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

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Unterschiedliche Lastfälle (Flächenlast, Eigengewicht, Rotation)

Streckenlast

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):
  
• 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:
  
• Die bisherige Festlegung der unteren Lochkante sollte eine Streckenlast für die Reaktionskraft nachbilden. Diese Festlegung löschen wir, um eine Flächenlast für die Reaktionskraft nachzubilden.
• Da die gesamte untere Scheibenfläche gleichmäßig belastet werden soll, fixieren wir sie vollständig auf der "gedachten Unterlage" (das ist falsch und wird noch geändert!):
  
• 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 keine schlechte Näherung.

Eigengewicht

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

• 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:
  
• 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-Simulation für eine Drehzahl von 10000 Umdrehungen/min zu konfigurieren:

• Die Drehzahl definieren wir als Körperlast (Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse von 10000 rpm).
• Auch 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 und oben mit fixierter Tangentialrichtung):
  

Fragen (Deformation)

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

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