Abnehmen mit der FE-Methode

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

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Bedingungen für ausreichende Modellgüte

• Als erster wichtiger Faktor für die Genauigkeit der Simulation ist das Netz zu nennen. Dieses unterteilt das Bauteil in diskrete Elemente, die anschließend elementeweise mathematisch gelöst werden. Das Netz muss gezielt optimiert werden, um kritische Stellen ausreichend genau abzubilden und gleichzeitig eine vertretbare Rechenzeit zu realisieren. Bei der Definition des Netzes muss darauf geachtet werden, dass es an den Stellen fein genug ist, an denen (sonst aufgrund der Vernetzung) Spannungsspitzen entstehen. Die Auswirkungen eines zu groben Gitters sind in Abb. 2 zu erkennen. Das Rechenmodell mit dem groben Netz zeigt rechts eine Spannungsspitze an, die nur durch die nicht ausreichend kleine Elementgröße hervorgerufen wird. Die real auftretende Spannung in der Mitte der Blechkontur wächst hingegen vom groben zum feinen Netz an. Das Gitter wird daher im Regelfall iterativ verfeinert bis die Spannungsabweichungen hin zum feineren Gitter unter 5 % liegen.

• Ein weiterer wichtiger Faktor ist die korrekte Lagerung des Modells. Die Lagerung eines auf Rollen gelagerten Wagens unter Berücksichtigung der Verformung der Rollen sowie der Achsen stellt in der FEM-Simulation ein nicht trivial lösbares Problem dar. Die Lagerung darf nicht mehr durch Verwendung der Standardlagerungen definiert werden, da die Rollen je nach Belastung und Verformung des Handschiebewagens an unterschiedlichen Stellen der Rollenfläche aufliegen und daher die Zuteilung der Referenzfläche für die Lagerung schwerfällt. Um ein der Realität möglichst gut nachempfundenes Ersatzmodell realisieren zu können, muss ein reibungsbehafteter Kontakt zwischen den Rädern und einer starren Grundplatte definiert werden. Diese Maßnahme erhöht die Rechenzeit allerdings enorm und benötigt zahlreiche Rechendurchläufe, um eine konvergente Lösung zu erhalten. Das Rad bewegt sich auf der Bodenplatte solange bis iterativ ein Gleichgewichtszustand gefunden werden kann.

Um zu verdeutlichen, dass eine plausible und realitätsnahe Verformung über Standardlagerungen nicht möglich ist, sind in Abbildung 3 die Verformungen des Wagens mit fixierten Rollen sowie die Lagerung mit den beweglichen Rollen dargestellt. Im Falle der fixierten Rollen verhält sich die Rolle mit ihrer Grundplatte zu steif und es entstehen Spannungsspitzen an den Querträgern des Wagens im rot markierten Bereich. Im rechten Fall kann sich das Rad mitbewegen, was die Spannungen im Querträger deutlich reduziert. Dieses Beispiel zeigt, dass die richtige Lagerung eine entscheidende Rolle spielt, um zu verwertbaren Ergebnissen zu gelangen und ein der Realität entsprechendes Versagen vorherzusagen.

Maßgeblicher Einfluss des Rechenmodells

Die Belastungen auf den Handschiebewagen können sich aufgrund verschiedener variabler Einflussgrößen stark unterscheiden. Die Belastungen sind dabei abhängig vom zu transportierenden Behälter, da dieser aufgrund unterschiedlicher Behältergrößen, unterschiedlicher Anzahl von Behälterfüßen und unterschiedlicher Behälterfußformen stark variiert. In Hinblick auf die bereits beschriebene Rechenzeit ist es deswegen nicht wirtschaftlich realisierbar, alle Belastungsfälle realitätsnah zu simulieren. Deshalb ist es notwendig, mit einem möglichst geringen Zeitaufwand den kritischsten Lastfall heraus zu arbeiten. Hierbei ist methodisches Vorgehen nötig, um einen vereinfachten Lastfall zu identifizieren, der mit der Realität korreliert.

Durch den Einsatz der FE-Methode und einer gezielten Strukturoptimierung konnte das vorgegebene Ziel für die Gewichtsreduktion an einem Handschiebewagen von 20% deutlich übertroffen werden. Das Gewicht des neuen Handschiebewagens beträgt lediglich 54kg und liegt somit nochmals über 7 kg unter dem der Volkswagen AG gefordertem Zielgewicht. Der Erstellung des Rechenmodells kommt bei der Herangehensweise eine maßgebliche Bedeutung zu, um ein realitätsnahes Modellverhalten des Bauteils abzubilden. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl das Netz als auch die Lagerung große Abweichungen hervorrufen und das Ergebnis signifikant beeinflussen. (mz)

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