Referenzprojekte

ViTAL is a software tool created by CADFEM on behalf of AIRBUS for the fast generation and fully nonlinear analysis of fuselage skin panel within the FE solver ANSYS. The generation process is fully parametric using the ANSYS Parametric design language APDL. A comprehensive graphical user interface has been created including many advanced modelling features.

The behavior until failure of stiffened fuselage panels is crucial in the design procedure of aircrafts. Extensive experimental testing is performed to study the mechanical behavior and determine the allowable loads under different loading conditions. Simulation is used to reduce the number of necessary tests, perform parametric studies and get additional information on loaded structures which are inaccessible to measuring devices.

ViTAL provides boundary conditions to simulate shear pressure tests and frame bending tests performed at AIRBUS. Special „aircraft-like“ boundary conditions are an approach to the environmental deformation constraints of the panel as part of the fuselage and enable variable panel sizes.

The modeling accounts for joint technologies like riveting, welding, bonding and splices, many nonlinear material models and stacked materials (AL-GFRP, CFRP), force and displacement con-trolled loading. Structural Components can be imported from CAD-Systems via ANSYS Design-Modeler.

Die Aufgabenstellung

Bei der Anwendung von Ventilatoren in der Lüftungs- und Klimatechnik spielen, neben der Betriebsfestigkeit, Faktoren wie Akustik, Effizienz, geringes Gewicht und leichter Einbau eine immer bedeutendere Rolle.
Die Anwendung von Kunststoffen gewinnt im Zuge dieser Entwicklung auf Grund der nicht vorhandenen Korrosionsproblematik und des geringen Gewicht immer mehr an Bedeutung.
Kunststoffspezifische physikalische Eigenschaften und die kontinuierliche Belastung von Kunststoffventilatoren in der Lüftungs- und Klimatechnik erfordern Analysen der Lüfterräder unter Einfluss zeitabhängigen Materialverhaltens. So kann mittels einer Analyse des Kriechverhaltens die zeitabhängige Verformung des Lüfterrades beschrieben werden.

Lösung

Die Simulation zeitabhängigen Materialverhaltens basiert auf Materialgesetzen welche in Form verschiedener Parameter an das spezifische Verhalten eines Materials angepasst werden. Im Polymerbereich sind die hierfür notwendigen Materialdaten in der Regel in Form von Isochronen oder direkt gemessener Kriechkurven vorhanden. Die Anpassung der Parameter des in ANSYS® verwendeten verallgemeinerten Maxwell Materialmodells für die Analyse von Bauteilen hinsichtlich des zeitabhängigen Verformungs- und Spannungsverhaltens erfolgt durch ein in ANSYS® implementiertes Curve-Fitting basierend auf den Isochronen bzw. den Kriechkurven des verwendeten Materials.

Herausforderung

Die Entwicklung von modernen Elektrowerkzeugen für den professionellen Einsatz erfordert neben der Berücksichtigung von Aspekten wie Leistungsfähigkeit und Anwenderfreundlichkeit besonderes Augenmerk auf Eigenschaften wie Robustheit und Haltbarkeit der Geräte bzgl. Falltest und Missbrauch. Zur Sicherstellung dieser Attribute ist die computergestützte Simulation ein zentrales Werkzeug während des gesamten Entwicklungsprozesses der Black & Decker GmbH, d.h. von der Vorentwicklungsphase bis zum Austesten von seriennahen Prototypen.

Falltest

Ein elektrisches Werkzeug muss einen Falltest aus einer definierten Höhe überstehen, d.h. es dürfen keine Öffnungen entstehen, die das Berühren von elektrisch leitenden Teilen ermöglichen würden. Die Herausforderung liegt dabei in der Bereitstellung eines geeigneten Simulationsmodells, das neben der Außenstruktur auch große Teile der „inneren“ Hammermodule beinhaltet. Dies garantiert einen realistischen Lastpfad und eine sinnvolle Bewertung der Kunststoffteile sowie deren Schwachstellen. Neben der hohen Anzahl der Modellteile wird der Aufwand für die Modellerstellung zusätzlich durch den hohen (notwendigen) Detaillierungsgrad der Außenstruktur gesteigert. Dieser ist erforderlich um insbesondere die zahlreichen Butzenanbindungen und Formschlüsse der Kunststoffteile ausreichend genau abbilden zu können.

Missbrauch

Weiterer Aspekt hinsichtlich der Auslegung eines Gerätes ist die missbräuchliche Anwendung. Bohr- oder Meißelhammer müssen große Auszugs- und Biegekräfte, wie sie z.B. beim unsachgemäßen Lösen eines klemmenden Bohrers bzw. Meißels in den Griff eingeleitet werden, wiederstehen können.

Nutzen für den Kunden

Im Hause Black & Decker GmbH hat sich in den letzten Jahren der vielfältige Einsatz von computergestützter Simulation in allen Entwicklungsphasen (Konzept, Produktentwicklung und Prototyp) bewährt. Die Schwachstellen von virtuellen Prototypen können genauer vorhergesagt werden und Lösungen können entsprechend vorgeschlagen werden.

Task

Sandwich structures of compression resistant porous core material laminated by tensile resistant CFRP allow structures for very low weight at extremely high stiffness. But regions with bonding failures tend to grow progressive if a threshold of the structural load is reached: The whole structure collapses and often causes further irreversible problems.

Needs:

• A reliable method to simulate the behaviour of debonded regions and its impact on the affected structure.
• A prediction of the limit load at which the progressive debonding starts.

Solution

By fitting on experimental data parameters the debonding toughness of laminate and core will be determined. A routine was written to generate debonded regions in a sandwich model and set up the cohesive zone element definition. A continuous damage criterion was developed to predict the progressive debonding load threshold. A load step control was established to minimize the solution time. Enhanced post processing was developed to generate contour plots of all relevant cohesive results, mainly the Fracture Energy Release Rate distribution and a damage growth rate.

Benefit for the customer

• Practicable FE model set up and solution times for simulation of problems covering very complex physics.
• The limit load at which the progressive debonding and collapsing of the sandwich structure starts can be predicted for arbitrary debonded region shapes and structural load.

Task

If gas volumes are enclosed in parts that undergo large deformation, the compressed gas significantly influences the deformation behaviour, reaction forces and stress distribution (for example in tires, gaskets, balls, PET bottles, …).
But in general, enclosed gas volumes are not regarded by structural FE-Analyses.

Solution

CADFEM developed an easy to use approach to solve problems like this:
An APDL command block must be added into the ANSYS Workbench tree of a current model.

The APDL module then

• Tracks the enclosed gas volume
• Applies the pressure caused by the gas
• Iterates the pressure via a chosen gas law (isothermal, adiabatic, …) until gas equilibrium
• Returns the final result back to the Workbench environment.

No mesh of the enclosed gas volume is needed. Hence, there are much fewer restrictions in deformation. Even collapsing to a small final volume with then high inside pressure and temperature is possible!

Benefit for the customer

• Easy application and problem set up.
• No additional software features needed.
• Relevance of enclosed gas volumes can be determined:
  Changing reaction forces, deformation, stress, pressure and temperature

Task

The Calibration Target is installed inside an antenna of the ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) project. Because of a HVAC system (heating, ventilation and air conditioning) turbulent air flow is predicted. But for the absolute accuracy of the astronomical observations a specified operating temperature of the structure and its stability is essential.
Different load cases were performed to simulate the environmental air conditions with its influence on the operating structure.

Solution

The air flow velocity is low in the inner regions of the Calibration target. Therefore the air is heated up significantly by the hot walls of the target. But the turbulent flow around the Calibration Target causes a cooling effect of the housing structure. To resolve this influence on the temperature gradients on the solid structure a conjugated heat transfer analysis was performed. For the foil heaters a specified heat generation was considered.
Both, fluid volume and the solid structure had to be modeled and meshed. Because of symmetry a half model was adequate.

Benefit for the customer

Usually only an vague estimated heat exchange with the environment (e.g. convection coefficients) is used as boundary condition for the thermal structure model.
Simulating the interaction between the flow field and the temperature directly within one coupled analysis may save costs for additional simulation loops and leads to more reliable results.

Task

The aim of this analysis is to estimate the stationary temperature distribution in an IGBT module. The module is attached to a heat sink, which has one cooling channel. A power loss occurs in 2 chips at the top of the module.

Solution

For the described task, a thermal Finite Element Model was set up in ANSYS®.
The module and the heat sink were meshed with volume elements. The cooling channel was meshed with FLUID116 elements.
FLUID116 is a line element with pressure and temperature degrees of freedom, which can transport heat and mass in a channel system. In the present case only the temperature degree of freedom was adapted. (Keyopt(1)=1).
The inside of the channel was meshed with SURF152 elements and convection was accounted for by setting the Keyopt(2)=2. The temperature and flow dependant heat transfer coefficients were evaluated through Nusselt numbers.
The flow rate in the channel was given and the inlet flow temperature was prescribed to 20°C. At all other boundaries natural convection with a film coefficient of 5 W/(m²K) to surrounding air 20°C was assumed.

Benefits with FLUID116

The use of FLUID116 elements in ANSYS® offers a wide range of possibilities within thermal analyses involving channel systems and presents an accurate and “easy to use” alternative to more costly and complex CFD-approaches.

Task

GALACSI is an adaptive optic system housing several wave front sensor cameras, relay optics, electronics and required mechanical systems.
The complete structure is mounted to one of the VLT Telescopes of the Paranal Observatory in Chile.
Flexures of the optical system (mirrors/lenses) due to environmental conditions (gravity, earthquake, temperature changes) may deteriorate the performance of the system significantly.
Aiming to ensure the reliability of the sensitive structure GALACSI's stiffness behavior was determined using ANSYS® Workbench™.

Solution

A finite element model of the support structure based on solid elements was created. Optical components or sub systems were idealized at the position of their optical points using point-masses attached to the respective mounting locations. Third parties' components (e.g. drives) were simplified using their data sheet's stiffness values.
Flexures and eigenfrequencies were calculated for various configurations possible. The optical point displacements and rotations were exported with respect to optical path's alignments.

Benefit for the customer

By means of these results and the customer's sensitivity matrix the image stability of the system has been evaluated by the customer.
Introducing the required optical coordinate systems in the FE environment allows an efficient postprocessing of the system's behaviour.

Aufgabenstellung

Die Berechnung einer Kranstruktur unterteilt sich in 4 voneinander abhängige Einzelberechnungen. Neben einer statischen Berechnung mit mehreren Lastschritten erfolgt eine Einzellastschrittberechnung mit „Pre-Stress”, auf der eine lineare Beulanalyse aufgesetzt wird. Darauf erfolgt eine nichtlineare Berechnung mit Imperfektion, die wiederum aus den Verformungen der Beulanalyse resultiert. Für diesen Prozess muss der Berechnungsingenieur diverse Eingaben in ANSYS® Workbench™ vornehmen und dafür Sorge tragen, dass die Daten von einer Berechnungsumgebung in die nächste ordnungsgemäß und fehlerfrei übertragen werden.

Lösung

Durch die Integration von Assistenten mit den spezifischen Funktionen hat der Berechnungsingenieur nun die Möglichkeit, alle notwendigen Schritte auf einfache Weise durchzuführen. Neben den integrierten Funktionen zur Erstellung der einzelnen Berechnungsumgebungen besitzen die Assistenten auch Prüffunktionen, die die Modellbäume und Benutzereingaben auf Richtigkeit kontrollieren.

Die Assistenten unterteilen sich in 4 Bereiche:

• Einlesen der Belastungen aus einer Microsoft-Excel-Tabelle und Erstellung aller darin definierten Randbedingungen
• Automatische Reduktion der Lastschritte auf einen zuvor definierten einzelnen Lastschritt
• Definition der Beulanalyse mit Datenhandling für die spätere Imperfektion
• Aufbringung der Imperfektion direkt auf das ANSYS® Workbench™-Netz mit Previewfunktion zur Darstellung der verformten Struktur

Nutzen für den Kunden

Durch die Integration der Prozessautomatisierung konnte zum einen die Zeit zur Erstellung der Umgebungen reduziert werden, zum anderen ist eine robuste Möglichkeit geschaffen worden, die Imperfektion direkt auf das ANSYS® Workbench™-Netz aufzubringen und in derselben Umgebung anzuschauen. Desweiteren wurde die Fehleranfälligkeit gegenüber der Erstellung der einzelnen Berechnungsumgebungen per Hand reduziert.

Aufgabenstellung

Für das untersuchte Federgelenk waren die Beanspruchungen in der umgebenen Schale sowie der Kupplung zu ermitteln, die auftreten, wenn sich die Elastomer-Federelemente unter den verschiedenen Belastungsformen auf den Schalen abstützen. Die Betriebsbelastungen erzeugen dabei hohe Scherkräfte, die zu großen Deformationen der Elastomere führen.

Lösung

Berechnungen mit hohen Deformationen stellen bis heute eine Herausforderung für die implizite FE-Simulation dar. Weitere Hürden für die Numerik ergeben sich aus dem nichtlinearem Materialverhalten von Gummi, seine nahezu vollständige Inkompressibilität und den im Modell enthaltenen nichtlinearen Kontakten.

Im vorliegenden Fall lagen von Kundenseite Ergebnisse aus Zug-Druckversuchen des EFGs vor. Diese Daten wurden verwendet um die Parameter für das in der Simulation verwendete Gummistoffgesetz abzugleichen.

Die von ANSYS zur Verfügung gestellten Elementansätze wurden geeignet gewählt, um den hohen Anforderungen an die Numerik, die aus dem nahezu inkompressiblen Materialverhalten des Gummis und den großen Deformationen resultieren, Rechnung zu tragen.

Nutzen für den Kunden

Aufgrund der Berechnungsergebnisse konnte die Schalen- und Kupplungsgeometrie optimiert werden.

Task

In the swiftly growing offshore wind industry, sound emission especially under water is a growing concern. In order to determine the peak sound pressure at certain locations in advance a detailed numerical simulation of the transient driving impact and the related hydroacoustics is necessary.

As an example a large monopole with conical shape (total length 50m, diameters 3m - 4,75m, wall thickness 50mm) was investigated which was installed with the hydraulic MENCK hammer MHU 800S. The impact energy is 820kJ which generates an impact force of 85MN. The final penetra-tion depth of the pile is 20m and the water depth is 22m.

Solution

Using the ANSYS® Workbench™ environment, a flexible dynamics model was set up to assess the underwater noise emission from hammer impact, through the pile and into the surrounding area.

FE model:

• Nonlinear contacts.
• ANSYS acoustic elements simulate water environment.
• Two-way algorithm (strong, matrix coupling) simultaneously calculates the interaction of Fluid & Structure (FSI) for structural displacement and sound pressure values.

Results:

• Axial displacement produces radial bending vibration in the pile. Sound vibration within the pile is responsible for sound emission.
• A snapshot fixed point-in-time to show the sound pressure wave from hammer impact down through to seabed is shown at right.
• Also shown at right are the three simulated microphone signals.

Customer benefit

High noise levels are easily assessed through this simulation. Hence appropriate noise protection systems can be developed such enclosing the pile in a "bubble curtain" or an auxiliary pile with air cambers, treatment of the pile surface or other solutions.

Aufgabenstellung

Für einen Übergangsradius an einem Getriebebauteil soll eine bruchmechanische Bewertung zur Abschätzung der Sprödbruchsicherheit unter Kaltklimabedingungen durchgeführt werden. Als Rissgeometrie wird ein halbelliptischer Oberflächenriss angenommen.
In der Literatur sind analytische Lösungen zu finden. Die begrenzte Geometrievielfalt, für die analytische Lösungen verfügbar sind, mag noch ein hinnehmbarer Nachteil sein, jedoch liefern die analytischen Modelle oft nur Ergebnisse für K_I Mode I-Belastungen.
Eine Vernachlässigung von K_II und K_III kann leicht zu einer signifikanten Fehlbewertung eines Anrisses führen.

Lösung

ANSYS® stellt eine Reihe von Werkzeugen zur Bestimmung von bruchmechanischen Kennwerten zur Verfügung. In die Version 12 wurde ein neues Verfahren integriert, mit dem die Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte in Verbindung mit der ANSYS® Workbench™-Umgebung sehr komfortabel möglich ist.

Im vorliegenden Fall wird zunächst das Bauteil ohne Riss berechnet. Unter Annahme eines kleinen Risses wird in einem zweiten Schritt der hoch beanspruchte Bereich der Übergangsrundung in einem Submodell mit Anriss untersucht. Die Geometrie des Submodells wird dabei parametrisch aufgebaut, so dass leicht unterschiedliche Rissgrößen und Risslagen untersucht werden können.

Als Ergebnis werden die Verläufe der Spannungsintensitätsfaktoren K_I, K_II und K_III ausgegeben.

Nutzen für den Kunden

• Für das vorliegende Problem sind keine analytischen Ansätze für die Mode II und III-Belastung verfügbar.
• Die FEM-Analyse zeigt, dass die Spannungsintensitäten aller Moden in gleicher Größenordnung liegen.
• Der angesetzte Riss kann damit in seiner Wirkung richtig eingeschätzt werden.

Aufgabenstellung

Um den Anwenderbereich für Knieprothesenträger zu erweitern, hat die Firma Streifeneder ortho.production GmbH ein neu entwickeltes, hydraulisches Kniegelenk auf den Markt gebracht. Es ist für Personen bis zu einem Körpergewicht von 150 kg und mit hohem Aktivitätsgrad vorgesehen. Im Unterschied zu bisherigen Entwicklungen handelt es sich hierbei um ein Kniegelenk mit vielgelenkiger Achsenanordnung. Zur Untersuchung des Zeitfestigkeitsverhaltens des Gelenks wurden Prüfstandsversuche mit 3*10⁶ Lastwechseln durchgeführt.

Lösung und Ergebnisse

Um die Verformungs- und Spannungssituation kritischer Bauteile der Knieprothese ermitteln und beurteilen zu können wurden die Versuche mittels FEM Simulationen in der ANSYS® Workbench™ Umgebung nachgebildet. Die Beweglichkeit der einzelnen Bauteile zueinander wurde an den Gelenkpunkten mit Hilfe von nichtlinearen reibungsfreien Kontakten sichergestellt. Die wesentlichen Bauteile des Versuchsprüfstands wurden im FE-Modell idealisiert betrachtet. Kritische Bereiche konnten identifiziert und konkrete Verbesserungen der Struktur aufgrund der Erkenntnisse umgesetzt werden. Die Zahl der notwendigen Prüfstandsversuche konnte reduziert werden.

Aufgabenstellung

Die Firma MATISA Matériel Industriel SA in Crissier ist ein Pionier für die Industrialisierung der mechanischen Gleisbauarbeiten und produziert unter anderem Stopfmaschinen.

Die Belastung der Fahrwerke der Stopfmaschinen unter normgemässen Bruch- und Ermüdungslasten kann sehr gut mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) berechnet werden. Es müssen mehrere Lastfälle und Lastfallkombinationen berücksichtigt werden. Die Auswertung (sogenanntes Postprocessing) von solchen Simulationen kann jedoch sehr aufwändig und zeitintensiv werden. Das Ziel der Aufgabe war diese grosse Datenmengen mit einem automatisierten Prozess zu verarbeiten und einen normgerechten Nachweis zu führen.

Lösung

Es wurden zwei Makros, die den Prozess automatisieren, entwickelt. Nach der FE-Berechnung werden die Simulationsresultate zuerst vom Makro eingelesen und dann die Nachweise für die massgebenden Lastfälle und Kombinationen nach Normen durchgeführt. Als Ergebnisse werden die kritischen Spannungen, Richtungen, die Sicherheitsfaktoren und der kritische Lastfall an jeder Stelle in übersichtlicher Form dargestellt. Zur einfachen Bedienung und Selektion des gewünschten Ergebnisses sind Knöpfe auf der Benutzeroberfläche angeordnet.

Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt automatisiert, einerseits für die Tragsicherheit bei Bruchlasten und andererseits für die Ermüdungssicherheit bei Ermüdungslasten. Der Nachweis erfolgt für Tragsicherheit nach Norm DIN EN 12663 bzw. für Ermüdung nach Norm DV 952.

Nutzen für den Kunden

Mit Hilfe der von CADFEM (Suisse) AG entwickelten Makros kann die Firma MATISA Matériel Industriel SA die Auswertung der Berechnung und die geforderten Nachweise viel schneller und effizienter durchführen.

Task

Capable of labeling 67,500 containers per hour, KRONES Contiroll HS (high speed) wrap-around labeling machine is the trend setter in labeling technology. However in higher output ranges in the labeling technology, PET bottles are subjected to undesirable deformations due to its lower Young's Modulus and much thinner walls compared to glass bottles. For a particular machine speed, information on the deformation behavior early during machine planning will be useful. To obtain this information, the sequence of tasks carried out are

• Top load simulation & verification of empty PET bottle: To obtain reliable empty PET bottle model
• Top load simulation & verification of filled PET bottle: To obtain reliable filled PET bottle model
• Process simulation of filled PET bottle in the high speed labeling machine: To inspect deformation behavior of PET bottle

Solution Method and Result

Quasi-static buckling analysis of empty bottle with the optimized (material, geometry and finite element) parameters set yielded a nice fit of the pre- and post-buckling behavior with the test data. Similarly, close resemblance of the initial slope and buckling load for a filled bottle was achieved by properly accounting for the presence of water & air along with its physics (compressibility, inertia and hydrostatic pressure) in the filled bottle.

As the bottle along with the liquid undergoes two kinds of rotations (with respect to table and with respect to itself) in 803ms in the labeling machine, inertial forces (Centrifugal & Coriolis) were considered with appropriate machine kinematics. Idealization of water with SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) particles was considered for accurately accounting the inertial effects of water. The lateral deformations of the bottle were found to be within the allowable limit for a label to be put in the proper location. Thus feasibility of obtaining accurate information on deformation behavior of a PET bottle in a high speed labeling machine was explored.

Aufgabenstellung

Die Metrohm AG ist ein weltweit führender Hersteller von Präzisionsgeräten für die chemische Analytik und evaluiert CAD-FEM-Systeme, die wichtige Fragen in der Entwicklung der Geräte beantworten sollen.

Das Entwicklungsprojekt soll zeigen, ob die ANSYS-Software für verschiedene Aufgabenstellungen wie z.B. Aufheizzeiten, Halteleistung, Temperaturverteilung im Heizblock, Probenzugabe, Heizasymmetrie etc. geeignet ist.

Lösung

Für eine schnelle und handliche Bearbeitung und Berechnung wurde die Symmetrie des Heizblocks ausgenutzt und ein Viertelmodell für die thermische Simulation erstellt. Bei der FE-Modellerstellung wurden temperaturabhängige Materialeigenschaften und Kontaktwärmeleitfähigkeiten definiert. Strahlung und Konvektion wurden bei den Kontakten ebenfalls berücksichtigt.

Bei der FE-Analyse wurde als erster Schritt eine stationäre, danach z.B. für den Fall Aufheizung eine transiente Analyse durchgeführt. Die Berechnungsresultate konnten stets mit Messergebnissen des im Heizblock integrierten Messfühlers validiert werden.

Nutzen für den Kunden

Dem Kunden konnte aufgezeigt werden, dass CADFEM mit der Software ANSYS® Workbench™ die anforderungsreichen Fragestellungen vollständig und präzis beantworten kann. Zudem wurde dem Kunden nach einer projektbegleitenden Schulung die Möglichkeit gegeben, Parametervariationen durchzuführen und damit das FE-Modell des Heizblocks und die Software selbst zu testen.

Der Kunde hat damit die Gewissheit, dass ANSYS Workbench für die Entwicklung und Optimierung des Heizblocks sehr wertvolle Dienste leisten kann.

Task

A plan sifter is a device where granular media for food industry are separated by oscillating motions. These low-frequency motions raise suspicion to excite large vibration amplitudes in the glass walls or doors of a mill. The task is to identify this potential transfer mechanism by FEM and to take action for vibration reduction.

Solution

A finite element mesh for the room cavity is generated. The three cutouts in the mesh on the right show the idealization of the sifter geometry. First an acoustic modal analysis is performed assuming rigid walls. As a result the 1st resonance frequency is identified together with its mode shape. The typical half wave resonance is approved, as expected, by analytics for this rectangular cavity. So far no amplitude information can be obtained from those results. In order to compute the vibration amplitudes of the large elastic glass windows a harmonic analysis is performed that takes into account fluid-structure interaction at the sifter walls and at the glass windows. ANSYS FLUID30 elements have both pressure and displacement degrees of freedom and thus allow the excitation of the cavity by given sifter motions. The acoustic cavity vibration will then give rise to structural vibrations. As an example a vibration pattern of the glass front (left wall of Fig. 3) is presented in Fig. 4.

Benefit for the customer

• Based on this model the customer can check the influence of different parameters, e.g.
• adding acoustic damping layers to walls,
• adding another room wall to increase the 1st acoustic cavity mode,
• checking for the benefit of shifted excitation phase angles for the three sifters,
• testing the influence of slightly out-of-tune frequencies for the shifter excitation.

This way the physical background of the problem and the sensitive parameters can be identified by a rather simple simulation model and promising measures can be proposed without the need for expensive on-site experiments.

Aufgabenstellung

Kleben und Dichten mit Hilfe der Klebstoffe gewinnt in den letzten Zeiten immer mehr an Bedeutung, insbesondere in der Automobilindustrie. Die Autokarosse von morgen soll möglichst aus vielen geklebten bzw. geklebt-geschweißten Bauteilen bestehen. Die Bestimmung der Materialparameter der Klebstoffe ist eine der wichtigsten Aufgabe für die Wahl des geeigneten Produktes. Zu diesem Zweck führt die Firma Henkel eine Reihe verschiedener statischer (Torsion, Biegung) und dynamischer (crash) Versuche mit geklebt/geschweißten Hutprofilen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Geometrien, Materialien usw. durch. Parallel zu den Versuchen sollten FE-Berechnungen für die Modellkalibrierung mit den bereits vorhandenen Messergebnissen durchgeführt werden. Darüber hinaus sollten die numerischen Berechnungen neue Erkenntnisse für die neu entwickelten Produkte bereitstellen. Aufgrund der hohen Anzahl der Versuche und verwendeten Varianten ist es daher erforderlich die FE-Modelle parametrisiert aufzubauen, zu berechnen und entsprechend auszuwerten.

Lösung

Aufgrund der hochgradig nichtlinearen Materialeigenschaft des Klebstoffs und der durchzuführenden transient dynamischen Berechnungen erfolgten die Simulationen mit dem FEM-Programm LS-DYNA unter der Verwendung eines expliziten Zeitintegrationsverfahrens. Die Berechungen der statischen Lastfälle erfolgten in diesem Sinne als quasistatisch. Um die FE-Berechnung vieler Varianten ohne großen Zeitaufwand zu ermöglichen, war eine Parametrisierung der Geometrie, Materialeigenschaften, Berechnung und Auswertung erforderlich. Mit Hilfe der ANSYS APDL-Programmiersprache wurde hierfür dem Anwender die Möglichkeit zur Verfügung gestellt, mit einem einzigen Eingabe-File sein Modell mit den entsprechend gewünschten Eigenschaften in ANSYS/Classic zu erstellen, die Berechnung mit LS-DYNA durchzuführen und die Ergebnisse mit LS-PREPOST auszuwerten. Für die Realisierung des Klebstoffes wurde das Cohesive-Element in LS-DYNA unter Berücksichtigung des Versagens verwendet.

Aufgabenstellung

Aggregate im Motorraum eines PKW's werden aufgrund der vorliegenden Belastung stark dynamisch angeregt. Um die Betriebsfähigkeit dieser Systeme zu gewährleisten werden diese deshalb vielfach über Gummi-Dämpferelemente möglichst weich an der Fahrzeugkarosserie angebunden. Aus Untersuchungen ist bekannt, dass diese Elemente u.a. ein stark frequenzabhängiges Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten besitzen. Diese Eigenschaften sind dementsprechend in den Schwingungssimulationen zu berücksichtigen.

Lösung

Die Schwingungssimulation kann aufgrund der gegebenen sinusförmigen Testanregung mit Hilfe einer linearen Frequenzganganalyse in ANSYS durchgeführt werden. Die Feder-Dämpfer-Elemente werden über idealisierte Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften in den entsprechenden Raumrichtungen abgebildet. Die frequenzabhängigen Daten, wie Steifigkeit und Verlustfaktor können hierfür vom Kunden aus Bauteilversuchen bereitgestellt werden.
Die Implementierung der gesamten Vorgehensweise in ANSYS-Workbench erfolgte über ein Beispielprojekt, das als Vorlage für weitere Untersuchungen verwendet werden kann.

Nutzen für den Kunden

Der Kunde ist mit dieser Lösung in der Lage, Voruntersuchungen mit dem Ziel eines verbesserten Designs der Komponentenanbindung an die Fahrzeugkarosserie im Vorfeld aufwändiger Prüfstandsversuche durchzuführen. Entwicklungszeiten können damit verkürzt oder die Anzahl der Designvarianten während des Entwicklungsprozesses vervielfacht werden.
Dieses Projekt erfolgte im Zusammenhang mit der Einführung von ANSYS für strukturmechanische FEM-Simulationen beim Kunden. CADFEM konnte hierbei beginnend mit der Bereitstellung von Lizenzen, Einführung in die Software durch entsprechende Schulungen sowie schließlich ein konkretes Anwendungsprojekt aus der Praxis die umfassende Dienstleistung zur Einführung von Simulationssystemen bereitstellen.

Aufgabenstellung

Ziel der rechnerischen Analyse ist die Ermittlung des Druckabfalls von Ansaugleitungen zu verschiedenen Pumpensystemen. Angesaugt wird Öl bei unterschiedlichen Temperaturen von einem Tank. Im Tank herrscht Umgebungsdruck von 1 bar. Um Pumpenkavitation zu vermeiden sind gewisse Mindestdrücke am Eingang der Pumpen erforderlich und deswegen ist der Druckabfall ein entscheidender Parameter für die Konstruktion der Rohrleitungen.

Lösung

Für die beschriebene Aufgabenstellung wurde ein Finite-Volumen-Modell erstellt. Der Fluidraum wurde mit 290000 Knoten und 862000 Zellen vernetzt. Bei einem zäh viskosen Öl ist der Druckabfall größer. Als Randbedingung wurde der gegebene Volumenstrom am Auslass vorgeschrieben. Am Einlass ist der Totaldruck null (relativer Druck). An den Rohrwänden ist die Geschwindigkeit null (no-slip condition) und die hohen Geschwindigkeitsgradienten, die in der Normalrichtung zur Wand auftreten, werden mit entsprechender Netzverfeinerung aufgelöst. Die Berechnung wurde mit dem Programm ANSYS® CFX durchgeführt. Die Strömung ist in diesem Fall laminar und deshalb wurde kein Turbulenzmodell verwendet.

Als Ergebnisse wurde für die verschiedenen Leitungssysteme der Druckabfall zwischen Ein- und Auslass bei Temperaturen zwischen -10° C und 20° C ermittelt. Es konnte festgestellt werden, dass der Druckabfall sehr Temperaturabhängig ist. Bei niedrigen Temperaturen steigt die Viskosität des Öls und damit auch der Druckabfall.

Nutzen für den Kunden

Die Ergebnisse wurden bei der Optimierung der Strömungsverluste vom Kunden benutzt um die Werkzeugkosten in der Konstruktionsphase abzusichern.

Aufgabenstellung

Große Chemieanlagen bestehen oft aus örtlich getrennten Bereichen, in denen einzelne Prozessschritte stattfinden. Die unterschiedlichen Komponenten, wie z.B. Türme, Kessel oder Behälter, sind durch Rohrleitungssysteme miteinander verbunden. Äußere Kräfte, Innendruck oder auch Temperaturdifferenzen sind hierbei übliche Lastarten. Zur Auslegung der unterschiedlichsten Anla-gensysteme werden typischerweise die von der "Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter" (AD) veröffentlichten AD-2000 Merkblätter verwendet.

Im Auftrag der Fa. Chemieanlagenbau Chemnitz GmbH wurde von CADFEM eine Stutzenrohrverbindung an einem Absorberturm in einer Schwefelsäureanlage (siehe Abbildung oben rechts) untersucht und für eine Auswertung nach AD-2000 S4 aufbereitet.

Lösung

Anhand von technischen Zeichnungen wurde die Stutzenrohrverbindung und ein Teilstück des Absorberturms modelliert und ein FE-Schalenmodell erstellt. Die Schweißnähte wurden dabei nicht mitmodelliert. Das "Herausschneiden" aus der Gesamtstruktur erfordert sinnvolle Randbedingungen an den Rändern des Absorberturms. Auf die Struktur wirken Kräfte, Momente und ein konstanter Innendruck.

Es erfolgte eine linear-elastische Analyse der Beanspruchungen, wie es im Merkblatt AD-2000 S4 gefordert wird.

Nutzen für den Kunden

Die Ergebnisse geben einen globalen Überblick über die Gesamtverformungen und Spannungs-verteilung in der Struktur. Eine lokale Auswertung von analytisch schwer oder gar nicht zugänglichen Bereichen (z.B. entlang eines vorgegebenen Pfades) ist möglich. Bei Verwendung von Schalenmodellen können die linearisierten Spannungen über den Querschnitt (Membran- und Biegespannungen) direkt ermittelt werden. Ein anschließender Nachweis der Struktur nach Merkblatt AD-2000 S4 ist aufgrund der Ergebnisaufbereitung direkt möglich.

Aufgabenstellung

Der Einphasenwechselstrommotor der Firma Elektromotorenwerk Grünhain mit schräg verlaufenden Läufernuten wird für verschiedene Verwendungszwecke eingesetzt. Die Marktanforderungen verlangen ein leises Betriebsgeräusch. Durch eine Kopplung von elektromechanischer, strukturdynamischer und akustischer Analyse soll das Geräuschverhalten simuliert werden, um Modifikationsvorschläge zu erarbeiten.

Lösung

Zur Ermittlung der Magnetkräfte wird ein 3DSimulationsmodell mit schrägen Läufernuten erzeugt. In einer transienten Elektromagnetiksimulation wird die Ausbildung des Magnetfeldes in der drehenden Maschine berechnet. Die am Innenradius des Ständers wirkenden magnetischen Wechselkräfte werden zeit- und ortsabhängig gespeichert.

Nach der Transformation der Kräfte in den Frequenzbereich dienen diese als Input für die sich anschließende Frequenzganganalyse und werden dazu auf das strukturdynamische FE-Modell aufgebracht.

Die erhaltenen Oberflächenschwingungen der schallabstrahlenden Gehäuseteile können mittels der Makrobibliothek SBSound für ANSYS ausgegeben werden. Zudem ist der Körperschallpegel über den gesamten Frequenzbereich darstellbar. Mit Hilfe des Akustiktools WAON lässt sich auf Basis der FMBEM (Fast Multipole Boundary Element Method) weiterhin die Luftschallausbreitung auf beliebig weit vom Elektromotor entfernten Netzen darstellen. Somit können räumliche Schalldruckverteilungen oder Schallleistungsfrequenzgänge simuliert werden.

Nutzen für den Kunden

• Ausschöpfen des Geräuschminderungspotentials
• Konkrete Konstruktionsverbesserungsvorschläge
• Optimierung der elektromagnetischen Wechselwirkungen im Motor

Task / Motivation

In ANSYS, the User Programmable Features (UPF) are a very powerful tool for customizing and extending the program behavior. Besides UserFunctions, UserElements and a lot more, the programming of own material models is the most popular application. As an example, the implementation of a model for soft biological tissues is shown on the right side.

Aufgabenstellung

Bruchmechanik befasst sich mit der Beschreibung von gerissenen Strukturen. Dabei sind für den Anwender das Verhalten der geschädigten Bauteile sowie ein eventueller Rissfortschritt von Bedeutung. Adaptive Vernetzung und Remeshing sind bis heute gängige Methoden in der Bruchmechanik um Risse in der Welt der FE abzubilden. Diese Vorgehensweisen sind allerdings teils sehr zeitaufwendig und bis zu einem gewissen Grad fehlerbehaftet.

Lösung

In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene flexible und netzunabhängige Verfahren, zur Abbildung von Diskontinuitäten, entwickelt. Dazu gehören unter anderen die Boundary-Element-Method, die Element-Free-Galerkin-Method sowie die Extended-Finite-Element-Method. Da die XFEM eine Erweiterung der bereits bestehenden FEM ist, wurde in Zusammenarbeit mit der FH-Hannover diese Methode in die Software ANSYS implementiert.
In der XFEM können, durch zusätzliche Freiheitsgrade und spezielle Anreicherungsfunktionen, Diskontinuitäten in Elementen abgebildet werden. Durch ein geeignetes Postprocessing kann der Riss dargestellt und die Rissflanken ausgewertet werden.
Weiterhin lässt sich diese Methode nicht nur auf Risse sondern auf verschiedene Arten von Diskontinuitäten, wie z.B. Materialgrenzflächen, anwenden.

Nutzen für den Kunden

Für ANSYS Anwender ist dies ein schneller und effizienter Weg, gerissene Strukturen abzubilden.
Modelle können nicht nur in kürzester Zeit erstellt, sondern auch realistischer gestaltet werden (Risswachstum).
Durch die Einbindung über die User-Routinen kann die Methode schnell auf spezielle Kundenwünsche angepasst werden.

Aufgabenstellung

In Müllverbrennungsanlagen findet der Verbrennungsvorgang auf Stahlstrukturen (Roste) statt, die zur Förderung des Brennmaterials bzw. der Asche dienen und gleichzeitig einen Schüreffekt erzeugen. Jede zweite Roststufe wird entgegen der Rostneigung auf und ab bewegt. Hierdurch wird das Brennmaterial umgewälzt und gemischt.
Die Roststruktur ist als Schweißkonstruktion ausgeführt und auf Grund seiner Funktion zyklisch und im Verklemmungslastfall auch statisch belastet und muss entsprechend nachgewiesen werden. Der Nachweis wird nach der DIN15018 durchgeführt.

Lösung

Nach der DIN15018 muss der Nachweis der Struktur als Nennspannungsnachweis durchgeführt werden. Zur Ermittlung der am höchsten belasteten Schweißverbindungen wird die gesamte Struktur für alle relevanten Lastfälle gerechnet. Für die nachzuweisenden Verbindungen werden die Schnittlasten aus dem FE-Modell unter Verwendung der in ANSYS dafür bereitgestellten Werkzeuge ermittelt. Die Umrechnung der Schnittlasten in nachweisrelevante Nennspannungen und der Nachweis bzw. die Bewertung erfolgt mit dem Programm MATHCAD. Dies erlaubt gleichzeitig eine übersichtliche und für den Kunden leicht nachvollziehbare Darstellung des Rechenweges und der Ergebnisse.

Nutzen für den Kunden

Die Abbildung der gesamten geschweißten Struktur als FE-Modell ermöglicht einen schnellen Überblick zum Auffinden der höchst belasteten Verbindungen. Durch Abbildung lokaler Kraftflüsse werden die Schweißnahtschnittlasten mit hoher Genauigkeit erfasst. Lokale Konstruktionsvarianten können einfach in das FE-Modell integriert werden. Durch die Standardisierung des DIN15018-Bewertungsschemas in MATHCAD kann die einzelne, lokale Konstruktionsalternative sehr schnell bezüglich zyklischer und statischer Festigkeit beurteilt werden.

Die Aufgabenstellung

Beim Abrollen von Kegelrad und Ausgleichsrad in einem Differential unter Last kommt es zu erheblichen Flächenpressungen auf den Flanken der beteiligten Zähne. Im Rahmen von Weiterentwicklungen dieser Ausgleichsgetriebe ist eine wesentliche Zielstellung, den erforderlichen Bauraum zu verkleinern, um eine höhere Leistungsdichte zu erlangen. Innerhalb des Projektes sollte auf einer geometrisch nicht optimierten Ausgangsgeometrie der Kontaktdruck auf den Zahnflanken während des vollständigen Abrollens eines Zahnes ermittelt werden. Die Kontaktdruckverteilung gibt den Konstrukteuren Hinweise auf Optimierungspotenziale bei der Gestaltung der Zahnflanken und ermöglicht den Vergleich verschiedener Geometrien.

Lösungsweg und Ergebnis

Um das Modell in der Anzahl der Freiheitsgrade zu begrenzen, wurde an einem Ausschnitt mit geeigneten Randbedingungen gerechnet. Für das vollständige Abrollen eines Zahnes, war es erforderlich die Struktur unter Last von der Ausgangskonfiguration ausgehend um 45° weiter zu drehen. Innerhalb der Rechnung wurde zunächst die Steifigkeit des reibungsbehafteten Kontaktes so optimiert, dass die ermittelten Durchdringungen unter einem vorgegebenen Grenzwert von 5 µm lagen. Darüber hinaus muss im Kontaktbereich für eine möglichst gleichmäßige und feine Vernetzung mit Hexaederelementen Sorge getragen werden.

Nutzen für den Kunden

Die ermittelten Ergebnisse bieten die Möglichkeit zur Optimierung zukünftiger Zahnflankengeometrien. Verschiedene Varianten lassen sich direkt miteinander vergleichen.

Aufgabenstellung

Bis zu 100m Arbeitshöhe erreichen die weltweit bekannten STEIGER® der Firma Ruthmann GmbH & Co. KG. Die Profilquerschnitte solcher Teleskop-Bühnen stellen dabei in der Regel eine Kombination aus Kasten- und Rundprofilen mit veränderlichen Wanddicken dar. Aufgrund der Abmessungen und der Belastungen spielt in der Traglastberechnung dieser Konstruktionen das Beulverhalten eine wesentliche Rolle. Da jedoch die Profile nur schwer auf geometrisch eindeutige Formen wie die Kreiszylinderschale zurückführbar sind, ist eine analytische Lösung nur bedingt möglich.
Zudem gilt es in der Auslegung solcher Geräte mehrere Lastfälle und Lastkombinationen zu berücksichtigen.

Lösung

Bei der Traglastberechnung dünnwandiger Strukturen ist die Wahl einer geeigneten Imperfektion ein wichtiger Punkt in der Berechnung. Für die Bestimmung einer geeigneten Imperfektion wird im Allgemeinen eine vorgespannte lineare Beulanalyse vor der eigentlichen Traglastberechnung durchgeführt. Die berechnete erste Beulform der linearen Beulanalyse wird dann skaliert als Imperfektion auf das System aufgebracht und die Traglastberechnung durchgeführt. Die Untersuchungen sind in Teilsegmente der Gesamtstruktur aufgeteilt, wobei sich die aufgebrachten Lasten aus den Schnittlasten des Gesamtsystems ergeben. In der Traglastberechnung wird neben der geometrischen Nichtlinearität, auch das nicht-lineare Materialverhalten und der nichtlineare Kontakt berücksichtigt.

Nutzen für den Kunden

Mit der FE-Analyse konnten die analytischen Nachweisverfahren für mehrere Lastfälle abgesichert und Geometrievarianten untersucht werden.

Task

The driving mechanism of an automotive device respectively the driving moment has to be designed such that vibration amplitudes of 5g are achieved. An electric motor gives a short moment impulse (blue arrow on the top figure) to an eccentric. The rotation is transformed into a translational motion by an elastic beam and the vibrating device is suspended to ground by a spring-damper mechanism. After switching off the moment the free vibration amplitude shall be 5g at the beginning.

Solution

The vibration behavior is dominated by the coil spring. The elastic modes of the device itself are assumed to be considerably higher. For that reason a rigid transient analysis for the multibody system (MBS) is set up in ANSYS (see feature tree in the figure). After importing the CAD model to ANSYS DesignModeler rigid assemblies are grouped together and rigid parts are connected via joints. Different kind of joint elements (spherical, translational, universal, …) can be configured by imposing appropriate kinematic constraints on any, or some, of the six relative degrees of freedom of two components. After loading the revolute joint of the eccentric by a transient moment signal (blue curve) the desired acceleration response of the device can be computed (red curve).
Modeling a part's flexibility can be moderately important, or it can be critically important. In this case the long slender driving beam was suspected of having some impact on the final result. Within the same GUI ANSYS allows switching between rigid and flexible bodies. In this case the beam has been tagged to be flexible resulting in a FE meshed part (see top figure). A modal analysis gives the first desired mode of the vibrating spring-mass system at 60Hz followed by the first elastic beam mode at 800Hz (bottom figure). This large frequency gap is a first indicator that the assumption of neglecting flexibility for the rigid transient solution has been qualified. Running a flexible transient analysis within ANSYS gives a final confirmation because the displacement results are almost identical compared to the rigid case.

Conclusion

A complex assembly can be efficiently investigated due to the option of having both rigid and flexible multibody dynamics within a unique, comfortable GUI of ANSYS workbench.

Task

Modern engine development needs to combine economical aspects with high technological standards. Aiming for consistent life durability, while achieving a more efficient design, weight reduction directly increases the economical efficiency in engine development. Durability analyses based on static and cyclic stresses considering the combustion cycle and its thermo-mechanical influence on the durability as well as static loads resulting from press fittings or pretension are performed to ensure the endurance strength of the engine.

Finite Element Analyses determine reliable thermo-mechanical stresses due to the compression process of the airfuel mixture, combustion, exhaust outlet and the air fuel mixture inlet. Here the analysis considers the engine's cooling process in combination with the combustion cycle as well as the thermal interaction between fluid and structure within the cylinder head.

Solution

A CFD analysis by ANSYS CFX covering the cooling and combustion process determines the thermal behavior within the engine and provides the basis used for a subsequent stress analysis. This mechanical analysis implies several load cases describing the combustion cycle as well as temperature dependent material properties and nonlinear contacts in a comprehensive finite element model (3,200,000 nodes and 60 nonlinear contact regions). Thermo-mechanical stresses within critical regions of the engine are determined for a subsequent durability analysis in a non-linear ANSYS FE simulation. Further results focus on the contact behavior and the deformation of specific parts and the entire model. The complex analysis of the engine behavior provides information about the contact pressure and possible gaps occurring within the combustion cycle. This information is used to rule out undesired effects on the thermo-mechanical behavior of the engine and its several parts already in the design phase.

Die Aufgabenstellung

Für die Entwicklung von Wellschläuchen ist das Verformungsverhalten unter mechanischer Belastung von entscheidender Bedeutung. Durch einfache praktische Versuche, z.B. Druckversuche oder Längenänderungsversuche, lässt sich das Steifigkeitsverhalten bezüglich typischer Belastungsszenarien leicht untersuchen. Mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) können bereits im Vorfeld der Prototypenfertigung Schwachstellen der Konstruktion identifiziert werden. Im Auftrag der Fa. Schlemmer GmbH wurden von CADFEM die Möglichkeiten des FEM-Softwaresystems ANSYS für die Wellschlauchentwicklung dargestellt.

Lösung

Aufbauend auf vom Kunden vorgegebenen CAD-Teilmodellen wurde ein symmetrisches FEM-Modell aufgebaut. Mit Hilfe gemessener elastisch-plastischer Materialkurven war es auch möglich das Materialverhalten über den linearen Bereich hinaus abzubilden. Die Umsetzung einiger typischer Testszenarios ist in den nebenstehenden Abbildungen dargestellt. Das vorliegende nichtlineare Materialverhalten und die zu erwartenden relativ großen Verformungen erforderten eine nichtlineare Berechnung. Ein Beulen des Wellschlauchs konnte damit ebenfalls simuliert werden.

Nutzen für den Kunden

Das Verhalten der Wellschläuche konnte gut abgebildet werden, zeigt jedoch eine gewisse Sensitivität bzgl. der Materialparameter und Meßbedingungen. Mit Hilfe parametrisierter Variantenstudien können die erzielten Ergebnisse wertvolle Aufschlüsse für eine kontinuierliche Optimierung des Wellschlauchdesigns liefern.

Task

Optical instruments for astronomic observations are required to be very accurate and stiff, in an unfriendly environment (thermal variations, earthquakes …). Typical optical sensors are very sensitive to possible deformations of their mechanical support structures. The structure under investigation has been the support of the GRAAL adaptive optics system for the cryogenic wide-field imager HAWK-I on ESO's VLT (Very Large Telescope).

Solution

The stiffness behavior has been analyzed with respect to different load scenarios. Both gravitational loads and thermal deflection due to different thermal expansion have been of interest.
The structural finite element model has been prepared by means of ANSYS Workbench. Thin plate like parts could be meshed with solid like shell elements in order to get an accurate stiffness behavior with reduced modeling effort. Many attached subsystems like sensor systems could be idealized by means of single mass points. The complicated bearing systems have been idealized in different ways. Depending on the size of it the degree of idealization is different. Small compact bearings have been idealized by just a spring connection with corresponding stiffness whereas large roller bearings are considered in a more detailed manner.

Results

The deflection of the structure at different sensor position points showed the quality of the design with respect to their global stiffness.

Aufgabenstellung

Die zu analysierende Bajonettverbindung ist Bestandteil der Spannvorrichtung einer im 24 h Betrieb eingesetzten Werkzeugmaschine. Durch die Spannvorrichtung wird die Bajonettverbindung alle 80 Sekunden axial gespannt, so dass sie an einem Tag 1080 Lastzyklen durchläuft.
Ziel der rechnerischen Analyse ist der Nachweis der Dauerfestigkeit unter Anwendung der FKM-Richtlinie "Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile".

Lösung

Für die Nachweisführung nach der FKM-Richtlinie werden die lokalen Spannungen und Spannungsgradienten an den maßgebenden Stellen der Bajonettverbindung mittels einer linear-elastischen FE-Analyse bestimmt, wobei diese nachzuweisenden Bereiche entsprechend fein aufgelöst werden.
Der Nachweis der Dauerfestigkeit wird mit dem Programm RifestPlus auf Basis der lokalen Spannungen durchgeführt.

Nutzen für den Kunden

Die Kombination FE-Analyse und FKM-Richtlinie erlaubt eine sichere und dauerfeste Auslegung der Bajonettverbindung.

Die Aufgabenstellung

Die Einpresstechnik ist eine spezielle Verbindungstechnik für elektronische Leiterplatten, um lötfrei elektrische Verbindungen herzustellen. Hierzu muss ein Einpressstift in das metallisierte Loch (Durchkontaktierung) einer Leiterplatte gepresst werden. Das wesentliche Merkmal ist dabei, dass die Diagonale des Stiftquerschnitts größer ist als der Durchmesser des Lochs in der Leiterplatte. Zu Ermitteln war die Dehnungsverteilung in einer Leiterplatte, die sich nach dem Einpressen von Erni Kontakten ausbildet. Die berechnete Dehnungsverteilung ermöglicht dem Designer, die elektronischen Bauteile optimal auf der Leiterplatte zu positionieren. Durch die Ergebnisse der rechnerischen Simulation kann gewährleistet werden, dass die empfindlichen Bauelemente beim Einpressvorgang keinen Schaden nehmen.

Lösungsweg und Ergebnis

Da es sich um einen komplizierten rechenintensiven Vorgang handelt, wurde für den Erni Kontakt zunächst an einem Halbmodell gerechnet. Innerhalb dieser Rechnung wurde der Reibwert zwischen der Durchkontaktierung so optimiert, dass die benötigte Einpresskraft möglichst gut mit dem Ergebnis aus dem Versuch übereinstimmt. Die Leiterplatte wird mit einem linear-elastischen Materialverhalten gerechnet. Die Kontaktierung und der Erni-Kontakt werden mit einem elastoplastischen Materialverhalten berechnet. Nach der Vorstudie am Halbmodell wurden die Parameter auf das Gesamtmodell übertragen und das Gesamtsystem berechnet.

Die Aufgabenstellung

Im Gegensatz zur klassischen Metallplastizität, die ausschließlich bei gestaltändernder Verformung auftritt, ist das plastische Materialverhalten von Epoxy-Klebstoffen auch abhängig vom hydrostatischen Spannungsszustand. Kombinierte Zug-/Torsionexperimente an stumpfgeklebten Rohrproben mit dem Klebstoff Betamate 1496 wurden im Rahmen eines AIF Forschungsprojektes am IFW der Universität Kassel durchgeführt.

Ziel war es, das in konventionellen FE-Paketen nicht verfügbare Materialgesetz, in ANSYS zu realisieren.

Lösungsweg und Ergebnis

Über die Benutzer Schnittstelle USERMAT wurde das Materialgesetz in ANSYS implementiert.

Aufgabenstellung

Die zu analysierende Struktur ist Bestandteil eines Wärmetauschers. Es handelt sich um die Endkappe eines Cu-Rohres, die durch Löten mit dem Rohr verbunden ist.
Ziel der rechnerischen Analyse ist der Festigkeitsnachweis in Bezug auf statischen Druck unter Anwendung von AD-Merkblatt AD2000-S4.
Die Struktur soll außerdem zur Validierung mit dem Traglastverfahren nach DIN EN 13445 bewertet werden.

Festigkeitsnachweis nach AD2000-S4

Für den rechnerischen Nachweis müssen die Beanspruchungsgrenzwerte nach AD2000-S4 eingehalten werden: Pm + Pb < 1,5 f
Für gelötete Bauteile aus Cu-DHP ergibt sich die zulässi-ge Spannung nach AD2000-W6.
Die Berechnung erfolgt am axialsymmetrischen 2D-Modell mit einem linear-elastischen Materialmodell unter Auswertung der Biege- und Membranspannungen über dem Querschnitt.

Traglastanalyse nach DIN EN 13445

Für die Berechnung wurde ein ausreichend großer Druck schrittweise bis zum Erreichen der Traglastgrenze aufgebracht. Als Abbruchkriterium wurde Überschreiten der plastischen Dehnung von 5% definiert. Es zeigt sich, dass nicht die Rohrkappe sondern das Rohr zuerst versagt.

Task

The Atacama Large Millimeter Array (ALMA), located in the Atacama Desert in northern Chile, is an astronomical interferometer, which consists of 66 single radio-telescopes ("antenna") of 12 m and 7 m diameter. The antenna foundation base plates are embedded in concrete. The antenna itself is mounted on the three base plates by ridges, consisting of a flat lower part and a half-cylindrical upper part. The antenna feet have a recess to rest on the ridges. The assembly is kept together by M52 bolts. There are high tolerances of planarity in all contact areas between the parts. Given the number of foundations to be realized (more than 200 antenna stations), these tolerances should be relaxed to reduce manufacturing costs. Therefore the influence of the tolerance of planarity on the stiffness of the antenna foundation has to be investigated.
To simulate inaccuracies caused by manufacturing, convex and concave deformations of these contact areas are generated by moving the x-coordinate of the surface nodes according to a sine function with respect to the z-coordinate.

Solution method

Nonlinear contact analyses with very high resolution of contact stiffness (penetration) have been performed. The contact penetration had to be an order of magnitude below the tolerance of planarity of 20 µm (typical edge length: about 300 mm). The bolt loads and the antenna mass have been applied to the model. A linear-elastic material model with small deformations has been assumed for this analysis.

Three different solution models had to be compared:

• the unmodified geometry without manufacturing tolerances,
• the model with concave modifications of the contact areas
• and the model with convex modifications of the contact areas.

Results and Conclusions

The deformation of the structure is dominated by the applied bolt pretension. The stiffness during that first load step is different for all three models. But as soon as the contact regions are closed, the stiffness of the structure is the same for all three model variants. Therefore the influence of the tolerance of planarity on the stiffness of the antenna foundation is negligible for the manufacturing tolerances investigated.

Die Aufgabenstellung

Die kathodische Tauchlackierung (KTL) ist ein elektrochemisches Lackierverfahren, das in der Automobilindustrie verwendet wird. Nach dem Lackieren muss der Lack in einem Trocknerofen aushärten. Dieses Aushärten wird auch häufig mit einer Wärmebehandlung der Karosseriebleche verbunden. Die Software VirtualPaintShop (VPS) ermöglicht die Simulation verschiedener Prozessschritte des Fahrzeuglackierens, z.B. die Simulation der Lacktrocknung mittels des Moduls VPS/DRY. Es muss hierbei sichergestellt werden, dass für jeden einzelnen Fahrzeugtyp, der durch den Trocknerofen läuft, die Qualitätskriterien erfüllt sind. Diese sind gekennzeichnet durch die optimalen Temperatur-Zeit-Fenster für Lackaushärtung, Kleberaushärtung und Bake Hardening. Weiterhin ist der thermische Verzug der einzelnen Komponenten der Fahrzeugkarossen während des Lacktrocknens von Interesse.

Lösung mit VPS/DRY

Das Simulationsmodell für VPS/DRY besteht aus einem Fahrzeugmodell und einem Ofenmodell. Das Fahrzeugmodell wird im Allgemeinen aus einem vorhandenen Fahrzeugmodell, z.B. einem Crash-Modell übernommen. Der Ofen wird durch Zonen beschrieben, die sich in Ausstattung und Temperatur voneinander unterscheiden. Ausstattungsmerkmale sind etwa Düsen, beheizte Ofenwände, oder Ventilatoren. Berücksichtigt werden sowohl Konvektion als auch Strahlung.
Komplette Fahrzeugkarosserien mit allen innen liegenden Blechen stellen für diese Simulationsaufgabe sehr komplexe Strukturen dar. Die komplette Modellierung und direkte Lösung sämtlicher beteiligter physikalischer Phänomene inkl. der entsprechenden Randbedingungen würde deshalb zu unverhältnismäßig hohem Aufwand in Bezug auf Modellerstellung und Simulationszeit führen. Mittels VPS/DRY ist diese Aufgabe wirtschaftlich sowie innerhalb kurzer Antwortzeiten zu lösen. Erreicht wird dies durch spezielle Algorithmen, die Form, Lage und Temperatur der gesamten Karosserieoberfläche einbeziehen.

Nutzen für den Kunden

• Frühzeitige Bewertung der lackiergerechten Konstruktion während der Karosserieentwicklung.
• Möglichkeit der virtuellen Prozessoptimierung in der Fertigung.

Task

Self-excited friction induced oscillations occur in different engineering applications. Prominent examples are annoying noise problems like squealing breaks, squealing railway wheels or squeaking door hinges. Moreover, the same mechanism may even lead to functional failure due to the inherent instability of the vibrations. For instance an electric sliding contact (Fig. 1) must rely on a steady sliding contact state without vibration instabilities. That means the steady sliding state has to be stable with respect to small perturbations for the given set of friction parameters.

Solution by means of ANSYS

After having solved the initial stationary friction state in a nonlinear static contact analysis, some of the most important friction instability phenomena have been investigated:

• mode coupling instability: two originally separated modes coincide with increasing friction, exchanging energy so that one mode is damped and the other is excited. This is done by means of a complex modal analysis accounting for the unsymmetric stiffness matrix.
• stick-slip effect: an alternation of sticking and sliding phases leads to typical saw-tooth response (Fig. 2). A nonlinear transient analysis with adequate contact settings and a proper time step strategy is required.
• Negative damping for some modes due to the decreasing velocity dependent friction law (Fig. 4). A nonlinear transient analysis yields increasing harmonic response (Fig. 3).

Description of the performed task

The so called drop test is one of the most severe load cases for testing the structural integrity of electronic handheld structures. Typical failure modes can be:

• Loss of connection between plastic cover parts
• Cracks within the plastic cover parts
• Damage within electronic parts at the PCB
• Failure at the solder joints between electronic parts and PCB

The simulation of such a test scenario by means of FEM is widely accepted and established in industry. LS-DYNA and ANSYS are approved software packages for simulations in this field. Typically different mathematical algorithms for the transient solution of an impact loading are implemented in those codes. Normally highly transient analyses are solved efficiently by explicit codes like LS-DYNA. However, due to the time step criterion and the related mesh size requirements for explicit methods, ANSYS as an implicit code is necessary to resolve local stress fields.

The typical failure modes shown above can be classified into different scales - the macro scale considering global structural parts and the micro scale with possible failure mechanisms within the electronic parts. Because of the different constraints for the different integration methods it isn't either reasonable to use a pure explicit nor to use a pure implicit solver to calculate the structural response both for the global model and the very detailed electronic components. The solution of this contradiction is a combination of both the explicit method for simulation of the global structure with a very coarse description of the critical parts and the implicit method for simulation of a submodel with the specific components. In this case the load time histories of the global analysis are used simply as the boundary condition for the submodel.

This coupling allows the combination of the advantages of explicit and implicit time integration without caring about non convergence or too small time steps. Short simulation times and very detailed results for further assessment of the structure are possible.

Simulation Task

Unfortunately it is common for consumer products to be subjected to mechanical shock loading, particularly those ones associated with being dropped during transportation or delivery. The ability to withstand such loading situation is crucial for the design of a successful product like those of Bosch-Siemens-Hausgeräte. In that view, a properly designed package can mitigate the potentially damaging vibration input, filtering its effects from the product protected within. In order to pack and seal goods, foam based materials are typically used in addition with plastic shrink wrap in many industries. In the design of a successful product it is not only important to know how the design of components is affecting the packaging system but also vice versa. Pre-stressing due to the plastic shrink wrap (thermal shrinkage) is also very important and has to be taken into account before a numerical drop test is done.

Solution Method and Result

The present work deals with the numerical simulation of a drop test of a cooker including packaging foam and plastic foil wrapping. Additionally the pre-stressing of cooker and packaging due to thermal shrinkage of the plastic foil has been taken into account in the numerical investigation. For this, a thermal pre-stressing simulation of the plastic wrapping has been included before the actual drop test of the whole assembly has been conducted. The permanent deformations of the cooker nearby the impacted edge as well as the deformation of package foam in the vicinity of the impacted edge were the primary areas of interest and compared with experimental data. LS-DYNA was used to perform the drop test simulation of the cooker as well as the thermal pre-stress simulation of the plastic wrapping. The simulation results are in good agreement with the experimental drop test results. The foundation for an optimized procedure for product/package design has been achieved.

Task

A seismic analysis is frequently required for large buildings or other tall structures particularly at locations in seismic active regions. For that purpose FE analysis is applied to proof the integrity of the structure during an earthquake. Here, the 12m ALMA (Atacama Large Millimeter Array) telescope (Fig. 1) has been analyzed.

Solution by means of ANSYS

A response spectrum for the given earthquake location is defined e.g. by government authorities (Fig. 2). Now, the analyst's task is to do a modal analysis first to get the eigenfrequencies and mode shapes of the structure. After that the mode shapes are scaled according to the given response spectrum. A mode combination method like SRSS or CQC is applied to get the final result, for instance in terms of maximum displacement (Fig. 3). This way a response spectrum analysis does not compute the whole transient time history of the earthquake excitation. Rather it is a simplified method to get the maximum response. Large models with more some million degrees of freedom can be analyzed this way. A special filtering technique may be used in order to suppress negligible modes. Usually a certain percentage of the overall structural mass is required to participate in oscillation. For that purpose modal participation factors and modal effective mass output from ANSYS may be used.

The task

Imagine the sunrise at the foothills of Chile's Andes mountains. The wind blows slowly through the dry Atacama desert…
This scenario isn't based on the fantasy of a lonely adventurer but the given thermal load case for the design of one of the telescopes of the ALMA (Atacama Large Millimeter Array) project. In corporation with VERTEX Antennentechnik GmbH a complex thermal analysis has been performed by CADFEM Consulting.

Due to the given specifications the antenna had to be analyzed considering sun radiation, outgoing radiation and of course the convective heat transfer to the environment. Taking into account the heat transfer effects

• heat conduction
• heat convection
• heat radiation

it was possible to determine the temperature field of the antenna. Both steady state and transient analysis gives valuable information about the resulting thermal loads to the structure. Special care had to be taken into account for the laminated CFRP structure. By idealization of the CFRP material properties many simplifications could be done. As a special challenge the thermal analysis of the convective heat transfer part to the environment has been combined with a CFD analysis. Therefore also the wind influence onto the temperature field of the antenna has been computed.
The resulting temperature field can be used for subsequent structural analyses to determine thermal deformation or critical thermal stress zones.

Die Aufgabenstellung

Ein elektrischer 2-MW-Schiffsantrieb der Schottel GmbH in Spay wird in einem Forschungsschiff eingesetzt, welches Unterwasser-Messungen durchführt. Zur ungestörten Funktion der Sensoren darf die Drehstrom-Asynchronmaschine ihre Umgebung nur mit einem begrenzten Schallpegel "verunreinigen". Eine gekoppelte elektromechanisch-akustische FE-Simulation mit ANSYS/Multiphysics soll die von der Maschine abgestrahlten Frequenzen und ihre konkreten Ursachen ermitteln.

Lösungsweg

Da es sich um einen langgestreckten Maschinenkörper handelt, wird eine Sektion eines 2D-Schnittes modelliert.
Zunächst wird in einer transienten Elektromagnetik-Simulation die Ausbildung des Magnetfeldes in der drehenden Maschine berechnet. Die stationären Induktionsströme in den Kurzschlussstäben des Läufers ergeben sich dabei erst nach Simulation eines Einschwingvorganges. Ist der Einschwingvorgang abgeschlossen, werden die am Innenradius des Ständers wirkenden magnetischen Wechselkräfte zeit- und ortsabhängig gespeichert. Entsprechend dem Abtast-Theorem ist die Zeitschrittweite abhängig von der höchsten zu ermittelnden Spektrallinie zu wählen. Außerdem wird die Simulation mit zwei verschiedenen Teilungen des FE-Netzes durchgeführt, um später vernetzungsbedingte Frequenzen eindeutig von solchen mit echter physikalischer Ursache trennen zu können.
Anschließend werden die gespeicherten Erregerkraftverläufe in ein mechanisch-akustisches Modell eingespeist und die Schalldruckschwingungen in beliebigem Abstand zur Maschine aufgezeichnet. Eine Fourieranalyse des transienten Signals liefert die spektralen Anteile. Diese lassen sich ihren Ursachen (Wechselfelder, Drehzahl, Schlupf, Nutteilun-gen, FE-Teilung etc.) eindeutig zuordnen.

Die Aufgabenstellung

Die Schottel GmbH in Spay liefert u.a. Schiffsantriebe auf Basis von Drehstrom-Asynchronmaschinen im Leistungsbereich 2...5 MW. In solchen Maschinen wird Verlustwärme sowohl durch die Bestromung der Ständerwicklungen als auch durch induzierte Ströme in den Kurzschlussstäben des Läufers generiert. Ummagnetisierungsverluste tragen ebenfalls zur Aufheizung bei. Die Kühlung erfolgt durch das umgebende Meerwasser über das Bronzegehäuse sowie die durchströmte Bronze-Hohlwelle. Außerdem wird Kühlluft in die Wickelkopfräume und durch Luftkanäle in Ständer- und Läuferblechpaketen gedrückt. Eine FE-Simulation soll die zeitabhängige Erwärmung und die erreichten Temperaturen an kritischen Stellen liefern.

2D transiente EMAG-Simulation

Die Bestimmung der Wärmegeneration in den Ständerwicklungen ist über die gegebenen Phasenströme und den ohmschen Widerstand relativ einfach. Die Stromdichteverteilung in den Kurzschlussstäben des Läufers ergibt sich jedoch durch elektromagnetische Induktion. Durch eine 2D-Elektromagnetik-Simulation mit ANSYS/Multiphysics werden aus dem Ständer-Drehfeld und den vorgegebenen Drehzahl- bzw. Schlupfwerten die Strom- und Flussdichteamplituden sowie dadurch verursachte Wärmegenerationsraten berechnet. Aufgrund des Prinzips der   Asynchronmaschine muss ein vollständiger transienter Einschwingvorgang berechnet werden, bevor die stationären Werte extrahiert werden können. Dazu sind viele Zeitschritte erforderlich. Es zeigt sich, dass die konkrete Form der Blechschnitte einen erheblichen Einfluss auf die Ausprägung der Stromdichteverteilung besitzt.

3D transiente thermische Simulation

Die gemittelten Wärmegenerationsraten aus der    EMAG-Simulation werden nun in ein 3D thermisches FE-Modell übertragen. Darin sind auch die Wickelköpfe sowie die Kurzschlussringe im Detail ausgeführt. Thermische Übergangsstellen zwischen den Komponenten sind als Kontakte modelliert. Konvektion und Wärmetransport werden mit Hilfe von SURFACE- und PIPE-Elementen über Kennzahlen dargestellt. Die Simulation liefert schließlich das zeitabhängige Erwärmungsverhalten des gesamten Maschinenkörpers.

Die Aufgabenstellung

Am Triebwerk der Ariane 5 Rakete ist eine Verbindung des Düsenmantels zu schweißen. Die Naht verbindet galvanisiertes Nickel mit Incoloy mit einer Elektronenstrahl-Naht. Die Naht ist radial umlaufend. Anfangs- und Endbereiche der Naht überschneiden sich. In diesem Überschneidungsbereich sind metallurgische Eigenschaften zu berechnen und die Durchschweißung der Wurzel zu simulieren. Außerdem sollen Prozessvarianten untersucht werden.

Lösungsweg und Ergebnis

Das FEM-Modell wurde für den Sektor mit dem Anfangs- und Endbereich der Naht erstellt. Als erster Berechnungsschritt wurde eine transiente Temperaturfeldberechnung durchgeführt, wobei der Elektronenstrahl durch eine Ersatzwärmequelle abgebildet wurde. Daran anschließend wurde eine mechanische Spannungsanalyse mit plastischem Materialverhalten berechnet. Am Schweißspalt wurde die Verbindung der Nahtufer über eine temperaturabhängige Verbindung idealisiert. Für den Anwender wurden Erläuterungen erstellt, damit Varianten der Prozessführung in Eigenregie untersucht werden können.

Die Aufgabenstellung

Welle und Zahnrad eines Stirnradgetriebes sind mittels eines Querpressverbandes durch Reibschluss verbunden. Die DIN 7190 gibt wertvolle Hinweise zur Gestaltung und Auslegung derartiger Pressverbände, allerdings werden vereinfachte geometrische Verhältnisse für die analytische Berechnung vorausgesetzt. Mittels FEM soll der realen Geometrie der Nabe (Zahnrad) und den komplexen Pressungsverhältnissen Rechnung getragen werden. Ferner ist die Kerbbeanspruchung in den Wellenabsätzen detailliert zu berechnen und mittels FKM-Richtlinie hinsichtlich Festigkeit statisch und dauerfest zu bewerten.

Lösung

• Der durch die DIN 7190 vorgezeichnete Weg der Nachweisführung stellt die Ausgangsbasis für die  Wahl der Lastfälle und Analyseparameter für die FE-Analyse dar. Folgende Szenarien wurden analysiert:
• Festigkeitsnachweis (statisch und dauerfest) für die Welle: Einsatz der Submodel-Technik in AN-SYS um quasi mit "Lupenfunktion" an einem verfeinerten Netzausschnitt die Kerbspannungsdetails für die FKM-Bewertung genau erfassen zu können.
• Erforderliche Abkühlung bzw. Erwärmung von Welle bzw. Nabe für die Erreichung des notwendigen Fügespiels bei der Montage.
• Berechnung des Pressverbands: besonderes Augenmerk ist hierbei auf die möglichst genaue Berechnung der nichtlinearen Kontaktverhältnisse in der Fuge zu legen. Bevorzugte ANSYS-Option für diesen Zweck ist der sog. Pure-Lagrange-Kontakt, der den Pressdruck in der Fuge äußerst präzise erfasst. Das sich aus der Passung ergebende minimale Übermaß sowie die Rauhigkeit und der Haftbeiwert der Reibpaarung bestimmen die Höhe dieser Druckverteilung. Daraus ergibt sich das maximal übertragbare Drehmoment.

Nutzen für den Kunden

Die geeignete Kombination von FE-Analyse und Regelwerk erlaubt die sichere Auslegung und Nachweis-führung für Wellen und Pressverbände. Neben der rein elastischen Auslegung erlaubt die DIN 7190 auch eine begrenzte Plastifizierung des Nabenquerschnitts, die mittels nichtlinearer FE-Analyse quantifizierbar ist.

Die Aufgabenstellung

Axialströmungsturbolader der untersuchten Größenordnung werden heute in großen Schiffs- und Kraftwerksdieseln eingesetzt. Der Wirkungsgrad eines solchen Turboladers hängt unter anderem vom Verformungsverhalten des Gehäuses im Bereich des Verdichter- und des Turbinenlaufrades, speziell der Spaltgröße zwischen Außenradius der Läufer und Gehäuseinnenkontur ab. Bei Neukonstruktionen ist oft die Material- bzw. Gewichtseinsparung ein entscheidender Bewertungsfaktor. Vor dem Probelauf des ersten Prototyp steht daher die rechnerische Simulation des Verformungsverhaltens der entsprechenden Konstruktionsvarianten. Die Belastungen solcher Gehäusestrukturen sind durch thermisch induzierte Spannungen und Dehnungen dominiert. Vor der statischen Analyse ist daher eine thermische Analyse notwendig.
Die Abgasverdichter sind meist auf den Motorgehäusen montiert. Um das dynamische Gehäuseverhalten, angeregt durch die Motorschwingungen, zu beurteilen, wird die Simulation durch eine Modalanalyse vervollständigt.

Lösungsweg und Ergebnis

Das Gesamtmodell wird aus Einzelmodellen zusammengesetzt. Diese werden innerhalb des CAD-Systems für die FE-Analyse vereinfacht. Der Zusammenbau wird über linearen Kontakt realisiert. Die aus der thermischen Analyse ermittelten Temperaturverteilungen werden als Belastungen für die lineare statische Analyse verwendet. Die Eigenformen des gesamten Modells werden durch eine Modalanalyse ermittelt. Weiterführende Analysen, wie Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, werden an Submodellen mit entsprechender Kerbauflösung zur Ermittlung lokaler Spannungen und Spannungsgradienten durchgeführt.

Die Aufgabenstellung

Kommt in einer Struktur eine sehr große Anzahl von Schweißnähten vor, so hat deren rationelle Herstellbarkeit einen signifikanten Einfluss auf die Form. Darüber hinaus führen strukturmechanische Überlegungen mitunter zu Schweißnahtformen die nicht in den üblichen Kerbfallkatalogen enthalten sind. Diese lassen sich nicht direkt mit dem Nennspannungskonzept, z. B. nach DIN15018 (Kranbau-DIN), nachweisen. Stahlstrukturen von Achterbahnen müssen aber nach DIN15018 nachgewiesen werden. Es ergibt sich daher die Notwendigkeit, ein Verfahren zur Einordnung nicht katalogisierter Schweißnahtformen in den Kerbfallkatalog der DIN15018 zu entwickeln.

Lösungsweg und Ergebnis

• Ermittlung des Lastverhältnisses für die betreffende Schweißnaht im FE-Modell des Fahrweges bei Überfahrt der Verbindung. Daraus ergeben sich die kerbfallabhängigen Grenzspannungen aus DIN15018
• Berechnung der zur FAT225 (Kerbspannung im 1mm Radius) gehörigen Nennspannung im R1MS-Modell eines exemplarischen Schweißstoßes.
• Vergleich der im R1MS-Modell ermittelten Nennspannung mit den DIN15018-Nennspannungen der entsprechenden Kerbfallklassen

Die Aufgabenstellung

Betriebsfestigkeits- und Dauerfestigkeitsanalysen sind inzwischen fester Bestandteil rechnerischer Nachweise im maschinen- und fahrzeugbaulichen Bereich. Die modernste und auch am weitesten verbreitete Richtlinie ist die FKM- (Fachkuratorium Maschinenbau) Richtlinie, herausgegeben unter Federführung der IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH in Dresden. Die Vielseitigkeit der FKM-Richtlinie besteht darin, dass stabförmige, flächenförmige und volumenförmige Bauteile nachgewiesen werden können, sowohl die statische als auch die Ermüdungsfestigkeit betreffend. Letztere wird als Dauer- oder Betriebsfestigkeitsnachweis durchgeführt. Die Richtlinie gilt für Stahl, auch nicht rostender, für Eisengusswerkstoffe und in einer zusätzlichen Fassung auch für Aluminium. Angewendet werden kann das Regelwerk sowohl auf spanabhebend oder gießtechnisch hergestellte als auch geschweißte Bauteile. Es werden Nennspannungen oder örtliche, elastisch bestimmte Spannungen bewertet. Kaum ein Bauteil ohne wechselnde Belastung

Lösungsweg und Ergebnis

Durch numerische Methoden wie die der Finiten Elemente lassen sich die örtlichen elastischen Spannungen bei volumenförmigen Bauteilen in ausreichender Genauigkeit bestimmen. Nennspannungen werden dagegen meist bei flächenoder stabwerksförmigen Bauteilen verwendet. Mit dem von der IMA-Dresden (s. o.) herausgegebenen Programm RIFEST lässt sich der statische und der Ermüdungsfestigkeitsnachweis bequem und rationell durchführen.

Die Aufgabenstellung

VA Tech ELIN ist Entwickler von Leistungstransformatoren. An diese Produkte werden hohe Anforderungen bezüglich der Schallemission seitens des Kunden gestellt, so auch beim untersuchten Typ mit einer Leistung von 420MVA. Neben der Reduktion der elektromagnetischen und mechanischen Anregungen, die bereits bei der Entwicklung der Spulen eingebracht wird, sind insbesondere die über den Übertragungsweg Spule-Ölfüllung-Kesselwand angeregten Schwingungen im Fokus der akustischen Auslegung. Für diese Aufgabe leistet die Simulation mittels Finite Element Method (FEM) für die Strukturschwingung (Körperschall) sowie Boundary Element Method (BEM) für die Akustik (Luftschall) wertvolle Hilfe.

Lösungsweg und Ergebnis

Der Kessel des Transformators wird in ANSYS mit Schalen und Balkenelementen diskretisiert, die Ölfüllung mit Akustikelementen abgebildet. Nach Aufprägung der bekannten Verschiebungsamplituden der Spulen wird eine Frequenzganganalyse unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Kopplung durchgeführt. Ergebnis ist z.B. das Körperschallverhalten, dargestellt als Schnelleverteilung (s. rechts Mitte). Da hohe Körperschallpegel nicht zwangsläufig zu hoher Luftschallabstrahlung führen, ist für eine adäquate akustische Bewertung von  Kesselvarianten eine Luftschallanalyse unerlässlich. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit anteilige Leistungen von Teilflächen am gesamten abgestrahlten Schallleistungspegel auswerten zu können (s. rechts unten). Besonders effizient gelingt dies mit Hilfe der BEM, die auch die Darstellung des Schalldrucks in beliebigen Visualisierungsebenen erlaubt (s. unten).

Die Aufgabenstellung

Vibrationsuntersuchungen von Elektronikstrukturen auf Shakern stellen heutzutage im Rahmen der sogenannten "Environmental Tests" einen gängigen Prüftyp dar. Typische Fragestellungen sind dabei kritische Resonanzen der Platinen, Überschreiten von Beschleunigungen an diskreten Bauteilpositionen oder aber auch die Betriebsfestigkeit der Rahmenstrukturen. Die Finite-Elemente-Methode bietet dazu die Möglichkeit diese genannten Fragestellungen bereits im Vorgriff zum Versuch zu simulieren. Die gängigen Methoden wie Modalanalysen, Frequenzgang- und auch Random-Vibration-Analysen (PSD) sind dazu natürlich auch in ANSYS zu finden. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass mit zunehmender Größe der Strukturen diese dynamische Untersuchungen sehr schnell den CPU- und auch den Speicherbedarf immens anwachsen lassen, so dass diese Analysen für den Anwender sehr mühsam werden können. Um diese Problemstellungen dennoch effektiv lösen zu können, wurde im CADFEM Geschäftsbereich Consulting eine Methode entwickelt, die es erlaubt, vor allem modulare Elektronikstrukturen einfach aufzubauen und auch effizient zu analysieren.

Lösungsweg und Ergebnis

Grundlage für die Lösung des oben aufgezeigten Problems war die Einführung dynamischer Superelemente (CMS-Methode) in die ANSYS-Version 8.0. Damit ist es möglich, Teilstrukturen in Superelemente zu kondensieren und ein Modell mit erheblich reduzierter Anzahl von Freiheitsgraden zu erlangen, das auch mit allgemein verfügbarer Hardware-Kapazität zu lösen ist. Mit Hilfe eines neu entwickelten PSD-Algorithmus ist es nun auch möglich einen Blick, auf die Ergebnisse in die Superelemente hinein zu erlangen, was standardmäßig bei PSD-Analysen in ANSYS nicht möglich ist. Als Nebenprodukt ist mit dieser Technologie auch eine Submodel-Analyse für Dynamiksimulationen aufbauend auf der modalen Superposition entstanden, die vor allem bei sehr großen Strukturen hilfreich sein kann.
Effiziente Lösungsalgorithmen erfordern auch effizientes Pre- und Postprocessing. Im Rahmen dieser Entwicklung wurden dafür entsprechende Methoden programmiert, um modulare Strukturen getrennt aufbauen und auswerten zu können, ohne ständig die Gesamtstruktur hinsichtlich Knotennummerierung, Dateigrößen, korrekte Positionierung usw. im Blick haben zu müssen.
Unter Zuhilfenahme dieser Methoden konnten im Rahmen von Consulting-Projekten bereits Modelle mit bis zu 10 Millionen Freiheitsgraden problemlos auf vorhandener Standardhardware gelöst werden.

Die Aufgabenstellung

Für die Auslegung schwingender Strukturen gehört die Frequenzganganalyse meist zum Standardumfang der Berechnung. Ergebnis ist zum einen die Amplitudenverteilung der Verschiebungen dargestellt als Contourplot bei einer bestimmten Frequenz oder aber etwa auch der entsprechende Frequenzgang an einem oder mehreren diskreten Auswerteknoten des Mo-dells. Beide Darstellungsarten sind jedoch nicht geeignet, eine globale Aussage über das akustische Verhalten der Struktur zu geben. Nun existieren zur Berechnung des abgestrahlten Luftschalls etablierte Methoden und Software-Lösungen, die eine detaillier-te Auswertung des Schalldrucks oder der Schallleistung erlauben wie etwa Boundary-Element-Formulierungen oder die FLUID30/FLUID130 Akustikelemente in ANSYS (Beratung hierzu auf Nachfrage unter o.g. Kontakt). Für viele Fälle, so z.B. im frühen Entwurfsstadium, ist es allerdings oft ausreichend eine schnelle kostengünstige Abschätzung des akustischen Verhaltens ohne nennenswerten Zusatzaufwand zu erhalten.

Lösung mit ANSYS/SBSOUND

SBSOUND berechnet nicht den Luftschall, sondern den Körperschall so wie in der einschlägigen Literatur zur Maschinenakustik beschrieben. Dies geschieht sehr effizient (meist innerhalb weniger Minuten) auf Basis der Ergebnisse der vorab durchgeführten Frequenzganganalyse mit modaler Superposition in AN-SYS. Folgende Ergebnisse sind mittels SBSOUND in ANSYS darstellbar:

• Frequenzgang der Körperschallleistung oder
• des mittleren Schnellequadrats.
• Beide Größen optional im Pegelmaß [dB].
• Anteile diskreter Moden und/oder Teilflächen an o.g. Größen als Frequenzgang (s. rechts unten) zur schnellen Erkennung akustischer Schwachstellen und gezielten Hinführung auf konstrukti-ve Gegenmaßnahmen.
• Anteile diskreter Moden und/oder Teilflächen bei einer festen Frequenz als Balkendiagramm.
• Contourplots der wandnormalen Oberflächenschnellen für diskrete Frequenzen (s. rechts
  oben).

Weitere Entwicklungen auf Anfrage möglich, z.B.:

• Akustikgerechte" Mittelung der Ergebnisse  in Terz- und Oktavbändern,
• A-Bewertung der Pegel [dB(A)].

Die Aufgabenstellung

Die von einer Hochleistungs-Digital-Druckmaschine in hoher Frequenz ausgegebenen Papierbogen müssen zu deren automatischen Weiterverarbeitung (sortieren, stapeln, heften, ...) im sog. Finisher vorpositioniert werden. Dazu werden die Bogen je nach Format und Betriebsmodus parallel verschoben, um 90° gedreht oder beides zugleich. Für diesen Positioniervorgang steht nur eine eng begrenzte Fläche zur Verfügung.

Da der Papierdurchsatz nicht behindert werden darf ist zudem

1. das zur Verfügung stehende Zeitfenster eng begrenzt
2. der Papierbogen nach der Positionierung wieder auf volle Transport-Geschwindigkeit zu bringen.

Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Dynamik der Antriebe.

Lösungsweg

Die Positionierung erfolgt mittels zweier parallel ausgerichteter, unabhängig angetriebener Transportrollen. Für diese wurden Ansteuerfunktionen entwickelt, welche gleichzeitige Verschiebung, Drehung und Geschwindigkeitsanpassung des Bogens ermöglichen.
Für die Umsetzung in die Praxis muss zudem die Charakteristik der verwendeten Stepper-Motor-Antriebe berücksichtigt werden:

• Quantisierung durch Schrittwinkel
• Frequenzabhängigkeit des verfügbaren Drehmoments
• Berücksichtigung der Motordynamik
• Grenzen der eingesetzten Controller-Soft+Hardware.

Eine praxisgerechte Ausgabe der ermittelten Steuerparameter zur direkten Umsetzung mit der Controller-Software ist notwendig.
Die Aufgabe wird komplett mit dem Programm-Tool Mathcad gelöst (Mathematik-Programm mit WYSIWYG-Oberfläche):

• Aufstellen des Simulationsmodells
• Synthese der Ansteuerfunktionen
• Ableitung der Stepper-Rampen
• Visualisierung des Positioniervorgangs
• Optimierung der Funktionsparameter
• Generierung der Controller-Steuersätze.

Ergebnis:

Für die mehr als 450 Betriebsvarianten (Formate, Betriebs-Modi) wurden über 1800 Ansteuerfunktionen optimiert. Die ermittelten Ansteuerparameter bestanden auf Anhieb den Praxistest.

Die Aufgabenstellung

Ein Großteil thermischer Analysen erfordert als thermische Randbedingung die Vorgabe von Wärmeübergangskoeffizienten aufgrund einer freien oder erzwungenen Konvektion. Der Wärmeübergang über freie Ränder lässt sich generell beschreiben durch: Q=α(T-T_Bulk) wobei in einer thermischen Analyse der Wärmeübergangskoeffizient α und die Bulktemperatur T_Bulk vorgegeben werden müssen. Für einfache Geometrien, wie z.B. Rohre oder Spalte können α-Werte  dem VDI-Wärmeatlas entnommen werden. Ist die Struktur allerdings komplexer oder tritt etwa entlang des durchströmten Rohres eine Wärmequelle auf, und ist damit die zweite notwendige Vorgabe T_Bulk unbekannt, so wird eine gekoppelte Strömungs-Temperaturberechnung erforderlich.

Lösungsweg und Ergebnis

Sollten Sie selbst keine Erfahrung in CFD-Berechnungen haben, können Sie im CADFEM Geschäftsbereich Consulting derartige Berechnungen durchführen lassen. Mit der ANSYS-Workbench-Umgebung steht ein geschlossener Lösungsweg von der Geometrieerstellung/ CAD-Import über die Vernetzung in CFX-Mesh oder ICEM/CFD bis zur Lösung in ANSYS/CFX zur Verfügung.
Falls Sie durch diese Berechnung "auf den Geschmack" gekommen sind, führen wir gerne Projektschulungen durch, anhand derer Sie nachfolgende Berechnungen z.B. über e-cadfem selbst bewältigen können.

Auswertung von Random Vibration Analysen

Seit jeher spielen Analyseverfahren für zufällig dynamisch erregte Strukturen in der Luft- und Raumfahrtbranche eine große Rolle. Doch nach und nach werden solche "PSD-Analysen" auch in der Automobiltechnik eine unersetzbare, da schnell durchführbare, Prüfmethode zur Lebensdauer-bewertung.
Um auch in ANSYS zuverlässig und effizient Schädigungsrechnungen basierend auf PSD-Ergebnissen durchführen zu können, wurde im Geschäftsbereich Consulting die ANSYS-PSD-Auswertesoftware RANfat entwickelt.

Folgende Aufstellung gibt einen kleinen Überblick über die implementierten Möglichkeiten:

• Sekundenschnelle Schädigungsbewertung für komplette FE-Modelle im General-Postprocessor /post1
• Schädigungsbewertung auf Grundlage der vorliegenden 1-Ergebnisse der Spannungen nach
• - Rayleigh
  - Dirlik
  - Zhao-Baker
  - Steinberg
• Ausgabe der akkumulierten Schädigung oder Lebensdauer als Konturplot
• Schädigungsbewertung im Time-History-Postprocessor /post26
• Häufigkeitsverteilung und Verteilungs-funktion der Spannungsamplituden
• akkumulierte Schädigung aufgetragen über den Spannungsamplituden