Software: FEM - Tutorial - 3D-Baugruppe - CAD-Belastungsanalyse Thermische Spannung

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Zusätzliche Studie (Thermische Spannung)

Die Verbindung zwischen Stahlscheiben und Gummihülse soll durch Vulkanisation bei einer Temperatur von 150°C hergestellt werden. Danach erfolgt eine Abkühlung auf 20°C. Unterschiedliche Materialien besitzen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten:

• In Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur kommt es zu einer Verformung der Bauteile.
• Die Verformungen führen zu mechanischen Spannungen in den Materialien, welche ihrerseits wieder auf die Verformung zurückwirken.
• Diese Form der Belastung infolge des Fertigungsprozesses soll als weiterer Lastfall untersucht werden.
• Leider ist es nicht möglich, im Rahmen der bisher genutzten statischen Belastungsanalyse innerhalb von Autodesk Fusion die Temperatur der Materialien zu berücksichtigen!
• Wir benötigen deshalb einen Studientyp, welcher zusätzlich zu mechanischen Lasten auch thermische Einflüsse auf die mechanischen Spannungen berücksichtigen kann:

Ändern des Studientyps ist bei mehreren Lastfällen im Autodesk Fusion nicht möglich:

• Im Prinzip könnte man über das Kontextmenü der Studie > Einstellungen > Studientyp "Statische Spannung" ändern in "Thermische Spannung", um die erforderliche Funktionalität zu ergänzen.
• Beim Ändern des Studientyps in Autodesk Fusion bleibt jedoch nur der aktive Lastfall erhalten und alle anderen Lastfälle werden gelöscht!

Erstellen einer neuen Studie erfordert erneute Definition der Vernetzung:

• Da die optimierte lokale Vernetzung einigen Aufwand erfordert, sollte man nach Möglichkeit ein bereits vorhandenes Netz weiter verwenden.
• Neue Studien sind deshalb nur sinnvoll bei überflüssiger lokaler Vernetzung oder wenn infolge einer neuen physikalischen Domäne eine andere optimale lokale Vernetzung erforderlich ist (z.B. reine "Thermische Studie" ohne mechanische Belastung).

Netz-Erhalt durch Klonen einer vorhandenen Studie und nachträgliche Änderung des Studientyps:

• In unserem Beispiel ist dies sicher die effektivste Methode, um den noch fehlenden Lastfall "Vulkanisation" zur Simulation der thermischen Spannung zu definieren.
• Vor dem Klonen sollte man den Lastfall "Rotation" aktivieren, dessen Abhängigkeiten am Besten den Anforderungen der neuen Studie genügen (Pin-Lagerung mit Fixierung aller Freiheitsgrade, um eine möglichst ungestörte thermische Verformung des Gummipuffers zu gewährleisten).
• Die nicht benötigten mechanischen Lasten sind nach dem Klonen zu löschen.
• Der Prozess des Netz erzeugen dauert in dieser geklonten Studie ziemlich lange und zeigt dann eine deutlich feinere Vernetzung mit einer vervielfachten Knotenzahl:
  
• Einer Überprüfung der Parameter in den Netzeinstellungen ergab im Beispiel eine Änderung des Wertes für "Max. Größenverhältnis benachbarter Netze" von zuvor 1,5 auf aktuell 1! Diese würde die beobachtete Netzänderung erklären (dürfte aber eigentlich nicht passieren!).
• Eine Wiederherstellung des vorherigen Wertes von 1,5 ergab dann die gleiche Vernetzung, wie in der vorherigen Studie.

Festlegen der Temperatur für den unverformten Zustand:

• Das Vulkanisieren erfolgt bei einer homogenen Baugruppen-Temperatur von 150°C.
• Alle Bauteile befinden sich bei dieser Temperatur im spannungsfreien, unverformten Zustand.
• Die Vorgabe für die spannungsfreie Temperatur gilt global in der Studie für alle Lastfälle:
  

Aktuelle Körper-Temperaturen festlegen:

• Die konkrete Temperatur der Körper eines Lastfalls definiert man als thermische Last vom Typ "Angewendete Temperatur":

• Hinweis: Obwohl als "Last" bezeichnet, handelt es sich bei dieser Temperaturvorgabe für alle Knoten der gewählten Körper praktisch um eine "Abhängigkeit" in Analogie zur strukturmechanischen Vorgabe von Knoten-Position.

Simulierte Verformung und Belastung:

• Der Schrumpfprozess beim Abkühlen führt zu einer relativ starken Verformung des Gummipuffers, welche insbesondere in Längsrichtung (hier Z) Auswirkung auf die Funktion besitzen kann:
  
• Es entstehen starke Spannungsbelastungen an allen Kanten der Gummihülse, welche zu einem Abschälen des Gummis von den Stahlscheiben führen könnten:
  
• Diese thermisch induzierten Spannungen sind im Beispiel wesentlich größer, als die durch die simulierten mechanischen Lasten berechneten Spannungswerte und dürfen deshalb nicht vernachlässigt werden!

Frage (Deformation):

• Wie groß sind die maximale Verformung des Gummipuffers in Z-Richtung (entspricht der "Zusammendrückung") für die simulierte thermische Belastung?

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