Software: FEM - Tutorial - Formoptimierung - Kerbspannung - Fusion

↑

← →

Kerbspannung an einer taktilen Sonde trotz Abrundung

Eine einseitig befestigte Sonde (Außenmaße: 70x20 mm²) aus ABS-Kunststoff erfährt durch einen Tastvorgang eine Druckkraft von maximal 3 N. Diese Kraft führt zu einer Auslenkung von ca. 4 mm. Obwohl alle Kerb-Ecken mit einem Radius 0,5 mm abgerundet wurden, entsteht eine starke Kerbspannung am Übergang des Tasthebels zum Einspann-Block. Die Wirkung der kritischen Kerbe ist analysieren. Durch eine geeignete Kerbform-Gestaltung ist ein Sicherheitsfaktor ≥ 2 für das gesamte Bauteil zu erreichen.

Analyse der Bauteil-Belastung

Das CAD-Modell der Sonde wird verpackt in einer ZIP-Datei zur Verfügung gestellt:

• Diese in einen lokalen Ordner des Computers geladene ZIP-Datei ist zu entpacken.
• Die entpackte Fusion-Archivdatei Sonde_xx.f3d ist entsprechend der eigenen Teilnehmer-Nr. xx=00...99 umzubenennen.
• Es ist im Autodesk Fusion 360 ein neuer Projekt-Ordner "FEM6_CAD_xx" (mit xx=Teilnehmer-Nr. 00...99) anzulegen.
• In diesen leeren Projekt-Ordner kann man nun mittels "Hochladen" aus dieser Fusion-Archivdatei die Konstruktionsdatei in das Fusion-Projekt "importieren" und zur weiteren Bearbeitung öffnen.
• Wichtig: Im Autodesk Fusion 360 ist die Dicke der Sonde (über "Extrusion1") auf 5,xx mm zu erhöhen (mit xx=Teilnehmer-Nr. 00...99) unter Beachtung Besonderheit des symmetrischen Extrudierens!

Mit diesem angepassten CAD-Modell kann nun eine Belastungsanalyse durchgeführt werden:

• Die Kraft von 3 N soll senkrecht auf die Nut-Fläche des Tast-Kopfes wirken.
• Die Befestigung der Tast-Sonde erfolgt mittels Stift und Schraube an der Anlage-Fläche ("Verankern" mittels "Pin-Abhängigkeit"):
  1. Die Stift-Bohrung dient als Führung (Fixierung nur in Radial-Richtung)
  2. Die Gewindebohrung dient als Fest-Lager auf einer M3-Schraube (Fixierung aller 3 Richtungen).

Achtung:

• Das Gewinde in der Gewindebohrung wurde im bereitgestellten CAD-Modell geometrisch modelliert, was für die Simulation der Gewindebelastung durchaus sinnvoll sein kann.
• In unserem Fall stört die detaillierte Gewindegeometrie sowohl bei der Vernetzung, als auch bei der Fixierung der Gewindebohrung!
• Wir müssen deshalb in der Umgebung KONSTRUKTION diese detaillierte Modellierung deaktivieren, sodass in der Bohrung nur noch eine Textur des Gewindes dargestellt wird:
  
• Erst danach können wir in der Umgebung SIMULATION die "vereinfachte" Fixierung der Gewindebohrung mittels Pin-Abhängigkeit definieren.

Da es sich um ein 3D-Modell handelt, muss die Vernetzung gut geplant werden, um eine akzeptable Berechnungszeit zu erhalten:

1. Globale Vernetzung (hinreichend viele Elementschichten in der Dicke)
2. Lokale Vernetzung (nur an den Stellen, wo starke Spannungsgradienten erwartet werden):
   • Dies betrifft nur die beiden inneren Ecken am langen Hebelabschnitt.
   • Hier genügt für die beiden Rundungen eine absolute Elementgröße von 0,1 mm.
   • Einen harmonischen Übergang zwischen globalem groben Netz und verfeinerten Bereichen konfiguriert man durch das "Max. Größenverhältnis benachbarter Netze".

Frage 1
Sicherheitsfaktoren der Ausgangslösung bei Tast-Kraft=3 N und Kerben-Radius=0,5 mm:
a) Wie groß ist der Sicherheitsfaktor an der kritischen Kerbe?
b) Wie groß ist der minimale Sicherheitsfaktor außerhalb der kritischen Kerbe?

===>>> Dieser Abschnitt wird zur Zeit erarbeitet !!!

← →