Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Temperaturspannungen
Die Materialien besitzen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. In Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur kommt es zu einer Verformung des Bauteils. Die Verformungen führen zu mechanischen Spannungen in den Materialien, welche ihrerseits wieder auf die Verformung zurückwirken. In Form eines weiteren Lastfalls soll der Schrumpfungsprozess nach dem Vulkanisieren untersucht werden:
- Das Vulkanisieren des Gummis an die Stahlscheibe erfolgt bei einer Temperatur von 150°C.
- Bei dieser Temperatur erfolgt auch der Zuschnitt des Gummi-Teils auf das Nennmaß der zylindrischen Form.
- Von Interesse ist nun für den unbelasteten Zustand bei 20°C:
- wie sich der Schrumpfungsprozess auf die Form des Puffers auswirkt
- welche Spannungen im Material infolge der Schrumpfung auftreten.
Wir definieren einen neuen Lastfall "Vulkanisiert":
- Es wird keine äußere Kraft eingeleitet!
- Wir weisen dem gesamten Modell eine Temperatur von 20°C zu (Model > Load > Body).
- Im Dialog für Body Loads aktivieren wir die thermische Belastung mit dem Wert 293,15 [K] (=Default Temperature =20 [°C]).
- Wir ändern im Modell für beide Materialien die Referenz-Temperatur auf den Wert 423,15 [K] (=150 [°C]).
Hinweise:
- Die Aktivierung der Reference Temperature im Body-Loads-Dialog führt nicht zum gewünschten Ergebnis! Damit wird die Anfangstemperatur des Modells definiert, bevor die konkreten thermischen Belastungen angewandt werden. Dies hat nur Bedeutung für die Simulation des zeitlichen Verhaltens (was nicht Inhalt dieser Übung ist).
- Die geänderte Referenztemperatur der Materialien wirkt natürlich bei jedem Lastfall des Modells! Es gibt jedoch keine Auswirkungen auf die Ergebnisse eines Lastfalls, solange man darin keine thermischen Belastungen aktiviert.
Hinweis:
Für jeden Lastfall legen wir eine eigene View-Registerkarte an. Die einzelnen View-Registerkarten konfigurieren wir unabhängig voneinander, wie dies im ersten Übungskomplex FEM-Prozess für die Darstellung neuer Lastfälle ausführlich beschrieben ist.
Die Ergebnisse für den 3. Lastfall zeigen, dass die Formänderung infolge der Abkühlung mit ca. 0,3 mm in Bezug auf den Koordinatenursprung nicht zu vernachlässigen ist:
- Als Konsequenz müsste man sich Gedanken zum Fertigungsprozess machen, um die Abmessungen des Gummipuffers unter den Einsatzbedingungen zu gewährleisten.
- Da Stahl und Gummi unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, entstehen die größten Materialspannungen an der Grenzschicht zwischen den unterschiedlichen Materialien.
Prinzip für das Ermitteln mechanischer Spannungen nach dem thermischen Aufschrumpfen von Bauteilen:
- Man gibt Referenz-Temperaturen für die zu kombinierenden Materialien vor.
- Falls die Materialien zum Zeitpunkt der Verbindung unterschiedliche Temperaturen besitzen, so benutzt man diese unterschiedlichen Werte:
- Ein Beispiel sind Welle-Nabe-Verbindungen durch Aufschrumpfen.
- Das Naben-Material erhält die hohe Temperatur und das Wellen-Material die niedere Temperatur.
- Über Body Load spezifiziert man dann die Default-Temperatur, bei welcher man die Belastung infolge der Verbindung untersuchen möchte.
