Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Z88 - Belastungsanalyse Lastfaelle

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Unterschiedliche Belastungsfälle (Flächenlast, Eigengewicht, Rotation, Thermisch)

Flaechenlast

Die Konfiguration und insbesondere die Ergebnisse des Projekts zur Simulation einer Streckenlast sollen durch die Analyse weiterer Lastfälle nicht überschrieben werden:

• Deshalb erzeugen wir nach dem Beenden von Z88Aurora wieder mit den Mitteln des Betriebssystems eine komplette Kopie des Projekt-Ordners "FEM2_Z88c_Streckenlast_xx" mit dem Namen "FEM2_Z88d_Flaechenlast_xx" (Inhalt ca. 200 MByte).
• Nach dem Start von Z88Aurora öffnen wir diesen Ordner als Projektmappe. Damit steht der komplette Bearbeitungszustand des Modells zur Modifikation zur Verfügung.

Das Modell soll so konfiguriert werden, als würde die untere Stahlscheibe komplett auf einer Unterlage aufliegen, während auf die obere Scheibe gleichmäßig verteilt eine Kraft von 100 N wirkt:

• Dazu muss eine zusätzliche Randbedingungg für die Unterseite der unteren Stahlscheibe definiert werden.
• Die "Streckenlast" an der Lochkante der oberen Stahlscheibe ist zu ersetzen durch eine "Projizierte Flaechenlast" auf die Oberseite der oberen Scheibe:
  
• Die max. Belastung der oberen Stahlscheibe ist ca. um den Faktor 10 geringer als bei der Streckenlast auf der Lochkante.
• Die Verformung der oberen Stahlscheibe ist sehr gering und resultiert aus den Kräften des sich verformenden Gummi.
• Die untere Stahlscheibe wird aufgrund der kompletten Auflage auf der Unterlage nicht verbogen. Die berechnete Belastung ist wesentlich geringer als in der oberen Stahlscheibe.
• Im Gummimaterial ist mit Ausnahme der Lochkanten die Belastung ähnlich wie bei der Streckenlast. Die Stahlscheibe zwischen Krafteinleitung und Gummihülse wirkt hier ausgleichend:
  

Frage (Deformation):
Wie groß ist die maximale Verformung des Gummipuffers in Z-Richtung für den Lastfall Flächenlast=100 N?

Eigengewicht und Rotation

Leider kann Z88Aurora (noch) keine Kräfte berücksichtigen, welche aus der Beschleunigung der Element-Massen resultieren:

• Simulationen der Verformung infolge von Gravitationskräften sind nicht auf direktem Wege möglich. Für blechartige, gleichmäßig dicke Bauteile kann man mit guter Näherung die Gewichtskraft als Kraft auf die Oberfläche wirken lassen. Dies ist für hohe Gebilde (wie unserem Gummipuffer) natürlich nicht möglich, weil die unteren Bereiche durch das Gewicht wesentlich stärker belastet werden!
• Ähnliches gilt für die Simulation von Fliehkräften, welche man in Z88Aurora nur für dünnwandige "Trommeln" (z.B. einer Zentrifuge) mittels einer äquivalenten Druckbelastung auf die Innenwand der Trommel nachbilden kann. Unsere Gummihülse besitzt hierfür eine zu dicke Wand!

Thermisch

Unterschiedliche 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 die Schrumpfung der Gummihülse nach dem Vulkanisieren untersucht werden:

• Das Vulkanisieren des Gummis an die Stahlscheibe erfolgt bei einer Temperatur von 150°C.
• Bei dieser Temperatur erfolgt der Zuschnitt der Gummihülse auf das Nennmaß der zylindrischen Form.
• Von Interesse ist nun für den unbelasteten Zustand bei 20°C:

1. wie sich der Schrumpfungsprozess auf die Form des Puffers auswirkt und
2. welche Spannungen im Material infolge der Schrumpfung auftreten.

Z88Aurora besitzt ein Thermo-Modul, das man nach dem Anlegen eines neuen Projektes auswählen muss, wenn man die Wärme bei der Simulation berücksichtigen möchte:

• Der simulierte Temperaturverlauf ist zeitunabhängig, d.h. es wird der Zustand des thermischen "Gleichgewichtes" berechnet.
• Mit diesem Temperaturverlauf kann dann (automatisch) eine elasto-statische Berechnung durchgeführt werden, wobei aus den aktuellen Temperaturwerten unterschiedliche thermische Dehnungen im Material resultieren, welche zu thermo-mechanischen Verschiebungen und Spannungen führen.

Leider existieren für die Nutzung des Thermo-Moduls (noch) starke Einschränkungen:

• Es lassen sich nur Einzelteile simulieren (kein Zusammenwirken mit dem Kontakt-Modul!)
• Als Elemente sind ausschließlich Tetraeder und Hexaeder mit linearer oder quadratischer Ansatzfunktion nutzbar.

Wir müssen unseren Gummipuffer deshalb als ein 3D-Modell mit verschiedenen Materialbereichen gestalten:

• Dies gelingt nur mit einer Hexaeder-Vernetzung, weil man mit Tetraedern keine ebene Grenzen zwischen Stahl und Gummi gestalten kann.
• Wir nutzen für die erforderliche strukturierte Vernetzung maximal die Symmetrie-Eigenschaften und beschränken uns auf einen "Achtel"-Puffer (Halbierung des bisherigen Viertel-Modells entlang der XY-Ebene).

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