Software: FEM - Tutorial - 2D-Komponente - Belastung - Deformation
Aus den aufgebrachten Lasten resultiert infolge der Lagerstellen eine Deformation des Bauteils:
- Für statische Simulationen im linearen Bereich ist die Geometrieverformung bezogen auf die Gesamtmodellgröße meist sehr gering. Um trotzdem zu verstehen, wie die Verformung stattfindet, wird ein automatischer Übertreibungseffekt bereitgestellt.
- Diese "angepasste" Verformung wurde standardmäßig bereits zusammen mit der farblich dargestellten Belastungsgröße im Vergleich zum Drahtgitter der Ausgangsform dargestellt:
Angepasst ist die vorgegebene Option der Deformationsskala für alle Studientypen (außer nichtlinearen statischen Studien und Ereignissimulationsstudien):
- Die Deformationsskala ist eine Funktion der Größe des virtuellen Rahmens des Modells und der Größe der berechneten maximalen Verschiebung.
- Der Skalierungsfaktor ist gleich 0.5 * (diagonale Länge des virtuellen Rahmens) / (maximale Größe der Verschiebung). Dies entspricht einer maximalen Verformung von ca. 5% der maximalen Modellgröße.
- Ergebnisse > Deformation stellt folgende Optionen der Deformationsdarstellung bereit: undeformiert, tatsächlich, 2,5%, 5%, 10%, 25%.
Zur besseren Verdeutlichung des Deformationsverhaltens wählen wir eine 5-fache Überhöhung im Vergleich zur Option "angepasst":
- Man erkennt nun deutlich, dass das Material der Lasche am zugkraftseitigen Lochrand einer starken Verformung unterliegt und diese in eine Einschnürung des geraden Laschenteils übergeht.
- Der Lochrand selbst bleibt infolge der vollständigen Fixierung unverformt.
Jedem Punkt des Bauteils ist ein Verschiebungsvektor zugeordnet. Die drei Komponenten (X,Y,Z) der Gesamt-Verschiebung werden separat zu dieser als Ergebnisse der Simulation bereitgestellt. Davon kann man eine Verschiebungsrichtung auswählen, welche dann anstatt der Spannungen als Kontur auf dem Bauteil dargestellt wird. In diesem Fall ist das Abschalten der Deformationsdarstellung sinnvoll:
- An der Farblegende kann man direkt ablesen, dass im Beispiel die maximale Verschiebung in X-Richtung ca. 9,7 µm beträgt, wenn man zuvor "micron" als Einheit gewählt hat:
- Das Vorzeichen der Verschiebungswerte ist positiv in Richtung der zugehörigen Koordinaten-Achse.
- Die Deformation findet nicht nur in Zug-Richtung statt, sondern es erfolgt auch eine Einschnürung quer zur Zugbelastung. Diese Einschnürung in Y-Richtung beträgt im Beispiel ca. 0,87 µm auf jeder Seite:
- Die Dicken-Änderung der Lasche in Z-Richtung ist wesentlich kleiner (hier mit "5x angepasst"):
- Infolge der festgelegten Abhängigkeit der Lochwand (mit Z-Verschiebung=0) existiert jedoch ein starker Gradient der Verschiebung zu dem "Hotspot" direkt vor dem Loch mit einer Z-Verschiebung von ca. 0,14 µm.
- Bei einem realen verschweißten Bolzen mit ähnlichem E-Modul wie die Lasche, wird dieser starke Verschiebungsgradient in Z-Richtung am Lochrand abgeschwächt.
Die komplette Festlegung des Lochrandes sorgte bisher für die erforderliche statische Bestimmtheit des FEM-Modells:
- Wir entfernen die Festlegung in Z-Richtgung, um die Auswirkung der verhinderten Dickenänderung am Lochrand auf die Belastung zu untersuchen.
- Eine Möglichkeit, die erforderliche Festlegung des Modells in Z-Richtung wieder herzustellen, besteht in einer zusätzlichen strukturellen Abhängigkeit "Fest" in Z-Richtung für die Stirnfläche, an welcher die Zugkraft angreift.
- Da wir nur Zugkräfte untersuchen, können wir die daraus resultierende Warnung in Hinblick auf die eingeschränkte Last-Wirkung ignorieren (vor dem Lösen nicht "Reparieren"!).
- Die Simulation führt nun zu einem veränderten Verformungsverhalten für den Lochrand:
- Es erfolgt durch Wegfall der Z-Festlegung eine Verringerung der Dicke entlang der Lochwand.
- Hinweis: Die erforderliche Z-Festlegung für das Modell, welche wir auf die Kraftangriffsfläche verlagert haben, verfälscht natürlich nun etwas die Verformung und Belastung dieser Fläche, was uns im Beispiel nicht stört!
Es interessieren uns nun die Auswirkungen der modifizierten strukturellen Abhängigkeiten auf die maximale Belastung der Lasche:
- Die maximale Von-Mises-Spannung verringert sich durch die Nachgiebigkeit in Z-Richtung nur um wenige Prozent.
- Diese Stabilität der Lösung deutet darauf hin, dass die Nachbildung für einen "verschweißten" Bolzen mittels der gewählten strukturellen Abhängigkeiten zu einigermaßen glaubwürdigen Ergebnissen führt.
