MAMBA
MAMBA auf einen Blick
In der Entwicklungsphase komplexer mechanischer und mechatronischer Systeme sind zuverlässige dynamische Simulationsergebnisse von höchster Bedeutung. Eine aussagekräftige Betriebsfestigkeitsbewertung von gefügten Strukturen wie beispielsweise PKW-Karosserien, LKW-Rahmen oder verschraubten Gehäusen von elektronischen Geräten erfordert oftmals eine Berücksichtigung der auftretenden Kontaktspannungen.
Die zugrundeliegenden nichtlinearen Kontaktbedingungen haben jedoch die Eigenschaft, den Rechenaufwand immens zu erhöhen. Daher werden genaue und dennoch schnelle numerische Modelle benötigt.
MAMBA ist eine maßgeschneiderte Softwarelösung für diese Art der Analyse. Um praktikable Durchlaufzeiten der Simulation zu erreichen wird die Kontaktanalyse in zwei Schritten durchgeführt. Der erste Schritt ist die Identifizierung der Kontaktschnittstellen sowie die Erstellung eines ordnungsreduzierten Modells für die jeweilige gefügte Strukturen. Der zweite Schritt ist die eigentliche Kontaktsimulation anhand dieses reduzierten Modells.
Auf der Grundlage von MAMBA können dynamische Kontaktanalysen von gefügten Strukturen, entweder für die Bewertung des Schwingungsverhaltens oder für eine verbesserte Betriebsfestigkeitsbewertung, effizient durchgeführt werden.
Dynamik gefügter Strukturen
Der MAMBA Simulationsprozess für die Dynamik von gefügten Strukturen besteht aus zwei wesentlichen Schritten.
Im ersten Schritt wird eine Ordnungsreduktion des nichtlinearen Modells durchgeführt. Dabei werden von MAMBA zusätzliche Ansatzfunktionen, welche explizit die lokalen Deformationen der Fügestelle abbilden, berechnet. Nach Erweiterung der Reduktionsbasis mit diesen Ansatzfunktionen führt ein kommerzieller Solver die Reduktion des FE Modells durch.
Der zweite Schritt beinhaltet die eigentliche Kontaktsimulation. Darin berechnet MAMBA die Kontaktspannungen und erweitert die Bewegungsgleichung um entsprechende Beiträge. Die eigentliche Zeitintegration der erweiterten Bewegungsgleichung erfolgt durch einen kommerziellen Solver für Mehrkörpersysteme oder durch den MAMBA Solver.
Erkennung von Kontaktschnittstellen
Die MAMBA Modellreduktion ist ein modaler Ansatz, der eine erweiterte Reduktionsbasis verwendet, welche in der Lage ist die auftretenden Kontaktspannungen zu erfassen. Diese Funktionalität ist innerhalb eines Programmmoduls zugänglich, das mit kommerziellen FEM-Solvern interagiert und die folgenden Vorteile bietet.
- Automatisierte Erkennung von Kontaktschnittstellen
- Modellreduktion mit Kontakt
- Vorspannung von Schraubverbindungen
The total deformation is described as superposition of selected trial vectors.
Exemplary constraint modes accorting to Craig and Bampton.
Exemplary normal modes according to Craig and Bampton.
Exemplary contact modes computed during the MAMBA preprocessing step.
Modellreduktion
Die MAMBA Modellreduktion ist in der Lage, das nichtlineare Verhalten, welches sich aus den Kontakten innerhalb von gefügten Strukturen ergibt, abzubilden.
Während die Fügestellen lokale Nichtlinearitäten darstellen, werden die Komponenten der gefügten Struktur als linear elastisch angenommen. Daher ist es weiterhin möglich, das Superpositionsprinzip zu nutzen, um die Gesamtverformung der beteiligten Komponenten zu beschreiben.
Bei linear elastischen Strukturen kann mit einer nach Craig und Bampton formulierten Reduktionsbasis eine sehr gute Ergebnisqualität erzielt werden. Erreicht wird dies durch die so genannten Constrained Modes, welche statische Verschiebungsformen darstellen, und Boundary Fixed Normal Modes, welche die innere Dynamik der linear elastischen Struktur abbilden.
Bei gefügten Strukturen ist es außerdem wichtig, dass die Reduktionsbasis in der Lage ist, die lokalen Verformungen aufgrund der auftretenden Kontaktspannungen genau zu erfassen. Dies wird durch einen zusätzlichen Satz von Ansatzfunktionen erreicht. Diese so genannten Kontaktmoden ermöglichen Verformungen infolge der Kontaktspannungen. Die Struktur ist dadurch in der Lage sich auf physikalisch sinnvolle Weise zu verformen.
Die MAMBA Kontaktsimulation baut auf dem ordnungsreduzierten Modell der gefügten Struktur auf. Dieses Modell kann entweder als Teil eines Mehrkörpsystems oder als freier Körper mit eingeprägten Schnittstellenlasten analysiert werden. Der erste Ansatz wird als "Multibody Solution" bezeichnet, der zweite als "Standalone Solution".
Contact stress component in normal direction within normal contact interfaces.
Additional shear stresses within frictional contact interfaces.
Hysteresis curve obtained from a pretensioned contact interface.
Kontakt Modelle
Zum einen gibt es Kontakte, bei denen die Kontaktspannungen in Oberflächennormalenrichtung die dominierende Größe sind. Dies ist beispielsweise in vielen Bereichen von punktgeschweißten Strukturen der Fall. In MAMBA werden diese Kontaktflächen als "Normal Contact" bezeichnet.
An zweiter Stelle stehen Kontakte, an denen auch Schubspannungen infolge von Reibung auftreten. Dies gilt beispielsweise für Bereichen, in denen die äußere Belastung zu einer tangentialen Relativbewegung innerhalb der Kontaktfläche führen würde. Diese Kontaktflächen werden in MAMBA als "Frictional Contact" bezeichnet und umfassen auch den "Normal Contact".
Drittens gibt es Kontakte, an denen durch Vorspannung der Struktur hohe Kontaktdrücke auftreten. Dies ist beispielsweise bei Schraubverbindungen der Fall. Diese Kontakte werden in MAMBA als "Pretensioned Contact" bezeichnet und umfassen auch den "Frictional Contact".
Software Paket
Multibody Solution
Die gefügte Struktur wird als Teil eines Mehrkörpersystems analysiert.
Dies ist die bevorzugte Option, wenn die Kontaktspannungen innerhalb der gefügten Struktur das globale Verhalten des Mehrkörpersystems beeinflussen.
- Nahtlose Integration in flexible Mehrkörpersysteme
- Erfassen des Kontakts innerhalb flexibler Körper
Standalone Solution
Die gefügte Struktur wird als freigeschnittener Körper mit eingeprägten Kräften analysiert.
Dies ist die optimale Wahl, wenn die Schnittlasten unabhängig von den Kontaktspannungen und im Voraus verfügbar sind
- Wizard zum schnellen Aufbau des Simulationsmodells
- Maßgeschneiderter Solver für kurze Analysezeiten
- Parallele Simulation von Manövern
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