Software: FEM - Tutorial - 2D-Mechanik - Spielpassung

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Spielpassung auf biegesteifem Bolzen

Im Folgenden wird die vom Autodesk Simulation Multiphysics bereitgestellte Funktion der Stift-Abhängigkeit zur Nachbildung einer Spielpassung benutzt. Damit soll eine realistischere Befestigung der Lasche am Bolzen im Modell nachgebildet werden.

Entwurfsszenarien

Wir konfigurieren ein weiteres Entwurfsszenarium "Spielpassung" auf Grundlage des bisherigen Entwurfsszenariums "Fixierter Lochrand 2D", um die unterschiedliche Belastung der Lasche einfach vergleichen zu können:

• Entwurfsszenarien kann man in der Browser-Ansicht mittels Kontextmenü > Kopieren:
  
• Anschließend vergeben wir durch Umbenennen obige Bezeichnungen für beide Szenarien. Dabei kann immer nur das jeweils aktive Szenarium geöffnet und bearbeitet werden:
  

Wichtig:

• Bevor wir die Stift-Abhängigkeit als Spielpassung konfigurieren, benutzen wir sie mit vollständig fixierten Freiheitsgraden (Lochrand komplett fixiert):
  
• Das bietet uns die Möglichkeiten, die Ergebnisse des Flächennetzes der Mittelebene direkt mit den Ergebnissen des vollständigen Volumennetzes vergleichen zu können.
• Erst abschließend öffnen wir dann den Freiheitgrad "Radial fixieren", um die Belastungsunterschiede zwischen fixiertem Lochrand und Spielpassung zu analysieren.

3D-Volumennetz

Das neue Entwurfsszenarium können wir nun unabhängig vom ersten Szenarium umgestalten. Leider ist es nicht möglich, die Stift-Abhängigkeit mit Flächen-Netzen zu verwenden. Wir müssen deshalb das Bauteil mit Volumen-Elementen neu vernetzen, wobei wir vorläufig die Standard-Einstellungen beibehalten:

• Behält man die existierenden Verfeinerungspunkte bei, so erhält man nach dem 3D-Netz erstellen das folgende Oberflächennetz:
  

Hinweise (aus Zeitgründen Simulation nicht selbst aufrufen!):

• Standardmäßig werden für die Solidvernetzung Quader und Tetraeder verwendet, was man in den Optionen zu den Vernetzungseinstellungen erkennt:
  
• Die widerspiegelt sich in der überwiegenden Verwendung von Vierecken in den Oberflächennetzen. Dreiecke realisieren den Übergang zwischen unterschiedlichen Netzbreiten.
• Die eigentliche Volumenvernetzung wird erst durchgeführt, wenn man "Simulation ausführen" für das Szenarium aktiviert.
• Das Volumennetz aus Solid-Elementen wird innerhalb des Bauteils auf der Grundlage des bereits vorhandenen Oberflächen-Netzes aufgespannt.
• Leider kommt es dann bei der langwierigen Erzeugung des Volumen-Netzes zu einer Fehlermeldung!
• Der Vernetzungsalgorithmus scheitert häufig mit der Ziegelvernetzung bei komplexeren Strukturen, wie sie insbesondere durch die Verfeinerungspunkte hervorgerufen werden.

Fazit:

• Für die Solid-Vernetzung sollte man bei Netzverfeinerung nur Tetraeder-Elemente verwenden (in den Optionen der Vernetzungseinstellungen umschalten!).
• Das reine Tetraeder-Netz führt zwar nicht zum effektivsten Finite-Element-Modell, wird aber von der automatischen Vernetzung gut beherrscht.

Mit den vorhandenen Verfeinerungspunkten ergibt sich bei Tetraeder-Vernetzung nun folgendes Oberflächennetz aus Dreiecken:

• Diese Solid mesh's surface besteht im Beispiel aus 82846 Elementen
• Nach dem Start der Simulation werden daraus 773022 Solid-Elemente generiert.
• Dieser minutenlange Prozess führte für das vollständig fixierte Stiftlager zu folgenden Ergebnissen:
  
• Der berechnete Spannungsverlauf entspricht auch wertemäßig den Ergebnissen aus dem Flächennetz der Mittelebene.
• Zusätzlich erscheinen jetzt jedoch Spannungsspitzen direkt am Rand des Loches, welche durch das Flächennetz nicht berücksichtigt wurden.

Die extrem feine Vernetzung ist nur an den Kanten des Loches erforderlich. Damit besteht die Möglichkeit die Größe des Netzes wesentlich zu reduzieren:

Hinweis: -->> das Folgende wird noch überarbeitet!

• Zur Ermittlung der erforderlichen Stift-Abhängigkeiten sollte man die Verformung des Lochs mit einem großem Faktor betrachten. Wie ein zähes, elastisches Material bei Zugbelastung um den Bolzen fließen muss, kann man sich leicht vorstellen. Aktiviert man z.B. alle Fixierungen der Stiftabhängigkeit, so entspricht dies dem fixierten Lochrand aus dem ersten Entwurfsszenarium. Die damit erhaltenen Ergebnisse sollten ungefähr gleich sein!
• Eventuelle Fehlermeldungen bei der Analyse erfolgen in Englisch (im Beispiel tritt folgender Fehler auf "Error. Number of integration points must be greater than zero"!). Die Fehler und erforderliche Maßnahmen sind in der Hilfedatei ausführlich beschrieben:
  • Mittels Suchen findet man durch Eingabe eines markanten Teils des Fehlertextes die Beschreibung sehr schnell in der englischen Hilfedatei (im Beispiel unter "Common Linear Analyses Error Mesages").
  • Die englische Hilfedatei (\Program Files\Autodesk\Algor Simulation 2012\help\enu\AlgorHelp_20xx.chm) muss man dazu separat öffnen.
• Es wurde beim Erstellen dieser Übungsanleitung der Effekt beobachtet, dass die englische Hilfe manchmal auch bei Anfragen über <F1> geöffnet wurde und dann aktiv bleibt. In diesem Fall kann man die deutsche Hilfedatei manuell öffnen (\help\deu\AlgorHelp_20xx.chm).

Frage3: Wie groß ist die zulässige Zugkraft bei Verwendung einer Spielpassung auf biegesteifem Bolzen, damit der Sicherheitsfaktor 2 an keiner Stelle des Modells unterschritten wird?

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