Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - CAD-Belastungsanalyse Symmetrieschnitt
Die Simulation mit dem Finite-Elemente-Netz der kompletten Puffer-Baugruppe stößt bereits an Grenzen der Berechenbarkeit auf normaler PC-Technik. Man kann Symmetrieeigenschaften ausnutzen, um nur einen Teil des gesamten Netzes zu verwenden. Über die Symmetriebeziehungen können die berechneten Ergebnisse können dann die berechneten Ergebnisse auf die restlichen Teile des Netzes projiziert werden (Spiegelungen, Drehungen). Vorhandene Symmetrien werden bestimmt durch:
- Geometrie des Untersuchungsobjekts (einschließlich Verteilung der Materialien)
- Art der Zwangsbedingungen ("Einspannung")
- Form der Last (Kraft-Angriffstellen und -Richtung)
- Isotropie des Materials
In unserem Fall sprechen alle 4 Kriterien für die Möglichkeit, nur einen Teil des Gummipuffers zu modellieren (Zylinder, keine asymmetrische Einspannung, Material isotrop), solange die Lastkraft den Puffer nicht asymmetrisch verformt:
- Eigentlich würde ein "unendlich schmales Tortenstück" des quer halbierten Puffers ausreichen.
- Um den Prozess einfach und anschaulich zu gestalten, beschränken wir uns hier auf eine komplette Hälfte des Gummipuffers. Damit erhalten wir auch die gewünschte komplette Ergebnisdarstellung auf der Schnittfläche (XZ-Ebene des Ursprungskoordinatensystems).
Dafür beenden wir vorläufig die Belastungsanalyse. Die erforderlichen Konstruktionsschritte für das definierte Entfernen einer Baugruppenhälfte werden ausführlich erläutert:
- Die aktivierte Schnittdarstellung schalten wir aus (MFL > Ansicht > Darstellung > Schnitt beenden).
- Die beiden Stahlscheiben machen wir wieder sichtbar.
- Aktivieren der MFL > 3D-Modellierung-Registerkarte zum Modellieren eines Quaders als "Schnittwerkzeug".
- 2D-Skizze auf die Deckfläche der oberen Stahlscheibe
- Geometrie projizieren äußerer Kreisring der Stahlscheibe und X-Achse des Ursprungskoordinatensystem
- Rechteck (drei Punkte) koinzident und tangential an Kreishälfte befestigen:
Damit ist das rechteckige Schnittprofil unabhängig vom Pufferdurchmesser immer hinreichend groß:
- Wir beenden die Skizze.
- Mittels Extrusion (Differenz) des Rechteck-Profils können wir nun eine Hälfte der Baugruppe entfernen:
Nach Wechsel in die Belastungsanalyse müssen wir die Simulation entsprechend der Symmetrieeigenschaften umkonfigurieren:
- Die Kraft der Streckenlast darf nur noch 50 N betragen.
- Die (automatischen) Kontakte muss man aktualisieren.
- Für die Schnittflächen muss zusätzlich mittels festgelegter Abhängigkeit die Bewegung in Y-Richtung verhindert werden:
- Mit dem reduzierten Netz gelingen unter Beachtung der Symmetriebedingungen nun vergleichbare Darstellungen, wie im FEMAP-Postprocessing:
- Die Rückstoßkräfte in den Abhängigkeiten als Auflagereaktion auf die Belastung enthalten nun auch die inneren Kräfte in der Schnittebene. Wir betrachten zuerst die festgelegte Abhängigkeit am unteren Lochrand:
- In Z-Richtung wirkt die Gegenkraft zur Streckenlast auf dem oberen Lochrand.
- In Y-Richtung wirkt eine wesentlich höhere Kraft, welche im Modell die Bewegung der Schnittpunkte am Lochrand in Y-Richtung verhindert (Schnittkraft).
- Die Wirkung dieser Schnittkraft wird noch deutlicher bei der festgelegten Abhängigkeit entlang der Schnittebene:
- Die berechnete Kraftsumme ist in Y-Richtung erforderlich, um eine Bewegung der in der Schnittebene befindlichen Netzknoten in Y-Richtung zu verhindern.
- Die geringen Kräfte in X- und Z-Richtung resultieren aus den Scherspannungen entlang der Materialgrenzen.
Frage 1 (Streckenlast)
- Wie groß ist der Maximalwert der Mises-Spannung im Gummimaterial. Der Wert aus der 2D-Axialsymmetrischen FEMAP-Simulation (mit Mittenknoten) ist zu vergleichen mit dem Wert aus der CAD-Belastungsanalyse. Unterschiede sind zu diskutieren.
- Wie stark wird der Gummipuffer zusammengedrückt (in Z-Richtung). Auch hier sind die Ergebnisse beider Simulationen zu vergleichen.
