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

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Unterschiedliche Lastfälle (Flächenlast, Eigengewicht, Rotation, Thermisch)

Streckenlast

Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - Verformung durch Streckenlast.gif

Das nebenstehende Bild zeigt die (übertriebene) Verformung des Gummipuffers bei einer Streckenbelastung an den Lochkanten der Stahlscheiben:

  • Die obere Stahlscheibe etwas wird stärker deformiert als die untere Stahlscheibe.
  • Ursache ist die Fixierung der unteren Lochkante, welche eine Änderung der Öffnungsgröße an dieser Stelle verhindert.
  • Diese idealisierte Randbedingung führt auch zu einer leicht unsymmetrischen Belastung der Gummihülse.

In FEM-Systemen kann man auf Basis eines Finite-Element-Modells mehrere Lastfälle definieren. Das spart sowohl Modellierungsaufwand als auch Rechenzeit bei der Simulation. In der Belastungsanalyse des Autodesk Inventor besteht die Möglichkeit, mehrere Lastfälle zu berechnen. Allerdings muss jeder Lastfall in eine separate Studie definiert werden, d.h., es werden getrennte Finite-Elemente-Modelle dafür benutzt:

  • Es ist nicht erforderlich, für jeden Lastfall komplett eine neue Studie zu konfigurieren. Vorhandene Studien (z.B. Streckenlast) können kopiert werden (Kontextmenü):
    Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall simulation kopieren.gif
  • Das hat den Vorteil, dass man nach Vergabe eines neuen Bezeichners für die Studie (z.B. Flächenlast), nur die Lasten bzw. einzelne Abhängigkeiten neu definieren muss.

Flaechenlast

  • Nach dem Löschen der ursprünglichen Kraftbelastung weist man die neue Kraftbelastung der Scheibenfläche zu:
    Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall kraft auf flaeche.gif
  • Die bisherige Festlegung der unteren Lochkante bildete eine Streckenlast für die Reaktionskraft nach. Diese Festlegung muss erhalten bleiben, damit das Modell nicht in X- und Y-Richtung "verrutschen" kann!
  • Die gesamte untere Scheibenfläche soll auf der "gedachten Unterlage" fest aufliegen. Dazu verhindern wir zusätzlich die Bewegung dieser Fläche in Z-Richtung:
    Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall kraft auf flaeche constraint.gif
    Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall kraft auf flaeche ergebnis.gif
  • Damit können sich, mit Ausnahme des Lochrandes, alle Knoten der unteren Scheibenfläche noch in X- und Y-Richtung bewegen. Eine vollständige Fixierung würde eine völlig unrealistische Belastung der unteren Stahlscheibe ergeben!
  • Die Belastung des Gummimaterials ist bei Flächenbelastung der Stahlscheiben erwartungsgemäß etwas geringer als bei der Streckenlast auf dem Lochrand.
  • Die Stahlscheiben verbiegen sich praktisch nicht. Damit ist die Fixierung der unteren Scheibenfläche in Z-Richtung keine schlechte Näherung.

Eigengewicht

Ausgehend von einer Kopie der Flächenlast-Studie konfigurieren wir eine Eigengewicht-Studie:

  • Die Abhängigkeiten lassen wir unverändert (Gummipuffer steht auf Unterlage).
  • Die Lastkraft auf die obere Fläche löschen wir.
  • Stattdessen konfigurieren wir die Schwerkraft in negativer Z-Richtung als Last:
    Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall eigengewicht schwerkraft in z.gif Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall eigengewicht ergebnis.gif
  • Man erkennt deutlich, dass die Verformung des Puffers im unteren Teil erwartungsgemäß wesentlich größer ist als im oberen Teil.

Rotation

Nun wird es fast zur Routine, eine Rotation-Studie für eine Drehzahl von 10000 Umdrehungen/min zu konfigurieren:

  • Die Drehzahl definieren wir als Körperlast (Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse von 10000 rpm).
  • Hier ist die Definition geeigneter Abhängigkeiten ein Problem. Als günstig haben sich in den Scheibenlöchern Pin-Abhängigkeiten erwiesen (zusätzlich zur fixierten Radialrichtung unten mit fixierter Axialrichtung):
    Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall rotation z-verschiebung.gif
  • Hinweis: Die negativen Verschiebungen in Z-Richtung werden nur angezeigt, wenn man bei der Konfiguration der Farbleiste "absolute Werte" deaktiviert.

Thermisch

Unterschiedliche Materialien besitzen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten:

  • In Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur kommt es zu einer Verformung der Bauteile.
  • Die Verformungen führen zu mechanischen Spannungen in den Materialien, welche ihrerseits wieder auf die Verformung zurückwirken.
  • Leider ist es nicht möglich, im Rahmen der Belastungsanalyse innerhalb von Autodesk Inventor die Temperatur der Materialien zu berücksichtigen!

Fragen (Deformation)

Wie groß ist die maximale Verformung des Gummipuffers in Z-Richtung für die Lastfälle Flächenlast=100 N, Eigengewicht und Rotation=10000 rpm.