FEM Simulation einer Composite Struktur

 

Die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen ist aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Der rechnerische Nachweis von Faserverbundstrukturen mittels FEM Simulation ist eine Herausforderung, der wir uns in der Vergangenheit bereits mehrfach gestellt haben. Da der Schutz der Daten unserer Kunden für uns höchste Priorität hat, haben wir die Technik an einem Testfall dargestellt.

 

Es wurde ein FE Modell eines Stuhls erstellt. Die Flächen bestehen aus vier Schichten Carbon. An den Einbindungen der Beine ist ein Sandwich Laminat mit einem ca. 22mm starken PVC Schaum eingebunden. An den Übergängen wurde eine Verjüngung von 60° eingefügt. Sowohl das Laminat wie auch der Kern wurden im FE Modell über Schalenelemente idealisiert.

 

Die Lasten für die FEM Berechnung repräsentieren den Druck auf die Sitzfläche sowie den Anpressdruck durch den Rücken. Die Auswertung der Auslastung des Laminats sowie des Kerns kann element- oder lagenweise vorgenommen werden. In diesem Fall ist die höchste Auslastung des Kerns 97% und des Carbons 43% (Tsai-Wu Kriterium in der ersten Lage).

 

 

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Simulation von Schraubenverbindungen nach Eurocode mittels FEM


Schraubverbindungen finden in vielen maschinen- sowie stahlbaulichen Konstruktionen Anwendung. Dynamisch belastete Schrauben mit hoher Vorspannung werden meist nach der VDI 2230 bewertet. Bei stahlbaulichen Anwendungen, bei denen die Schublasten nicht über die Vorspannung sondern über die Lochleibung übertragen werden, kann die Schraubenverbindung nach dem Eurocode 1993-1-8 nachgewiesen werden. Für standardisierte Verbindungen verwenden wir Stabwerksprogramme wie RSTAB. Für individuelle Verbindungen wird die Kraftverteilung auf die einzelnen Schrauben mittels FEM ermittelt und anschließend analytisch nach Eurocode 1993-1-8 ausgewertet. Der Vorteil ist, dass wir für jede Schraube die individuelle Auslastung ermitteln können.


In diesem exemplarischen Fall wurde die Schraubverbindung einer Eckverbindung eines Rahmens untersucht. Eine Besonderheit der Konstruktion bestand in einer winkelbehafteten Verbindung, welche zusätzliche Momente an der Verschraubung entstehen lässt.


Die Verbindung wurde mit ANSYS Workbench 19 modelliert. Hierbei wurden die Schrauben angelehnt an die VDI Richtlinie 2230, Modellklasse III, als Volumen ohne Gewinde abgebildet. Diese Modellklasse bietet einen sehr guten Mittelweg aus Modellierungsaufwand und realitätsgetreuer Darstellung und ermöglicht eine detaillierte Spannungsauswertung im Flansch. Die Vorspannung der Schrauben wurde ebenso berücksichtigt wie der reibungsbehaftete Kontakt zwischen Schrauben und Rahmen.


Die Auswertung wurde analytisch für jede Schraube vorgenommen und erfolgte nach Eurocode 1993-1-8.

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Topologieoptimierung eines Kragarms mittels FEM

Ein Standard-Fachwerk bestehend aus Stahlrohren sollte auf Gewichtseinsparung hin optimiert werden. Aus diesem Grund wurde eine Topologieoptimierung mit ANSYS Workbench und Spacelaim 19.0 durchgeführt. Auf diese Weise wurde ein Freiformmodell der Struktur generiert, welches additiv gefertigt werden kann.

 

In Fällen, in welchen kein solches Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen kann, sei es aufgrund beschränkten Bauraumes oder aus wirtschaftlichen Gründen, so kann eine Topologieoptimierung dennoch bei der Gewichtseinsparung helfen.

 

In dem hier beschriebenen Fall wurde die Konstruktion des Fachwerks, inspiriert von der Topologieoptimierung, aus günstig schweißbarem Rohrmaterial überarbeitet.  Auf diese Weise konnte das Gewicht bei gleichbleibender Festigkeit und Steifigkeit um 33% reduziert werden.

 

 

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Schockberechnung und Lagerungsnachweis mittels FEM

Marineschiffe und U-Boote sind einer Vielzahl von Belastungen ausgesetzt. Dazu gehören auch Schocklasten aus Unterwasser-Explosionen. Bei dieser Belastung wird das gesamte Boot durch die Druckeinwirkung um eine gewisse Distanz versetzt. Dabei entstehen erhebliche Beschleunigungen auf die Struktur sowie auf alle verbauten Aggregate.

 

Um die Beschleunigung für die Aggregate zu reduzieren, wird eine elastische Lagerung vorgesehen. In diesem Video ist die Reaktion zweier Komponenten zu sehen, die elastisch auf einer elastisch gelagerten Plattform aufgestellt sind. Da die realen Strukturen selbstverständlich vertraulich sind, wurde hier eine fiktive Geometrie betrachtet. Die Anregung, die Dämpfung sowie die elastische Lagerung sind allerdings physikalisch realistisch.

 

Die Berechnung geschah mit ANSYS. Die Verformungen sind um den Faktor 5 skaliert.


Statik einer Leichtbau-Mehrzweckhalle nach Eurocode mittels FEM

 

Es wurde eine statische Festigkeitsberechnung der Stahlstruktur einer Leichtbauhalle durchgeführt. Die Lastermittlung erfolgte analytisch nach Eurocode und lieferte Wind-, Schneelasten, Lasten aus Eigengewicht sowie vom Kunden spezifizierten Zusatzlasten. Diese Lasten wurden auf ein Modell bestehend aus Balken- und Schalenelementen aufgebracht.


Es wurden die Verformung und die Festigkeit der Struktur, sowie deren Wiederstand gegen Stabilitätsversagen bewertet. Diese Auswertung erfolgte in Anlehnung an den EN 1993 sowie 1999 (EUROCODE 3 und 9). Auf diese Weise  konnte bewiesen werden, dass die Struktur für den untersuchten Aufstellort ausreichend dimensioniert ist.

 

 

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Nichtlineare Festigkeitsrechnung eines Wirbels mittels FEM

 

Es wurde eine Festigkeitsuntersuchung für den Topwirbel einer Segelyacht durchgeführt. Ziel war der Vergleich verschiedener konstruktiver Ausführungen. Es wurde der reine Zugversuch bis zum Bruch nachgerechnet. In einem zweiten Schritt wurde die Betriebslast, die aus einer Kombination aus Axial- und Biegelast besteht, nachgewiesen.


Es wurde ein bilineares Materialmodell verwendet. So konnten plastische Dehnungen nachgebildet werden. Mit nichtlinearen Kontakten konnte der Kraftfluss innerhalb der Struktur realistisch dargestellt werden.


So konnte sowohl die maximale Last als auch den Ort des Versagens aus dem Zugversuch verifiziert werden. Auch die kritischen Bereiche bei Nominallast konnten identifiziert werden.

 

 

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Festigkeitsberechnung das stehende Gut einer klassischen Dreimastbark mittels FEM

 

Zu untersuchen war das stehende Gut einer klassischen Dreimastbark. Diese wurde als Segelschulschiff neu gebaut. Wir haben zunächst die Lasten aus Wind und Seegang anhand gängiger Vorschriften ermittelt und diese durch zugelieferte Versuchsergebnisse aus einem Windkanal validiert. Die Masten und Salinge wurden durch Schalen modelliert. Die Stage und Wanten wurden durch vorgespannte Link-Elemente idealisiert.
 
Bewertet wurden die Verformung der Struktur, die auftretenden Spannungen sowie die Kräfte in den Wanten und Stagen. Zudem wurden die Masten auf ihre Beulsicherheit untersucht. So konnte die Standsicherheit des stehenden Guts nachgewiesen werden.

 

 

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Globale Festigkeitsanalyse eines Halbtauchers mit ANSYS AQWA und Mechanical

 

Die globale Festigkeit eines Halbtauchers mit Säulen-Stabilisierung wurde durchgeführt, um die Zustimmung zur Entwurfsplanung durch die Klassifikationsgesellschaft zu erhalten. Dies geschah in mehreren Schritten:

 

Als erstes wurde eine hydrodynamische Diffraktionsanalyse mit ANSYS AQWA durchgeführt. Die resultierenden Übertragungsfunktionen wurden mit Modell-Testergebnissen der dänischen Versuchsanstalt FORCE Technology verifiziert.

 

Dann wurden die Entwurfswellen nach ABS Mobile Offshore Drilling Units Code bestimmt.Fünf kritische globale Lastfälle wurden ermittelt und deren Parameter angegeben.

 

Zuletzt wurden die hydrodynamischen Lasten für alle kritischen Lastfälle auf das globale FE-Modell übertragen. Diese Modelle wurden berechnet und die resultierenden Spannungen anhand der Klasseregeln bewertet. Die kritischen Teile der Konstruktion und Möglichkeiten zur Verbesserung wurden aufgezeigt.

 

 

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