Das Labor FEM dient dazu, den in der Vorlesung vermittelten Stoff in der Praxis anzuwenden. Es wird die grundlegende Handhabung mit dem Programm ANSYS an einfachen statischen Systemen vermittelt. Dabei ist es wichtig die Parameter individuell auf das gewünschte Bauteil anzupassen, um eine korrekte Berechnung zu gewährleisten. Denn in der Praxis, gewinnt die FEM immer mehr an Stellenwert, jedoch kann das Programm nur dann korrekt arbeiten, wenn der Bediener die individuellen Randbedingungen des jeweiligen Bauteils beachtet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Labordurchführung
2.1. System Kragarm
2.1.1. Balkenmodell
2.1.2. Schalenmodell
2.1.3. Volumenmodell
2.2. 2D Scheibe/ Platte mit einspringender Ecke
2.2.1. Einfluss einer einspringenden scharfen Ecke
2.2.2. Einfluss einer Ausrundung und lokale Netzverfeinerung
2.2.3. Freistich
2.3. Beulanalyse
2.4. Modalanalyse
2.5. Transiente Berechnung
3. Fazit
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit dokumentiert die praktische Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) mithilfe der Software ANSYS Workbench im Rahmen eines Laborpraktikums. Ziel ist es, grundlegende statische Systeme zu modellieren, numerische Ergebnisse durch Parameterstudien und Netzverfeinerungen zu optimieren sowie das Verständnis für Randbedingungen und physikalisches Verhalten unter verschiedenen Lastzuständen zu vertiefen.
- Statische Analyse verschiedener Kragarmmodelle (Balken, Schale, Volumen)
- Untersuchung von Kerbwirkungen und Spannungssingularitäten an einspringenden Ecken
- Optimierung von Bauteilgeometrien mittels Design-of-Experiments (DOE)
- Beulanalysen und Stabilitätsuntersuchungen unter Druckbelastung
- Transiente Analysen und Schwingungsverhalten bei harmonischer Erregung
Auszug aus dem Buch
2.1.2. Schalenmodell
Die zweite Aufgabe beschäftigt sich ebenfalls mit dem Kragarm unterscheidet sich aber durch die Modellierung. In diesem Fall wird das Bauteil durch Schalen erstellt. Dazu werden drei Skizzen angefertigt, welche sich gegenseitig überschneiden (siehe Abb.3). Anschließend werden diese extrudiert, wobei darauf zu achten ist, den Steg gefroren hinzuzufügen. Letztlich werden die Teile noch zu einer Baugruppe verbunden.
Vor der Berechnung wird die einwirkende Kraft sowie die fixierte Lagerung am Modell eingegeben. ANSYS kann nun das Bauteil auf Biegung und Schubspannung berechnen.
Beim Betrachten der Tabelle fällt zunächst auf, dass sich die Biegung konvergent verhält. Die Schubspannung hingegen variiert mit der Elementgröße. Je feiner die Netzstruktur desto größer werden die Spannungen. Zu begründen ist dies damit, dass die Kraft als punktförmige Einzellast in das System eingeleitet wird.
Es gilt:
wenn die Fläche (A) aber gegen null geht → wird die Spannung unendlich groß (Spannungssingularitäten).
Um eine korrekte Berechnung der Schubspannung zu erreichen wird im nächsten Schritt die Punktlast durch eine Streckenlast ersetzt. Dazu wird die Geometrie des Trägers geschnitten. Das Problem der Spannungssingularität kann so unterbunden werden, weil die Last nicht mehr nur punktuell wirkt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung erläutert die Relevanz der FEM in der Praxis und die grundlegende Zielsetzung des Labors zur Vermittlung des Programms ANSYS.
2. Labordurchführung: In diesem Hauptteil werden verschiedene statische Systeme, darunter Kragarme und 2D-Scheiben, mittels unterschiedlicher FEM-Modellierungsansätze analysiert und auf ihr Belastungsverhalten hin untersucht.
3. Fazit: Das Fazit fasst die Lernerfolge zusammen und betont die Bedeutung korrekter Randbedingungen sowie der Plausibilitätsprüfung bei numerischen Simulationen.
Schlüsselwörter
Finite Elemente Methode, FEM, ANSYS Workbench, Kragarm, Netzverfeinerung, Spannungssingularität, Kerbwirkung, Parameterstudie, Beulanalyse, Modalanalyse, Schwingungsverhalten, Transiente Berechnung, Eigenfrequenz, Lastmultiplikator, Statik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit dokumentiert ein Laborpraktikum zur Anwendung der Finite-Elemente-Methode zur Lösung von Bauteilbeanspruchungen unter Verwendung von ANSYS Workbench.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Modellierung von statischen Systemen, der Optimierung durch Parameterstudien, der Untersuchung von Stabilität (Beulen) sowie der Analyse dynamischer Prozesse wie Schwingungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die praktische Vermittlung der FEM-Handhabung sowie das Verständnis dafür, wie sich Randbedingungen und Netzdichte auf die Qualität der numerischen Ergebnisse auswirken.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden numerische Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt, wobei ergänzend Verfahren wie Design of Experiments (DOE) zur Geometrieoptimierung eingesetzt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Modellierung von Kragarmen und Platten, die Analyse von Spannungssingularitäten bei Kerbwirkung, Stabilitätsbetrachtungen sowie transiente Analysen bei unterschiedlichen Lastfällen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Typische Begriffe sind Finite Elemente Methode, ANSYS, Spannungssingularität, Netzverfeinerung, Parameterstudie, Beulanalyse, Eigenfrequenz und transiente Dynamik.
Warum ist die Wahl der Lagerungsart beim Volumenmodell kritisch?
Die Lagerungsart beeinflusst das Auftreten von Zwängsspannungen erheblich, was zu verfälschten Ergebnissen führen kann, weshalb die Definition realistischer Randbedingungen essenziell ist.
Wie kann eine Spannungssingularität in der Simulation vermieden werden?
Anstatt punktförmige Einzellasten zu verwenden, kann die Last als Streckenlast aufgebracht werden, wodurch die Lastverteilung realistischer abgebildet wird.
Was ist der Vorteil von Versteifungen gegenüber der Dickenerhöhung bei der Beulanalyse?
Die Untersuchung zeigt, dass der Materialeinsatz bei Versteifungen deutlich effizienter ist als eine pauschale Erhöhung der Materialdicke zur Steifigkeitssteigerung.
Was passiert, wenn die Erregerfrequenz die Eigenfrequenz erreicht?
Es tritt eine Resonanz im System auf, bei der die Amplitude theoretisch bis ins Unendliche steigt, was in der Praxis zerstörerische Auswirkungen haben kann.
- Arbeit zitieren
- Stefan Heyen (Autor:in), 2013, Finite Elemente Methode Labor, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/232057
