Beanspruchung stehender Drahtseile - Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode und Verwendung der Ergebnisse für die Lebensdauerberechnung von Seilen
Final Report Abstract
Die Lebensdauer von Stahldrahtseilen wird insbesondere durch über die Zeit veränderliche Belastungen erheblich beeinflusst. Dieses dynamische Schwellen führt zu einem schrittweisen Versagen des Seilverbundes bei Belastungswerten weit unterhalb der statischen Festigkeitskennwerte. Besonders auffällig ist, dass das Versagen dabei stets im Bereich der Kontaktstellen zwischen den Drähten der Seillitzen oder zwischen den Drähten der verschiedenen Drahtlagen auftritt. Die Ursache für diese spezifische Besonderheit liegt in den geometrisch bedingt typischen linienförmigen oder punktuellen Pressungen, die an den Kontaktstellen der Drähte zu außerordentlich hohen Spannungen führen. Die Quantifizierung dieser Kontaktspannungen war bis zum Zeitpunkt der Antragsstellung nur unzureichend, da deren Ermittlung mit den zur Verfügung stehenden analytischen und experimentellen Verfahren (wie z.B. Messungen mit Dehnmessstreifen) nur mit homogenisierten Spannungsgradienten im Drahtquerschnitt bzw. nur an exponierten Bereichen des Seils möglich war. Daneben hat sich jedoch in den letzten Jahren immer mehr die Finite- Elemente- Methode (FEM) behauptet, wobei bisher aufgrund der zeitintensiven Rechenroutinen auch hier nur mit relativ einfachen Seilmodellen oder vereinfachenden Annahmen wie bspw. idealen Geometriedaten gerechnet werden konnte. Im Projektzeitraum wurden nun erstmals 2 in der Praxis gängige Seilkonstruktionen, ein Spiralseil mit 37 Drähten und ein komplexes Rundlitzenseil mit 258 Drähten, vollständig digital modelliert und mit der FE- Methode berechnet. Die Analyse der determinierten Drahtbeanspruchungen ergab dabei erstmalig ein grundlegendes Verständnis für den Spannungsverlauf im gesamten Seil, d.h. sowohl über die Drahtquerschnitte hinweg als auch insbesondere lokal an den Drahtkontaktstellen. Mittels einer Parameterstudie wurden Abweichungen durch gezielte Geometrieveränderungen analysiert, und mit den neu gewonnenen Erkenntnissen wurden schließlich die Grundlagen für ein Modell zur Berechnung der beanspruchungsorientierten Lebensdauer von Seilen erarbeitet, das sich von der heutigen, rein empirisch gewonnenen und belastungsorientierten Methode zur Lebensdauerberechnung nach Feyrer durch die Berücksichtigung der vorliegenden Spannungsverhältnisse im Seil selbst wesentlich unterscheidet. Mit den im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Arbeiten konnte insgesamt gezeigt und bestätigt werden, dass die FEM nicht nur eine Ergänzung zu den analytischen Berechnungsmethoden darstellt, sondern durch die Berücksichtigung gradueller Spannungsverhältnisse im Seilquerschnitt den Möglichkeiten der Analytik überlegen ist, und dass dadurch grundsätzlich eine inherente bzw. beanspruchungsorientierte Lebensdauerberechnung von Seilen möglich ist. Anwendung sollen die Ergebnisse v.a. in ihrer direkten Umsetzung bei laufenden und zukünftigen Forschungsarbeiten am Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT) sowie in der Weitergabe bei Schulungen und auch im Bereich der universitären Lehre finden. Mittelfristig sollen die Ergebnisse auch bei der industriellen Herstellung von Stahldrahtseilen zur Erhöhung der Lebensdauer und der Sicherheit von Drahtseilen beitragen. Durch die Forschungsergebnisse können darüber hinaus weitere, wissenschaftlich relevante, sicherheitsbedeutsame sowie ökonomische Fragestellungen bearbeitet werden, die bisher nicht zugänglich waren. Die im Projekt erarbeiteten Resultate sollen außerdem als Basis für eine Dissertation dienen, in deren Rahmen das Lebensdauermodell erweitert wird und deren Ziel es sein wird, ein eigenständiges Werkzeug zur Optimierung von bestimmten Drahtseilparametern zu generieren.
Publications
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Drahtschwingfestigkeit und Seillebensdauer - Ein Zuverlässiges Berechnungsmodell. Hebezeuge und Fördermittel, Berlin 47, 2007. S. 192-195
Ziegler, S.; Wehking, K.H.
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Einfluss der Drahtschwingfestigkeit auf die Lebensdauer von Seilen. Dissertation, Universität Stuttgart 2007
Ziegler, S.
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Numerische Berechnung eines Drahtseils unter kombinierter Biege- und Zugbelastung mit der FE-Methode (Kurztitel: Drahtseile -Numerische Berechnung mit der FE-Methode). In: Draht 02/2008/Juni, 59. Jahrgang, S.18-23
Weis, J.; Vogel, W., Wehking, K.-H.
