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konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

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Produktsimulation für jeden Ingenieur

Mit Ansys Aim hat Ansys, Inc. eine neue Generation von Simulationssoftware geschaffen. Ein intuitiver Arbeitsprozess, der einheitlich für alle Simulationsaufgaben ist, die umfassende Beschreibung physikalischer Disziplinen für ein genaues Produktverständnis und eine offene Architektur, die individuelle, automatisierte Abläufe ermöglicht, ergänzen das bisherige Produktportfolio.

Die Durchgängigkeit über alle Arbeitsschritte und Physikdomänen geben dem Ingenieur ein mächtiges Werkzeug in die Hand: Statt einzelne Design-Alternativen zu prüfen, können systematische Variantenstudien durchgeführt werden. Ansys Aim variiert die relevanten Einflussgrößen, seien es Geometrieabmessungen, Materialeigenschaften oder Lasten. So erhält der Ingenieur nicht nur ein „Schlaglicht“ in Form eines einzelnen Ergebnisses, sondern eine ganzheitliche Sicht auf das Produktverhalten innerhalb des möglichen Design-Raumes. Dies macht den Entwurf eines neuen Designs oder die Weiterentwicklung eines bestehenden besonders zielgerichtet: Das verbesserte Verständnis über Zusammenhänge und Trends bei Variationen ermöglicht dem Ingenieur einen guten Überblick über Lösungsalternativen und die Wahl eines robusten Designs. Ansys Aim bildet den Schwerpunkt der Herbstausgabe des Cadfem-Journals. Darin werden verschiedene Aspekte der neuen Software und ihre Bedeutung für die Produktentwicklung dargestellt. Das Heft kann kostenlos, unverbindlich und formlos beim Simulations- und Ansys-Spezialisten Cadfem angefordert werden: marketing@cadfem.de

Systematische Variation der Parameter

Je mehr Einflussgrößen das Produktverhalten bestimmen und je stärker die Wechselwirkungen zwischen den physikalischen Produkteigenschaften sind, desto anspruchsvoller ist die Bewertung von Maßnahmen zur Verbesserung eines Designs. Zur Verdeutlichung diese Phänomens wird im Folgenden am Beispiel einer Schmelzsicherung die parametrische Variation bei einer elektrisch-thermisch-mechanisch gekoppelten Analyse mit temperaturabhängigen Materialeigenschaften genutzt, um eine Lebensdauerabschätzung (HCF – High Cycle Fatigue) durchzuführen.

Eine Schmelzsicherung, wie sie im Automobilbereich häufig eingesetzt wird, basiert auf einem metallischen Leiter sowie einem gekapselten Kunststoffgehäuse. Der Strompfad des Leiters beinhaltet verschiedene Querschnittlimitationen und begrenzt so den Strom. Das Material des Leiters weist eine temperaturabhängige elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie mechanische Steifigkeit auf. Die Wechselwirkungen von Stromfluss, Temperatur und Deformation erfordern für eine belastbare Ergebnisbewertung eine gekoppelte Betrachtung der verschiedenen physikalischen Domänen.

Als Randbedingungen für die Simulation werden das elektrische Potenzial und der Strom, die Wärmeabfuhr über die Wärmeleitung in das Kabel und die mechanischen Lagerbedingungen an den Kontakten definiert. Bei der Betrachtung der Stromdichte ist im Bereich der Sollbruchstelle eine starke Überhöhung zu erkennen.

Aufgrund der jouleschen Erwärmung ergeben sich Temperaturen, Deformationen und Spannungen, die durch wechselnde Strombelastungen zu thermischen und damit zu Spannungszyklen führen. Die im Material hinterlegten Wöhlerlinien ermöglichen die Bewertung der Lebensdauer des Materials unter Berücksichtigung verschiedener Mittelspannungskorrekturen (Goodman, Gerber, Soderberg).

Wenn der Designentwurf die Spezifikation nicht erfüllt, ist es für den Entwicklungsingenieur aufgrund der komplexen Zusammenhänge und der Vielzahl von Einflussfaktoren sehr schwierig, den geeigneten Ansatzpunkt für eine Designverbesserung zu finden. Welchen Einfluss hat ein veränderter Strom? Wie stark wirkt sich eine modifizierte Dicke des Leiters oder eine veränderte Geometrie der Sollbruchstelle aus? Lassen sich durch ein alternatives Kunststoffgehäuse die Eigenschaften der Sicherung positiv beeinflussen?

Statt solche Fragen durch die manuelle Variation einzelner Parameter, die nur einzelne Ergebnisse liefern, beantworten zu wollen, verschafft eine Sensitivitätsstudie mit allen Parametern einen Überblick über das mögliche Produktverhalten. Damit wird der verfügbare Lösungsraum, der für die Produktentwicklung zur Verfügung steht, komplett und nicht nur schlaglichtartig ausgeleuchtet. (ud)

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