DER KONSTRUKTEUR ASB 2026

Flüssigkeit gekühltes

Flüssigkeit gekühltes Steuergerät SIMULATION: EFFIZIENTE UND BELASTBARE LEBENSDAUERANALYSEN FÜR BAUTEILE DER ERMÜDUNG NICHT NACHGEBEN PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Die Dimensionierung von Bauteilen erfordert neben der Beurteilung der statischen Festigkeit häufig auch eine Analyse der Festigkeit unter zyklischen Lasten. Diese lässt sich mittels Bauteilversuchen experimentell nachweisen. Einfacher und schneller ist jedoch die Abschätzung der Lebensdauer mittels Simulationstechnik, beispielsweise mit Ansys nCode DesignLife. Der Beitrag zeigt anhand eines Steuergeräts den Weg vom PSD-Test nach VW 80000 über effiziente Übertragungsfunktionen bis zum realen Shakertest. Die Dimensionierung von Bauteilen erfordert verschiedenste Analysen, darunter mechanische, thermische, statische, transiente sowie modalbasierte. Diese Analysen lassen sich über Bauteilversuche experimentell durchführen. Jedoch ziehen diese teilweise lange Versuchszeiten nach sich, sind bei unterschiedlichen Lastniveaus zu fahren und zudem sind zur statistischen Absicherung mehrfache Wiederholungen notwendig. Das heißt, der experimentelle Aufwand ist beträchtlich. Mittels Simulationstechnik lässt sich die Abschätzung der Lebensdauer deutlich vereinfachen, sodass sie sich als praktisches Werkzeug im industriellen Einsatz zunehmend etabliert. Dipl.-Ing. (FH) Nils Kuhn, CAE Engineer, CADFEM Germany GmbH, 85567 Grafing b. München BEISPIEL AUTOMOBILBAU Im Automobilbau müssen Komponenten realen Vibrationslasten standhalten. Tests wie PSD-Profile nach VW 80000 bewerten die Beständigkeit gegenüber Materialermüdung und Ablösungen. Simulationen liefern dieselben Nachweise deutlich schneller - und machen sichtbar, welche Frequenzen das Bauteil wirklich ermüden. Physische Tests sind kostenintensiv und liefern oft nur das Ergebnis „hält“ oder „hält nicht“. Simulation macht die Ursachen WIEDERKEHRENDE BELASTUNGEN FÜHREN ZU EINER ZYKLISCHEN BEANSPRUCHUNG UND ZU MATERIALERMÜDUNG eines Versagens sichtbar und erlaubt gleichzeitig eine gezieltere Optimierung. Als Beispiel dient ein wassergekühltes elektronisches Steuergerät, wie es im Bild Seite 34 zu sehen ist. Wiederkehrende Belastungen führen zu zyklischer Beanspruchung und Materialermüdung. Liegt die Anregungsfrequenz im Bereich einer Eigenfrequenz, tritt Resonanz auf: Die Bauteilspannung steigt, wodurch die Lebensdauer sinkt. Das hier betrachtete Steuergerät wird im Random-Vibration-Test nach VW 80000 mit einem PSD-Profil von 20-2.000 Hz und wechselnden Temperaturen von -25 °C bis +100 °C geprüft. MÖGLICHKEITEN UND ANALYSEN FÜR EINE VIBRATION FATIGUE BEWERTUNG Um eine fundierte Bewertung der Betriebsfestigkeit zu ermöglichen, werden mehrere Analysen gefordert: statische Strukturmechanik, Modalanalyse und Frequenzbereichsanalysen. Der Kontaktzustand aus der Statik dient dabei als Restartpunkt für die Modalanalyse, wodurch die Steifigkeitsabbildung deutlich verbessert wird. 34 DER KONSTRUKTEUR 2026 / ASB www.derkonstrukteur.de

ANTRIEBSELEMENTE UND SOFTWARE 01 02 01 Die Grafik zeigt das Analyse-Ergebnis der Schädigung von nCode DesignLife in Mechanical und einen Vergleich von FEM-Ergebnissen mit Messungen 02 Typischer Ansys nCode DesignLife Workflow: Einlesen der modalen Spannungen > Übertragungsfunktionen bestimmen > Skalierung > Ermittlung der Spannungszyklen > Berechnung des Schädigungsverlaufs Da sich während des PSD-Tests die Temperatur ändert, werden Spannungsverteilungen bei -25 und +100 °C als statische Lastfälle in Ansys nCode DesignLife eingelesen und zu einem Lastkollektiv zusammengefasst. Für die Analyse werden Übertragungsfunktionen der Spannungen benötigt. Ansys setzt dafür auf die Mode-Superposition-Methode (MSUP), die bereits berechnete Eigenformen nutzt und damit sehr schnelle harmonische Analysen ermöglicht. Bei vielen dicht beieinanderliegenden Eigenfrequenzen - etwa bei Bauteilen mit feinen Kühlrippen - würde die klassische Berechnung schnell mehrere hundert Gigabyte an Ergebnisdaten erzeugen. Ansys nutzt hier einen Algorithmus, der die Spannungen aus kompakten modalen Beitragsfaktoren rekonstruiert, statt sie komplett neu zu berechnen - das spart rund 90 % der Rechenzeit, ohne Genauigkeitsverlust, und macht die sonst nötigen Gigabytes an Speicherplatz nahezu überflüssig. ERGEBNISVERGLEICH: SIMULATION TRIFFT SHAKERTEST Ansys nCode DesignLife liefert die Schädigung pro Event und die zulässigen Wiederholungen für das gesamte Lastkollektiv. Im Beispiel ergibt sich eine Gesamtschädigung von D < 1 - das Bauteil besteht den virtuellen Test. Die Auswertung aller drei Raumrichtungen zeigt, dass die Anregung in X-Richtung die größte Schädigung verursacht. Für diese Anregung lässt sich am kritischsten Ort des Bauteils ablesen, welche Frequenz die Lebensdauer dominiert. Zur Absicherung wird das Steuergerät anschließend real auf dem Shaker geprüft - schließlich soll die Simulation am Ende den physischen Test ersetzen, nicht nur ergänzen. Der Abgleich der Frequenzgänge aus Messung und Simulation zeigt, wie nah Modell und Realität beieinanderliegen. Typische Abweichungen entstehen durch veränderte Lagerungen, neue Geometriestände oder abweichende Dämpfungswerte. Erst dieser Abgleich macht aus einer Simulation eine belastbare Prognose, auf die sich auch künftige Projekte stützen können. Bilder: Aufmacher stock.adobe.com / CADFEM, 01 + 02 CADFEM www.cadfem.net SEMINAR: VON EXPERTEN LERNEN Wer diese Methodik selbst beherrschen möchte: Im Seminar „Betriebsfestigkeitsbewertung mit Ansys nCode DesignLife“ vermittelt CADFEM genau diese methodische Basis und zeigt, wie sich Übertragungsfunktionen korrekt einsetzen, Lebensdauermodelle aufbauen und Schädigung zuverlässig interpretieren lassen. Im Seminar lernen die Teilnehmer die komplette Bandbreite der Ansys-nCode Methoden kennen und wenden sie auf eigene Fragestellungen an. Erfahren Sie im CADFEM Blog mehr über die Simulation von Vibrationsermüdung, die gezeigten Anwendungsbeispiele und das passende Seminar unter: https://blog.cadfem.net/de/vibration-fatigue-bewertung www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 2026 / ASB 35