Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - MP - Belastungsanalyse Lastfaelle

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Unterschiedliche Lastfälle

Ausgehend vom Entwurfsszenario 1 mit verfeinertem Tetraeder-Netz (Mittenknoten nur in den Stahlscheiben) konfigurieren wir die Lastfälle "Flaechenlast", "Vulkanisiert", "Eigengewicht" und "Rotation" als Kopien des ersten Lastfall-Szenarios "Streckenlast". Wir benennen dazu das 1. Entwurfsszenario in Streckenlast um.

Flaechenlast

Nach dem Kopieren von "Streckenlast" benennen wir das neue Szenario in "Flaechenlast" um:

• Die vorhandenen Last können wir darin löschen.
• Die erforderliche Kraft kann man direkt der Deckfläche der Stahlscheibe zuweisen. Das FEM-Programm kümmert sich dann um die automatische Verteilung der Kraft auf die einzelnen Knoten.
• Die Unterseite des Puffers soll komplett aufliegen (Z-Richtung fixiert). Die Bewegung der Auflagefläche in der XY-Ebene muss gewährleistet bleiben. Die Scheibe darf bei seitlicher Belastung aber nicht wegrutschen bzw. sich nicht verdrehen. Dies können wir realisieren, indem wir zusätzlich zur vorhandenen Stift-Abhängigkeit die Knoten der Scheiben-Oberfläche in Z-Richtung fixieren.
• Die Belastung ist infolge der gewählten Randbedingungen nicht ganz symmetrisch, weil sich die obere Stahlscheibe auch ganz leicht in Z-Richtung verformt. Die Auswirkung auf die Belastung der Gummihülse kann jedoch vernachlässigt werden.

Vulkanisiert

Eine Kopie des Szenario "Flaechenlast" dient uns als Grundlage für die Simulation der thermischen Spannungen nach dem Vulkanisieren:

• Die Last auf der Fläche benötigen wir nicht mehr.
• Zur Befestigung genügt als Randbedingung die vorhandene Stiftabhängigkeit. Damit ist die Verformbarkeit der befestigten Stahlscheibe weitestgehend gewährleistet (außer für das Loch).
• Die Materialien sollten bereits ihre unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
• Die durch die Temperatur erzeugte Spannung wird aus dem Unterschied zwischen dem aktuellen Wert und dem Wert für die spannungsfreie Referenztemperatur (150°C) berechnet. (Für alle Bauteile: Elementdefinition > Elementdefinition Bearbeiten > Thermisch).
  
• Da wir eine einheitliche Temperatur von 20°C für das gesamte Modell anwenden, muss man die Knoten-Temperaturen nicht einzeln zuweisen. Stattdessen kann man unter MFL > Setup > Parameter in der Karte Thermisch/Elektrisch die Standardknotentemperatur=20°C setzen.
• Damit die Temperaturen bei der Berechnung berücksichtigt werden, muss man einen thermischen Multiplikator=1 auf der Registerkarte Multiplikatorenzuweisen:
  
• Das folgende Bild zeigt die Verformung infolge der thermischen Spannungen (Kontur = Verformung in X):
  

Eigengewicht

Als Grundlage für die Simulation des Eigengewichts sollte man das Flaechenlast-Szenario benutzen:

• Die Last auf der Fläche muss gelöscht werden, aber die Randbedingungen für die Stahlscheibe sind korrekt.
• Anstatt einer außeren Kraft lässt man die Schwerkraft auf alle Bauteile wirken (MFL > Setup > Schwerkraft).
• Dabei wird der Dialog für die Analyse-Parameter geöffnet, den wir bereits für die thermische Beanspruchung verwendeten.
• Die Vorgabe-Richtung (-Z) der Erdbeschleunigung kann man im Beispiel nutzen:
  
• Analog zur thermischen Belastung darf man den Multiplikator=1 in der Multiplikatoren-Registerkarte nicht vergessen!

In der überspitzten Dartsellung erkennt man deutlich, dass die Verformung in Z-Richtung nicht symmetrisch erfolgt:

Rotation

Mit den verfügbaren Erkenntnissen sollte es nun kein Problem mehr darstellen, als weiteres Szenario die Drehung des Gummipuffers mit 10000 U/min zu simulieren:

• Zur Konfiguration der Zentrifugal-Belastung sollte man in der Hilfedatei nach "zentrifugal" suchen.
• Es genügt eine Lagestelle für die Drehung (Stift-Abhängigkeit).
• Durch die Fliehkräfte wird besonders das Loch der Gummihülse belastet. In diesem Bereich macht sich nun die zu grobe Vernetzung negativ bemerkbar:
  

Vergleich der Lastfälle

In tabellarischer Form sind die ermittelten maximalen Verformung des Gummipuffers in Z-Richtung für die simulierten lastfälle aufzulisten:

• Streckenlast
• Flächenlast
• Thermisch
• Eigengewicht
• Rotation

Teilnehmer der Lehrveranstaltung senden diese Ergebnisse als Bestandteil der E-Mail.

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