FEM im Maschinenbau: Integrierter Ansys-Workflow zur Bewertung von Schweißnähten

Konstruktionen wie ein Lkw-Anhänger-Grundrahmen werden in der Praxis oft zunächst mit einfachen Näherungen oder mit CAD-integrierten FEM-Tools abgeschätzt. Für eine grobe Beurteilung der Steifigkeit kann das funktionieren. Spätestens wenn Lasten steigen, Leichtbaupotenziale genutzt werden sollen oder ein normnaher, prüffähiger Festigkeitsnachweis gefordert ist, stößt dieser Ansatz jedoch an seine Grenzen. Dann reicht ein Spannungsbild allein nicht mehr aus. Genau hier können Sie mit Ansys Mechanical ansetzen.

Lkw-Grundrahmen: scheinbar einfach, tatsächlich anspruchsvoll  

Ein Grundrahmen für einen Lkw-Anhänger soll die notwendige Steifigkeit für unterschiedliche Aufbauten des Fahrzeugs bereitstellen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird er aus Standardprofilen und Blechen verschweißt. In der CAD-Umgebung entsteht so ein Rahmen mit Längs- und Querträgern, verstärkten Bereichen, Auflagerpunkten und zahlreichen Nähten.

Auf den ersten Blick scheint das simpel. Tatsächlich ergeben sich aber typische Herausforderungen:

• Die CAD-Geometrie stammt zunächst aus einem frühen Konstruktionsstadium. Bleche überlappen, es gibt Spalten, Überstände und kleine Unsauberkeiten. Das spielt an diesem Punkt in der Konstruktion noch keine Rolle, denn später in der Fertigung werden Bleche vor Ort angepasst und Fugen überbrückt. Im Modell sind in der Regel zwar die Schweißnahtvorbereitungen enthalten, jedoch nicht die Schweißnähte selbst. Die Anforderungen an das CAD‑Modell unterscheiden sich damit zwischen Produktion und FEM‑Berechnung, was zu Vernetzungs- und Auswertungsproblemen führt.

• Der Rahmen wird nicht nur statisch belastet. Im Fahrbetrieb wirken wechselnde Lasten: Bremsen, Schlaglöcher, Kurvenfahrt, ungleichmäßige Beladung. Gerade für die Schweißnähte sind diese zyklischen Belastungen kritisch. Während statisch eher die Struktur um die Schweißnaht herum versagt, wird zyklisch die Schweißnaht selbst zur Schwachstelle. Wer hier nur auf eine einmalige, lineare Spannungsberechnung setzt, läuft Gefahr, relevante Risiken zu übersehen, oder muss mit sehr hohen Sicherheitszuschlägen arbeiten.

Spannungsbewertung nach FKM

Wer im Maschinenbau belastbare Aussagen zur Festigkeit ableiten will, greift in der Regel auf die FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ zurück.

Die Richtlinie definiert:

• wie Materialkennwerte auf das reale Bauteil übertragen werden,
• wie statische und zyklische Nachweise geführt werden,
• wie Sicherheitsbeiwerte und Einflussfaktoren einzubeziehen sind und
• wie am Ende ein Auslastungsgrad ermittelt wird, der klar zeigt, ob ein Nachweis erbracht ist.

Wichtig ist: Die FKM schreibt nicht vor, wie Spannungen zu berechnen sind. Das übernimmt in der Regel die FEM. Sie gibt aber vor, wie diese Spannungsberechnungen interpretiert und bewertet werden.

Für unseren Lkw-Grundrahmen heißt das: Die lokale Spannungsverteilung an kritischen Stellen, etwa entlang der Schweißnähte oder an Kerben, wird mit den zulässigen Spannungen nach FKM verglichen. Das Ergebnis ist ein Auslastungsgrad, der die vorhandene Sicherheit quantitativ beschreibt.

Mit Ansys Mechanical vom CAD-Modell zum FEM-Modell

Als erstes geht es darum, die konstruktive Geometrie in ein berechnungsfähiges FEM-Modell zu übertragen. In Ansys Mechanical beginnt das mit dem robusten Import der CAD-Daten des Grundrahmens, etwa als STEP-, Parasolid- oder natives Format.

Dann kann das Modell für die Simulation vorbereitet werden. Reine Darstellungsdetails oder Montagefeatures, die keinen nennenswerten Einfluss auf die Steifigkeit haben, können entfernt werden. Gleichzeitig müssen problematische Stellen wie Spalte, Überlappungen oder Doppellinien bereinigt werden. Ziel ist ein Geometriemodell, das die relevanten Tragmechanismen korrekt abbildet, ohne von unnötigen Details überladen zu sein.

Anschließend müssen die Schweißnähte modelliert werden. Welche Nähte werden geometrisch abgebildet? Wo wird mit vereinfachten Ersatzmodellen gearbeitet? Wie nähert sich das FEM-Modell der realen Schweißsituation an? Diese Entscheidungen hängen direkt damit zusammen, wie präzise später bewertet werden soll – insbesondere bei zyklischen Nachweisen.

Dabei geht es nicht zwangsläufig darum, die Geometrie möglichst exakt abzubilden. Eine eingescannte Geometrie liefert keine genaueren Ergebnisse im Sinne des Nachweises. Stattdessen müssen wir uns hier an die Vorgaben des Nachweiskonzeptes halten, für das die zulässigen Spannungen definiert sind. Denn mit diesen idealisierten Darstellungen sind die zulässigen Spannungen ermittelt worden.

Im nächsten Schritt geht es ans Vernetzen. Ansys Mechanical ermöglicht es, ein global eher grobes, aber qualitativ gutes Netz zu erzeugen und kritische Bereiche lokal zu verfeinern. So werden sowohl die globale Steifigkeit als auch die lokalen Spannungen im Bereich der Schweißnähte ausreichend genau erfasst. Für sehr große Modelle bieten sich häufig Schalenelemente an, punktuell ergänzt durch lokale Volumen- oder Submodelle.

Kritische Schweißnähte finden, verfeinern und bewerten

Ein erster Rechenlauf liefert Spannungs- und Verformungsfelder für alle betrachteten Fälle. Anhand dieser Ergebnisse lassen sich die Bereiche identifizieren, in denen die Beanspruchung für den Festigkeitsnachweis besonders kritisch ist. Schweißnähte sind im zyklisch belasteten Stahlbau oft der entscheidende Prüfpunkt.

Anschließend werden die identifizierten Bereiche gezielt vorbereitet. Das kann bedeuten, die Vernetzung weiter zu verfeinern, ein Submodell für eine einzelne Schweißnaht oder einen Anschlussbereich zu erstellen, oder das Schweißnahtkonzept genauer an die reale Ausführung anzupassen. Ziel ist, die Spannungsauflösung ausreichend fein für eine FKM-gerechte Bewertung zu gestalten.

Integrierter Workflow statt Excel-Kette

In vielen Unternehmen werden Spannungen bislang in einem Tool berechnet, für einige ausgewählte Punkte abgelesen und dann beispielsweise in Excel in eine FKM-Formelwelt übertragen. Das funktioniert für einzelne Nachweise, ist aufgrund der manuellen Übertragung aber fehleranfällig und nur begrenzt skalierbar – insbesondere bei größeren Rahmenkonstruktionen mit vielen potenziell kritischen Stellen.

Mithilfe von FKM inside Ansys kann das Grundmaterial direkt nach FKM-Richtlinie bewertet werden: Materialkennwerte werden auf Bauteilebene angepasst, Einflüsse wie Bauteilgröße, Oberflächenqualität und Spannungsgradienten berücksichtigt und am Ende ein Auslastungsgrad ermittelt. Weld inside Ansys ermöglicht ergänzend eine systematische Schweißnahtbewertung auf Basis geeigneter Konzepte.

So läuft der Prozess mit Ansys Mechanical und FKM inside Ansys in einer Umgebung ab:

• Modellaufbau, Vernetzung und Lösung in Ansys Mechanical
• Automatische Ermittlung relevanter Spannungs- und Gradienteninformationen
• FKM-konforme Bewertung in FKM inside Ansys
• Report mit Zwischenwerten und Endergebnissen auf Knopfdruck

Für den Lkw-Grundrahmen bedeutet das: Wiederholte Varianten, etwa mit geänderten Blechdicken, verstärkten Trägern oder zusätzlichen Anbindungen, lassen sich deutlich effizienter und konsistenter bewerten. Der Modellaufbau muss nicht jedes Mal neu gedacht, die Auswertung nicht jedes Mal händisch nachgebaut werden.

Schnelle Festigkeitsnachweise – FKM-konform und alltagstauglich

Der Festigkeitsnachweis eines Grundrahmens für einen Lkw-Anhänger ist ein typischer Anwendungsfall, in dem professionelle Struktursimulation ihren Mehrwert voll ausspielen kann. Robuste Geometrieaufbereitung und Vernetzung, realitätsnah definierte Lastfälle, gezielte Detailbetrachtung kritischer Schweißnähte und FKM-konforme Bewertung werden in einer integrierten Umgebung kombiniert. Das führt zu Ergebnissen, die nicht nur „irgendwie plausibel“ sind, sondern der Richtlinie entsprechen und somit belastbar sind.

Konstrukteure erhalten mit Ansys Mechanical ein alltagstaugliches Werkzeug zur professionellen Struktursimulation, das weit über eine einmalige Abschätzung hinausgeht. Sie brauchen keine Simulationsexperten zu sein, um Varianten fundiert zu vergleichen und Reserven wie Schwachstellen klar zu identifizieren. Das Ergebnis: eine Rahmenkonstruktion, die sicher und wirtschaftlich zugleich ist.

Ansys Mechanical jetzt testen 

Wenn Sie bisher CAD-integrierte FEM-Tools nutzen und bei Aufgaben wie der Festigkeitsbewertung von Rahmenkonstruktionen an Grenzen stoßen, ist genau das der ideale Startpunkt: Testen Sie Ansys Mechanical und FKM inside Ansys in einem Pilotprojekt.

An einem vertrauten Bauteil sehen Sie sehr schnell:

• wie sauber sich Ihr Rahmen vernetzen und bewerten lässt,
• wie sich Rechenstabilität und Ergebnisgüte verbessern,
• wie viel manueller Aufwand in Modellaufbau, Nachweis und Berichterstellung tatsächlich entfällt.

So wird der Unterschied zwischen CAD-integrierter Abschätzung und professionellem FEM-Workflow ganz konkret messbar. Vereinbaren Sie ein unverbindliches Erstgespräch!

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