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

↑

← →

Unterschiedliche Lastfälle (Flächenlast, Eigengewicht, Rotation)

In einem FEM-System kann man auf Basis eines FE-Modell mehrere Lastfälle definieren. Das spart sowohl Modellierungsaufwand als Rechenzeit bei der Simulation.

In der Belastungsanalyse des Autodesk Inventor besteht auch die Möglichkeit, mehrere Lastfälle zu berechnen. Allerdings wird jeder Lastfall in einer separaten Simulation definiert, d.h., es werden getrennte FE-Modell dafür benutzt:

• Es ist nicht erforderlich, für jeden Lastfall eine neue Simulation zu erstellen. Vorhandene Simulationen (z.B. Streckenlast) können kopiert werden (Kontextmenü):
  
• Das hat den Vorteil, dass man nach Vergabe eines neuen Bezeichners für die Simulation (z.B. Flächenlast), nur die Lasten bzw. einzelne Abhängigkeiten neu definieren muss.

Flaechenlast

• Im Unterschied zum FEMAP muss die Kraft nicht als Druckbelastung angegeben werden. Es genügt, nach dem Löschen der ursprünglichen Kraftbelastung die neue Kraft der Fläche zuzuweisen:
  
• 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":
  
• Die Belastung des Gummimaterials ist bei Flächenbelastung der Stahlscheiben erwartungsgemäß etwas geringer als bei der Streckenlast auf dem Lochrand:
  
• Betrachtet man die Unterseite des Gummipuffers, so besitzt dort die Mises-Spannung praktisch die Werte der angrenzenden Gummischicht:
  Datei:Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall kraft auf flaeche fehler unten.gif
• Das kann nicht stimmen, weil die Spannungsverläufe in der unteren Stahlscheibe denen in der oberen Stahlscheibe entsprechen sollen!
• Ursache ist die komplette Festlegung aller Knoten auf der Unterseite. Dies entspricht einer absolut starren Fixierung der Scheibenoberfläche. In der Realität kommt es jedoch zu einer Verformung der Scheibe zumindest in radialer Richtung.
• Leider kann man die Festlegung der unteren Scheibenfläche nicht nur auf die Z-Richtung beschränken. Der Solver quittiert dies mit einer Fehlermeldung, weil Abhängigkeiten fehlen. Das ist auch korrekt, denn der Puffer ist in X-Richtung unbestimmt und könnte darin jede beliebige Position einnehmen. Die Verschiebbarkeit in Y-Richtung wurde durch die Symmetrie-Randbedingung an der Schnittfläche bereits bestimmt!
• Wenn man den Mittelpunkt der Scheibe fixieren könnte, würde das der gewünschten Belastung schon recht nahe kommen. Leider existiert in der Mitte kein Netz, dessen Knoten man fixieren könnte.
• Als Kompromiss kann man eine PIN-Abhängigkeit mit radialer Fixierung für das Loch der unteren Stahlscheibe verwenden. Das bedeutet, dass sich die Lochgröße nicht ändern darf:
  Datei:Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall kraft auf flaeche pin-radial.gif
• Experimente mit der Festlegung der unteren Scheibenfläche nur in Z-Richtung zeigten, dass eine minimale Verformung der Scheibe erforderlich ist, um die gewünschte Belastung abzubilden. Als günstiger Kompromiss hat sich erwiesen, nur die Kreiskanten der unteren Scheibe fest auf der Unterlage aufliegen zu lassen (in Z-Richtung festlegen):
  Datei:Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall kraft auf flaeche fixkanten.gif
• Die Spannungsverläufe auf in den beiden Stahlscheiben unterscheiden sich etwas. Dies trifft insbesondere für die Nähe der Löcher zu, weil der Lochrand der unteren Scheibe fixiert wurde. Die Größe der Belastung stimmt jedoch in beiden Scheiben in der Größenordnung gut überein:
  Datei:Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Belastungsanalyse - lastfall kraft auf flaeche kompromiss.gif

Achtung:

Die Wahl geeigneter Randbedingungen bestimmt wesentlich die Qualität der Simulationsergebnisse. Kleine Änderungen der Randbedingungen können große Änderungen in den Simulationsergebnissen bewirken!

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 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 (unten mit fixierter Axialrichtung und oben mit fixierter Tangentialrichtung):
  

Frage 2

Wie groß ist die maximale Verformung des Gummipuffers in Z-Richtung für die Lastfälle Flächenlast=100 N, Eigengewicht und Rotation=10000 rpm. Die Werte der FEMAP-Simulation (mit Mittenknoten) und der CAD-Belastungsanalyse sind vergleichend gegenüberzustellen. Abweichungen sind zu diskutieren.

← →