Zur Bauteilauslegung durch die FEM-Methode müssen die Belastungen an den auszulegenden Baugruppen und Einzelteilen bestimmt werden. Für bestehende Konstruktionen führt man hierzu häufig Messungen durch. Eine Methode zur Ermittlung der wirkenden Kräfte ist die Starrkörpersimulation. Hierzu werden die CAD-Körper einer Baugruppe, für die in der Regel, Bauteilmassen, Trägheiten, Funktionsprinzipien und Bewegungsrichtungen bekannt sind in einer Mehrkörpersimulation miteinander in Verbindung gebracht, um die Belastungsdaten zu ermitteln, die auf einzelne Komponenten wirken.
Kräfteermittlung für die FEM-Berechnung aus Mehrkörpersimulation
Bestimmung der Krafteinwirkung mittels Mehrkörpersimulation (MKS)
Bei der Mehr- oder auch Starrkörpersimulation werden zunächst die Massen, Trägheitsmomente, sowie die Hauptachsen bezüglich des Nullpunkts berechnet. Anschließend werden die einzelnen Bauteile durch das Entfernen von Nuten, Freistichen und weiteren Details vereinfacht dargestellt. Dies dient auch der Vereinfachung und Reduzierung der Elementzahl bei der späteren Erstellung des FEM-Modells für die anschließende Analyse der Bauteilbeanspruchung im Rahmen der FEM-Berechnung. Schließlich werden die Körper verbunden, sowie Verschiebungen und Krafteinwirkungen als Randbedingungen definiert. Eine übliche Praxis ist dabei, Verbindungselemente als Feder/ Dämpfer- Einheiten oder Balken zu vereinfachen.
Ergebnisverwendung der Starrkörpersimulation für die FEM-Berechnung von Bauteilen
Die Starrkörper- oder Mehrkörpersimulation gibt die Kraft und Verformung an Einzelkomponenten, sowie die Reaktionskräfte an den Kontaktstellen aus und ist somit die Basis für die nachfolgende FE-Analyse. Die Validierung der Simulationsergebnisse kann gegebenenfalls durch Vergleichsmessungen erfolgen. Anhand fachkundiger Beurteilung kann so der Berechnungsingenieur abschätzen, welches die meist belasteten Einzelbauteile oder Unterbaugruppen sind und somit die Systemgrenzen für die Festigkeitsberechnung festlegen.
Vom Mehrkörpermodell zur FEM-Berechnung
Durch Vernetzung und Überführen der Einzelteile in ein entsprechende FEM-Modell wird die jeweiligen Bauteilbelastung ermittelt. Anschließend werden die Kontaktkräfte, Verformungen, sowie Materialmodelle für die FE-Analyse auf des Modell aufgebracht. Schließlich erfolgt die Berechnung und Auswertung.
Vorteile bei der Kopplung der Starrkörpersimulation mit der FE-Analyse
- Veranschaulichung von Starrkörperbewegungen.
- Vergleich mit Messkräften.
- Verwendung als Randbedingung für die FEM-Berechnung.
Weitere Beispielprojekte für FEM-Berechnungen von Bauteilfestigkeiten:
- FEM-Berechnung eines Hockers mit Kunststoffteilen aus dem 3D-Drucker
- FSI-Simulation eines Zylinderkopfes
- FEM-Berechnung von Gummi- und Kunststoffbauteilen
- FEM Beispiel aus der Praxis: Berechnung einer Fußgängerbrücke
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