Bei der Kombination aus mechanischer und thermischer Last müssen Ingenieure beide Lastarten gemeinsam betrachten, da sie sich gegenseitig beeinflussen und zu Spannungszuständen führen, die weder durch eine rein mechanische noch durch eine rein thermische Analyse allein erfasst werden können. Entscheidend ist dabei die Wahl des richtigen Simulationsansatzes sowie die sorgfältige Definition von Werkstoffparametern und Randbedingungen. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen, die technische Projektleiter bei der Auslegung thermomechanisch belasteter Bauteile stellen sollten.

Wie entstehen thermische Spannungen in Bauteilen unter mechanischer Last?

Thermische Spannungen entstehen, wenn ein Bauteil sich durch Temperaturänderungen ausdehnen oder zusammenziehen will, aber daran gehindert wird, sei es durch Einspannungen, angrenzende Bauteile oder unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb eines Verbundwerkstoffs. Wirkt gleichzeitig eine mechanische Last, überlagern sich beide Spannungsanteile zu einem kombinierten Spannungszustand.

Besonders kritisch wird dieser Zustand, wenn die thermische und mechanische Last nicht gleichmäßig über das Bauteil verteilt sind. Ein Bauteil, das an einer Seite stark erhitzt wird und gleichzeitig eine Biegekraft erfährt, entwickelt an bestimmten Stellen Spannungsspitzen, die keiner der beiden Lastarten allein zuzuordnen sind. Diese Überlagerung kann zu plastischen Verformungen, Rissbildung oder im Extremfall zum Bauteilversagen führen, selbst wenn das Bauteil für die mechanische Last allein ausreichend dimensioniert wäre.

Zyklische Temperaturwechsel verstärken das Problem weiter. Wiederholt sich der Aufheiz- und Abkühlvorgang, spricht man von thermomechanischer Ermüdung, einem Versagensmechanismus, der besonders in Antriebssystemen, Druckbehältern und Motorbauteilen relevant ist.

Warum reicht eine rein mechanische FEM-Berechnung bei thermischer Last nicht aus?

Eine rein mechanische FEM-Berechnung bei thermischer Last reicht nicht aus, weil sie die temperaturabhängigen Werkstoffeigenschaften, die thermisch induzierten Dehnungen und die veränderten Steifigkeitsverhältnisse im Bauteil nicht berücksichtigt. Das Ergebnis ist ein Spannungsbild, das den realen Zustand systematisch unterschätzt oder verzerrt darstellt.

Konkret fehlen in einer rein mechanischen Analyse drei wesentliche Einflüsse. Erstens verändert die Temperatur die Streckgrenze und den Elastizitätsmodul vieler Werkstoffe erheblich, sodass ein bei Raumtemperatur sicher dimensioniertes Bauteil bei erhöhter Betriebstemperatur bereits plastisch verformt wird. Zweitens erzeugen Temperaturgradienten im Bauteil Eigenspannungen, die als zusätzliche Last wirken, ohne in der mechanischen Berechnung zu erscheinen. Drittens können sich durch Wärmeausdehnung die Kontaktverhältnisse zwischen Bauteilen verändern, was die Lastverteilung im gesamten System beeinflusst.

Für Projektleiter bedeutet das: Wer thermisch belastete Komponenten nur mechanisch berechnet, riskiert eine falsche Sicherheitsbewertung und damit entweder überdimensionierte, zu schwere Bauteile oder im schlimmeren Fall unentdeckte Schwachstellen.

Was ist der Unterschied zwischen gekoppelter und sequenzieller thermomechanischer Simulation?

Bei einer sequenziellen thermomechanischen Simulation werden das thermische und das strukturmechanische Problem nacheinander gelöst: Zuerst berechnet das Modell das Temperaturfeld, übergibt die Ergebnisse dann als Last an die Strukturanalyse. Bei einer vollständig gekoppelten Simulation laufen beide Physiken gleichzeitig und beeinflussen sich gegenseitig in jedem Berechnungsschritt.

Sequenzielle Simulation

Die sequenzielle Methode ist recheneffizienter und für viele praktische Anwendungen ausreichend genau. Sie eignet sich besonders dann, wenn die mechanische Verformung keinen wesentlichen Rückeinfluss auf das Temperaturfeld hat, also wenn sich das Bauteil zwar verformt, aber die Wärmeübertragung dadurch nicht nennenswert verändert wird. Typische Anwendungsfelder sind Gehäusebauteile, Träger und Behälter unter stationären Betriebsbedingungen.

Vollständig gekoppelte Simulation

Die vollständig gekoppelte Variante ist notwendig, wenn Verformung und Temperaturfeld sich gegenseitig beeinflussen, etwa bei Reibungswärme in Kontaktzonen, bei großen plastischen Verformungen oder bei schnellen transienten Vorgängen. Sie ist rechenintensiver und erfordert ein sorgfältig aufgebautes Modell, liefert dafür aber physikalisch korrekte Ergebnisse auch in nichtlinearen Situationen.

Die Wahl des richtigen Ansatzes hängt von der Physik des Problems ab und sollte nicht allein nach Rechenaufwand getroffen werden.

Welche Werkstoffparameter sind bei kombinierter Belastung besonders kritisch?

Bei kombinierter mechanischer und thermischer Belastung sind vor allem temperaturabhängige Werkstoffkennwerte entscheidend: der Wärmeausdehnungskoeffizient, der Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von der Temperatur, die Streckgrenze bei Betriebstemperatur sowie die Wärmeleitfähigkeit. Werden diese Werte bei Raumtemperatur angesetzt, obwohl das Bauteil bei deutlich höheren Temperaturen betrieben wird, entstehen erhebliche Berechnungsfehler.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient bestimmt, wie stark sich ein Werkstoff bei Temperaturänderung ausdehnt. Unterschiedliche Koeffizienten in Verbindungen aus verschiedenen Werkstoffen, etwa Stahl und Aluminium, erzeugen Zwangsspannungen bereits ohne äußere mechanische Last. Der Elastizitätsmodul sinkt bei den meisten metallischen Werkstoffen mit steigender Temperatur, was die Steifigkeit des Bauteils und damit die Spannungsverteilung verändert.

Für nichtlineare Analysen, bei denen plastisches Materialverhalten erwartet wird, müssen zusätzlich Verfestigungsparameter und Kriechkennwerte temperaturabhängig hinterlegt sein. Fehlen diese Daten im Materialmodell, liefert selbst ein methodisch korrektes FEM-Modell keine belastbaren Ergebnisse.

Wie werden Randbedingungen bei thermomechanischen FEM-Modellen korrekt definiert?

Randbedingungen in thermomechanischen FEM-Modellen müssen sowohl die thermischen als auch die mechanischen Verhältnisse an den Bauteilgrenzen korrekt abbilden. Das bedeutet: Für das Temperaturfeld werden Wärmeübergangskoeffizienten, Umgebungstemperaturen und Wärmeströme definiert, während für die Strukturanalyse Lagerungen, Kontaktbedingungen und äußere Kräfte festgelegt werden.

Ein häufiger Fehler ist die Verwendung von Randbedingungen, die nur für einen der beiden Lastfälle passen. Wird ein Bauteil an einer Fläche thermisch isoliert angenommen, die im realen Betrieb Wärme abgibt, entsteht ein falsches Temperaturfeld, das dann als Eingangsgröße für die Strukturanalyse dient. Die Fehler pflanzen sich fort.

Besondere Sorgfalt erfordert die Modellierung von Kontaktstellen zwischen Bauteilen. Kontakt überträgt nicht nur Kräfte, sondern auch Wärme, und der Wärmeübergangswiderstand im Kontakt hängt vom Kontaktdruck ab. In einer gekoppelten Simulation muss dieser Zusammenhang explizit modelliert werden. Wer thermomechanische Modelle aufbaut, sollte die Randbedingungen eng an reale Betriebsdaten anlehnen und idealerweise mit Messergebnissen validieren.

Wann sollte eine thermomechanische Analyse durch einen Spezialisten durchgeführt werden?

Eine thermomechanische Analyse sollte durch einen Spezialisten durchgeführt werden, sobald das Bauteil sicherheitsrelevante Funktionen übernimmt, nichtlineares Materialverhalten zu erwarten ist, zyklische Temperaturwechsel auftreten oder die Kombination aus Geometrie und Lastfall eine stark inhomogene Spannungsverteilung erzeugt. In diesen Fällen ist die Fehlertoleranz gering und die Konsequenzen einer Fehlbewertung erheblich.

Auch wenn Bauteile nach Regelwerken wie der EN 13445 für Druckbehälter oder der FKM-Richtlinie nachgewiesen werden müssen, ist spezialisiertes Wissen gefragt. Die Regelwerke definieren Nachweiskonzepte, die spezifische Auswertungsmethoden und Sicherheitskonzepte vorschreiben, die nicht ohne Weiteres aus einem Standard-FEM-Postprocessing abgeleitet werden können.

Gleiches gilt für Projekte mit engen Entwicklungszeiten: Ein erfahrener Spezialist wählt von Beginn an den richtigen Simulationsansatz, vermeidet Neuberechnungen durch fehlerhafte Modellierung und kann Optimierungspotenziale direkt aus den Ergebnissen ableiten. Das spart Zeit und reduziert das Risiko, Schwachstellen erst im Prototypenstadium zu entdecken.

Wie CE-SYS Engineering bei thermomechanischen Berechnungen unterstützt

CE-SYS Engineering unterstützt technische Projektleiter bei der Auslegung und Bewertung von Bauteilen unter kombinierter mechanischer und thermischer Last. Das Leistungsangebot im Bereich FEM-Berechnung und Strukturanalyse deckt dabei den gesamten Prozess ab, von der Modellaufbereitung bis zur Ergebnisinterpretation nach geltenden Regelwerken.

• Durchführung sequenzieller und vollständig gekoppelter thermomechanischer Simulationen in ANSYS
• Spannungsnachweise und Festigkeitsbewertungen unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Werkstoffkennwerte
• Analyse von Bauteilen unter zyklischer thermomechanischer Belastung, einschließlich Ermüdungsbewertung
• Nachweisführung nach europäischen und internationalen Regelwerken wie EN 13445 und FKM-Richtlinie
• Identifikation von Schwachstellen und Ableitung konstruktiver Optimierungsmaßnahmen direkt aus den Simulationsergebnissen

Wenn Sie ein Bauteil oder eine Baugruppe unter kombinierter Belastung bewerten müssen und eine belastbare Grundlage für Ihre Konstruktionsentscheidungen benötigen, sprechen Sie das Team von CE-SYS Engineering an. Über das Kontaktformular können Sie Ihr Projekt direkt anfragen.

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