FEM-Berechnung mit Weitblick

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Randbedingungen für Systemgrenze definieren

Das Verformungsbild erscheint zunächst nicht unrealistisch, denn die maximale Spannung liegt im Übergangsbereich zur Anschraubfläche und entspricht dem Kraftfluss. Doch genau an diesem Punkt geschehen die meisten Fehler im Umgang mit der Simulationssoftware. Nicht berücksichtigt wird: die Software nutzt nur die Daten, die der Konstrukteur eingibt. So wurde einer der wichtigsten Aspekte im vorliegenden Fall nicht ausreichend berücksichtigt: die Systemgrenze.

Bei der FEM-Modellbildung für Festigkeitsberechnungen ist es selten möglich die komplette Konstruktion zu berücksichtigen. Der Aufwand wäre zu hoch. In der Praxis betrachtet man das zu untersuchende Bauteil oder den Strukturausschnitt separat. Das Lagergehäuse wird somit getrennt berechnet.

An der Systemgrenze müssen nun Randbedingungen gesetzt werden. Im vorliegenden Beispiel wird dort, wo das Gehäuse angeschraubt wird, eine feste Einspannung definiert. Diese bedeutet, dass die korrespondierende Struktur eine unendlich hohe Steifigkeit besitzt und sich nicht bewegen oder verbiegen kann – meist nicht realistisch.

Realistischere Ergebnisse durch erweiterte Systemgrenze

Um die Sensibilität des Simulationsmodells in Bezug auf die Randbedingungen zu verdeutlichen, muss das Modell ergänzt werden. Dafür wird die Systemgrenze erweitert, sodass sich nun auch die Schrauben und die darunter liegenden korrespondierenden Bereiche mitberücksichtigen lassen (Bild 4).

Der neue Verformungsplot bestätigt die Vermutung, dass die feste Einspannung bei der ersten Berechnung nicht zutreffend war, denn die Kraftabnahme erfolgt über die Schrauben. Das Lagergehäuse könnte sich also zusammen mir dem korrespondierenden Bauteil verbiegen.

Das zweite Modell ist somit realistischer aufgebaut. Quantitativ bedeutet das eine Verdreifachung der Spannung (Bild 5).

In der zweiten Analyse sind die Schrauben nicht vorgespannt. Doch welchen Einfluss hat die Schraubenvorspannkraft? Dazu wird im dritten Modell auch diese Lastkomponente berücksichtigt. Obwohl die Spannungen infolge der Vorspannung einen statischen Charakter haben, müssen sie bei der Bauteilauslegung mitberücksichtigt werden. Im Beispiel bedeutet dies eine Steigerung der Spannung um weitere 30 % gegenüber dem zweiten Modell (Bild 6).

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