Die Idee der Umsetzung einer Radberechnungsmethode in eine Software entstand während der Durchführung verschiedenster Projekte am LBF zur rechnerischen Lebensdauerabschätzung von Rädern und Naben. Die Software überträgt konsequent die Abläufe der experimentellen Auslegungsmethode auf die rechnerische Analyse unter Einbeziehung der Erkenntnisse über Betriebsbelastungsverhältnisse im Kundeneinsatz. Um den Aufwand an Kosten für die Spannungsberechnung und im besonderen für die rechnerische Festigkeitsbewertung zu senken, wurde die rechnerische Methode zur Bauteilauslegung bis auf ein Minimum an Eingabedaten automatisiert. Das Ziel der Automatisierung wurde erreicht durch einen hohen Anteil an Nutzerunterstützung im Pre- und Postprocessing während der Nutzerinteraktion innerhalb einer Methode auf hohem technischen Stand. Diese Methode beinhaltet Erfahrungen des LBFs mit Reifendeformationsmessungen, der Messung von Belastungskollektiven im Kundeneinsatz und der experimentellen Spannungsanalyse.
Eine wichtige Anforderung für die Realisierung einer Software basierend auf einer rechnerischen Auslegungsmethode ist die Einbindung der Software in den CAE Prozess und somit die Anbindung an kommerzielle Finite Element Programme. Dies wurde realisiert durch die Kopplung von WheelStrength an den kommerziellen Preprocessor Patran von der Firma MSC Software.
LBF-WheelStrength ist an einen Finite Element Pre- and Postprocessor angebunden (Fig. 1).
Die Lasteinleitung der Radkräfte wird vom Nutzer durch Klicken eines Knotens jeweils für Vertikal- und Laterallast an jedem Felgenhorn festgelegt.
Im Preprocessing werden die Belastungen automatisch als Einheitslastfälle auf das Rad gebracht unter Vorgabe der Lasteinleitungsbereiche. Die im wesentlichen aus der Geometrie und Bereifung resultierenden Belastungsverteilungen werden durch das Programm WheelStrength basierend auf Reifendeformationsmessungen berechnet (Bild 3). Die erforderlichen Finite Element Lastfälle, die das Abrollen unter definierten Belastungsverhältnissen simulieren, werden automatisch durch das Programm erzeugt.
Nach der Erzeugung der erforderlichen FE Lastfälle durch das Programm WheelStrength werden die FE Berechnungen automatisch gestartet (Bild 4).
Während des Postprocessings werden die Spannungsverläufe während des Abrollens ermittelt, indem die durch die Finite Element Methode berechneten Einheitslastfälle skaliert und superponiert werden. Die Belastungsüberhöhungen am Rad, die durch das dynamische Verhalten des Fahrzeugs während des Betriebs verursacht werden, sind durch Belastungsfaktoren, die durch das LBF vorgeschlagen wurden, in der Software berücksichtigt (Bild 5). Die Lastfaktoren hängen im wesentlichen von der statischen Radlast, der Reifensteifigkeit und vom Fahrzeugtyp ab und werden während der Nutzereingabe vorgeschlagen (Fig. 7).
Aus den Spannungsverläufen während einer Radumrollung werden die Amplituden und Mittelwerte der Spannungen für jeden gewünschten Bereich berechnet. Basierend auf den aus der Materialdatenbank vorgeschlagenen oder durch den Nutzer vorgegebenen Materialdaten, werden die Amplituden über die Mittelspannungsempfindlichkeit des Materials transformiert (Bild 8 und 9). Die Schädigungsanteile der einzelnen physikalischen Lastfälle und die erforderliche örtliche Beanspruchbarkeit werden am Rad berechnet (Bild 10).
Das entwickelte Softwarewerkzeug WheelStrength unterstützt entscheidend die numerische Spannungsanalyse und Festigkeitsbewertung von Rädern und Naben, da es die Simulation des komplexen Abrollvorgangs unter herrschenden Betriebsbedingungen durch implementierte Daten und Methoden erlaubt, die durch experimentelle Spannungsanalyse verifiziert sind. Dadurch ist WheelStrength ein mächtiges Werkzeug, das die Verlässlichkeit der Festigkeitsbewertung basierend auf Simulationsergebnissen verbessert.