Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - MP - Flaechenlast

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Flächenlasten

Aus dem Entwurfsszenario1 erzeugen wir durch Kopieren ein Entwurfsszenario2. Für beide Szenarien vergeben wir sinnvolle Namen (Streckenlast und Flaechenlast):

• Mit dem entfalteten Netz haben wir analog zur Streckenlast nun das Problem, die Kraft der oberen Fläche der Stahlscheibe zuzuweisen.
• Die gesamte Oberfläche der Stahlscheibe einschließlich der inneren Netzstruktur erscheint im Modell-Browser als eine Fläche:

• Eine selektive Auswahl der "realen Oberfläche" der Stahlscheibe ist nicht möglich.
• Eine nodale Zuweisung der Kraft an die einzelnen Knoten der Oberseite ist nicht praktikabel (sehr viele Knoten, die ungleichmäßig verteilt sind).

Eine Flächenlast wird meist als Druck definiert, damit eine automatische Verteilung der wirksamen Kraft auf die Elemente bzw. auf die Knoten der Elemente erfolgen kann:

• Im Normalfall betrachtet man bei der Druck-Belastung eine geschlossene Fläche. Die Kraft wird dann auf alle Knoten verteilt, welche auf dieser Fläche liegen.
• Lassen wir den Druck auf unsere "Gitter-Fläche" wirken, so erhalten ebenfalls alle Knoten ihren Kraft-Anteil. Dies betrifft auch die Knoten im Innern der Stahlscheibe, was physikalisch unrealistisch ist.
• Der Stahl ist im Vergleich zum Gummi starr und uns interessiert nur die Belastung der Gummihülse. Deshalb können wir diesen Trick mit der Druckbelastung der inneren Stahl-Knoten benutzen, ohne damit merkliche Fehler zu produzieren.

MFL > Setup > Lasten > Druck ermöglicht die Zuweisung eines Flächendrucks:

• Ein Flächendruck wirkt standardmäßig immer senkrecht auf die Fläche.
• Bei Spezifizierung einer Zugkraft kann man die wirkende Richtung vorgeben (wir benötigen die Kraft in Z-Richtung).

Im Folgenden wird eine allgemein nutzbare Methode beschrieben, um mittels Druck auf eine Fläche "unbekannter Größe" eine gewünschte Druckkraft zu erzeugen:

• Man gibt anfänglich einen Druck P1=1 N/m² auf die Fläche.
  
• Nach der Simulation ermittelt man die daraus berechnete Summe der Kräfte F1 (im Bericht Sum of applied forces)
• Px=Fx/F1 ist dann der für eine Kraft Fx erforderliche Druck.
• Mit Px sollte man dann mittels Simulation überprüfen, ob damit wirklich die gewünschte Kraft Fx erzeugt wird.

Hinweise:

• Man beachte das Vorzeichen der gewünschten Kraft Fx.
• Die erforderliche Kraft Fx bezieht sich auf das Netz (Symmetrie-Ausnutzung!).
• Der Verlauf der Mises-Spannung auf der Stahlscheibe weicht von den erwarteten konzentrischen Kreisen ab. Dies deutet darauf hin, dass die Verteilung der Belastung auf die einzelnen Knoten keiner gleichmäßigen Druckbelastung der gesamten Scheibe entspricht. Da sich dieser Fehler nicht merklich auf die Belastung der Gummihülse auswirkt, geben wir uns damit zufrieden.

Markant bei der "gleichmäßigen" Flächenbelastung der Stahlscheibe ist, dass die stärkste Belastung der Gummihülse nun an der Außenkante auftritt:

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