Quelltext der Seite Software: CAD - Tutorial - Belastungsanalyse

[[Software:_CAD_-_Tutorial|&uarr;]] <div align="center"> [[Software:_CAD_-_Tutorial|&larr;]] [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Geometriemodell|&rarr;]] </div>
<div align="center">'''7. Übung im CAD-Tutorial'''</div>
<div align="center"> ''' Belastungsanalyse (Finite Elemente Methode) ''' </div>
<div align="center">[http://www.ifte.de/mitarbeiter/kamusella.html '''Autor: Dr.-Ing. Alfred Kamusella''']</div>
<div align="center"> [[Bild:Software_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_mit_lokalem_Netz.gif| ]] </div>
<div align="center"> '' Geirrt zu haben, ist menschlich, '' </div>
<div align="center"> '' und einen Irrtum einzugestehen '' </div> 
<div align="center"> '' Kennzeichen eines Weisen. '' </div> 
<div align="center"> - [http://de.wikipedia.org/wiki/Hieronymus_(Kirchenvater) '' Hieronymus ''] - </div>
Im CAD-System ''Autodesk Inventor Professional'' existiert ein Modul, um innerhalb der CAD-Umgebung die mechanische Belastung von konstruierten Bauteilen untersuchen zu können. Diese Belastungsanalyse basiert auf der Technologie des FEM-Programms ANSYS. Nach der Definition der Bauteil/Baugruppen-Lasten ([http://de.wikipedia.org/wiki/Belastung_(Physik) ''Loads'']) und Einspann-Bedingungen ([http://de.wikipedia.org/wiki/Einspannung ''Constraints'']) hat man u.a. folgende Möglichkeiten der Analyse:
# Veranschaulichen der Bauteilverformung 
# Analysieren der Belastung anhand der Vergleichsspannung 
# Überprüfen von Sicherheitsfaktoren.
# Analysieren von Eigenfrequenzen ([http://de.wikipedia.org/wiki/Moden ''Moden'']) 

Im Folgenden wird an zwei Beispielen ein Einstieg in die Methodik der Belastungsanalyse aus der Sicht eines CAD-Nutzers gegeben:
# Prozess der Finite-Element-Modellierung und -Simulation anhand eines einfachen "2D"-Bauteils ('''Lasche''').
# Anwendung der Methode auf eine Baugruppe ('''Gummipuffer''').

=== Bauteil-Belastung ===

'''0. Aufgabenstellung''' 
:* Die im Titelbild abgebildete Lasche wird im Loch-Innern mit einem biegesteifen Bolzen verschweißt.
:* Wie groß darf die Zugkraft maximal sein, damit bei einem Sicherheitsfaktor=2 die maximal zulässige Vergleichsspannung nicht überschritten wird?
:* Wie groß ist die maximale Verformung für den zulässigen Lastfall?
:* Wie ändert sich die Belastung, wenn die Lasche mittels Spielpassung auf einem biegesteifen Bolzen befestigt wird?
'''1. Preprocessing (Modellbildung)'''
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Geometriemodell|Geometrie-Modellierung (Bauteil "Lasche_xx")]]
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Material|Definition physikalischer Eigenschaften (Material)]] 
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Netzgenerierung|Netzgenerierung]] 
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Loads|Hinzufügen der Lasten (Loads)]] 
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Constraints|Randbedingungen definieren (Constraints)]] 
'''2. Modellberechnung'''
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Belastungsanalyse|Belastungsanalyse]] 
'''3. Postprocessing (Ergebnisse)'''
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Auflage-Reaktionen|Auflage-Reaktionen]] 
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Vergleichsspannung|Vergleichsspannung]] 
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Deformation|Deformation]] 
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Beanspruchung|Beanspruchung (Sicherheitsfaktor)]] 
'''4. Konstruktive Änderung'''
:* [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Spielpassung|Spielpassung auf biegesteifem Bolzen]]

=== Baugruppen-Belastung ===
[[Bild:Software_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_gummipuffer_objekt.gif|right]]
Es sollen sowohl die Materialbelastung als auch die Verformung eines Gummipuffers bei Einwirkung von Kräften untersucht werden:
* An den Stirnflächen des Gummizylinders sind Stahlscheiben verklebt (Durch Vulkanisieren, damit keine zusätzliche Zwischenschicht entsteht). 
* Das Durchgangsloch hat einen Durchmesser von 4&nbsp;mm. 
* Die Gesamthöhe des Puffers (Scheiben plus Gummi) beträgt 30&nbsp;mm. 
* Die Stahlscheiben haben folgende Eigenschaften:
** Material Stahl C35 
** Außendurchmesser 20&nbsp;mm 
** Lochdurchmesser 4&nbsp;mm 
** Dicke 0,5'''xx''' mm (mit '''xx'''=Teilnehmer-Nr. '''01'''...'''99''') 
* Der Gummi hat folgende Material-Eigenschaften:
** E-Modul = 5&nbsp;N/mm² 
** Poisson Zahl=0,5 (idealisiert!) 
** Expansionskoeff. therm.=1E-4/K 
** Zugfestigkeit= 10&nbsp;MPa 
** Druckfestigkeit=110&nbsp;MPa 
** Dichte=1,1&nbsp;g/cm³ 

'''Hinweis:''' Eine Querkontraktionszahl von 0,5 ist der maximal mögliche Wert und entspricht einem inkompressiblem Material. Einige Gummiarten erreichen fast diesen Wert:
* Für den obigen Verwendungszweck kann man '''''&nu;''=0,49''' annehmen. 
* Bei FE-Programmen kann dieser nahe am Grenzwert=0,5 liegende ''&nu;''-Wert zu Problemen führen, da in den Gleichungssystemen der Quotient (1-2''&nu;'') auftaucht. Bei ''&nu;''=0,5 kommt es zur Division durch Null, kurz davor können die großen Zahlen Ursache von Fehlern sein. 
Welchen konkreten Wert man benutzt, ist nicht egal! Bereits die geringe Änderung von ''&nu;'' zwischen 0,48 und 0,4998 ändert die [http://de.wikipedia.org/wiki/Kompressionsmodul '''Kompressibilität'''] um den Faktor 100 : 

:{|
|-
| &nbsp; '''v:'''   || &nbsp; 0,33 || &nbsp; 0,42 || &nbsp; 0,48 || &nbsp; 0,498 || &nbsp; 0,4998 
|-
| ——— || ——— || ——— || ——— || ———— || ————
|-
| &nbsp; '''K/E:''' ||  &nbsp; 1   ||  &nbsp; 2   ||  &nbsp; 10  ||  &nbsp; 100  ||  &nbsp; 1000 
|-
|} 
<div align="right">K=Kommpressionsmodul, E=Elastizitätsmodul</div>
<div align="right">(Siehe: [http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/Kapitelseiten/Kapitel02.html Fachwissen-Dichtungstechnik] )</div>
'''Vorgehensweise:'''
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Modell|CAD-Modell entwicklen]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Preprocessing|Preprocessing (Netz, Constraint, Load)]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Postprocessing|Postprocessing]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Symmetrieschnitt|Symmetrieschnitt]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Lastfaelle|Unterschiedliche Lastfälle (Flächenlast, Eigengewicht, Rotation)]]

=== Einzusendende Ergebnisse ===

Teilnehmer der Lehrveranstaltung [http://www.ifte.de/lehre/cad/index.html "CAD-Konstruktion"] schicken ihre Ergebnisse per Mail an '''a.kamusella[[Bild:Char-ed.gif]]ifte.de'''.
 
:* Als Anhang der Mail mit (xx=Teilnehmer-Nummer 01...99) ist ein Archiv-File (z.B. '''Belastung_xx.ZIP''') mit folgendem Inhalt zu senden:
::# Die Bauteil-Datei '''Lasche_xx.ipt'''
::# Der zugehörige '''''reduzierte''''' Ordner '''Lasche_xx'''
::# Die Baugruppen-Datei Datei '''Gummipuffer_xx.iam''' mit den zugehörigen Bauteil-Dateien '''Stahlscheibe_xx.ipt''' und '''Gummihülse.ipt'''. 
::# Der zugehörige '''''reduzierte''''' Ordner '''Gummipuffer_xx'''

:* Zur Reduktion der gesendeten Datenmenge sind in den Unterordner '''\AIP\FEA\''' alle Dateien '''''*.fmsh''''' und '''''*.fres''''' zu löschen!

Einsendeschluss ist die Nacht vor dem nächsten Übungskomplex (bzw. 14 Tage nach der Übung).<div align="center"> [[Software:_CAD_-_Tutorial|&larr;]] [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Geometriemodell|&rarr;]] </div>