden festlegen und LM berechnen Load Multiplier = kleinster Faktor zur Erhöhung der tatsächlichen Spannung um die kritische Beullast zu erreichen Seite 20 / 31

21 4. Eigenwert-Beulanalse mit ANSYS Workbench Seite 21 / 31

22 5. Umsetzung Kombination aus Strukturanalse, Beulanalse und Berechnung ANSYS Strukturanalse Spannungstensor an jedem Knoten Buckling Tool ANSYS Eigenwert Beulanalse Load Multiplier (α cr ) und Verschiebungen an jedem Knoten σ x,ed σ,ed τ Ed Zuordnung des entsprechenden Load Multipliers zu den Knoten über die Verschiebungsfigur Berechnung des Sstemschlankheitsgrads λ p Berechnung des Abminderungsfaktors ρ Berechnung des modifizierten Auslastungsgrads und Ergebnisdarstellung α cr u total Seite 22 / 31

23 5. Umsetzung Umsetzung mit Hilfe des ACT, Programmierung in Pthon Öffnen der Extension und notwendige Eingabeparameter Seite 23 / 31

24 5. Umsetzung Umsetzung mit Hilfe des ACT, Programmierung in Pthon Geometriebereich definieren Optionen: - Auswahl aller Körper - Manuelle Auswahl einzelner Körper - Automatische Auswahl geeigneter Körper Seite 24 / 31

25 5. Umsetzung Umsetzung mit Hilfe des ACT, Programmierung in Pthon Berichterstellung Seite 25 / 31

26 6. Beispiel Rechteckplatte Vorspannung: -100Mpa Beulformgrenzwert: 0.8 Darstellung: alle Moden Auslastungsgrad Abminderungsfaktor ρ Seite 26 / 31

27 6. Anwendungsbeispiel Lastfalldefinition Kran Seite 27 / 31

28 6. Anwendungsbeispiel Vergleichspannung und Beulmoden Load Multiplier = 0,94915 Load Multiplier = 1,127 Seite 28 / 31

29 6. Anwendungsbeispiel Ergebnis Auslastungsgrad über alle Moden Alle nicht blau eingefärbten Bereiche erfüllen nicht die Bedingung aus DIN EN Seite 29 / 31

30 7. Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Nachweis nach Eurocode 3 wurde mit Hilfe des ACT in ANSYS Workbench integriert Deutliche Reduzierung des Arbeitsaufwandes für den Anwender Automatische Plattenerkennung und Auswahl Automatische Nachweisführung und Ergebnisdarstellung von 3 zentralen Größen Automatische Berichterstellung Vermeidung von Fehlern bei manuellen Berechnungen Seite 30 / 31

31 7. Zusammenfassung und Ausblick Ausblick Sprachauswahl für Benutzeroberfläche (Englisch, Deutsch) Erweiterung für Rechteckplatten mit Steifen Seite 31 / 31

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