Anwendungen
PKW - Entwicklung
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Karosserien sind komplexe Konstruktionen mit einer großen Anzahl von Fügestellen. Eine übliche Vorgehensweise bei der Lebensdaueranalyse anhand der linearisierten Struktur ist das Aufbringen externer Lasten samt der diese ins Gleichgewicht setzenden Trägheitskräfte. Bei dieser Methode werden Kontaktspannungen und Resonanzen innerhalb der Konstruktion vernachlässigt. In einem fortschrittlicheren Ansatz wird die Karosserie als flexible Komponente in ein Mehrkörpersystem einbezogen und der Fügestellenkontakt mit MAMBA berücksichtigt.
Für eine lokale Lebensdaueranalyse, wie im angeführten Beispiel einer Batteriehalterung, kann der Anwender Kontakte im gewünschten Bereich bestimmen lassen. Die Betriebsfestigkeitsanalyse für die üblicherweise hoch belasteten Schweißpunkte zeigte beim Einsatz von MAMBA eine verbesserte Korrelation mit Ergebnissen am physischen Prüfling.
Soll die gesamte Karosserie ausgewertet werden kann MAMBA anhand von Referenzsimulationen automatisch alle relevanten Kontaktbereiche ermitteln. Dieser Ansatz ermöglicht eine genaue Lebensdaueranalyse unter Berücksichtigung des Einflusses von Vibrationen der Struktur samt den dabei wirkenden Kontaktspannungen.
Vorteile
- Automatische Definition der relevanter Kontakte bei komplexen elastischen Konstruktionen
- Berücksichtigung von Vibrationen der Struktur
- Verbessertes Verfahren für die Betriebsfestigkeit von Karosserien
Antriebsstrangkomponenten wie Getriebe haben in der Regel eine hohe Zahl von verschraubten Kontaktflächen. Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen diesen Teilen beeinflusst sowohl die Spannungsverteilung unter Last als auch das Schwingungsverhalten.
Das Beispiel eines Verteilergehäuses zeigt die Spannungsverteilung am Gehäuseflansch im montierten Zustand. Durch die Einbeziehung dieses Gehäuses als flexible Struktur in eine dynamische Simulation des Antriebsstrangs können die zeitabhängigen Spannungen im Gehäuse und die Kontaktspannungen ausgewertet werden. Anhand dieser Ergebnisse kann die Lebensdauer des Gehäuses und sowie dessen Dichtheit analysiert werden.
Ein Torsionsdämpfer, welcher auf einer Kurbelwelle verschraubt ist, wird im Betrieb hochdynamisch belastet. In Bereichen, in denen der Anpressdruck bei Spitzenbelastungen abnimmt, ist Passungsrost zu beobachten. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde mit einem Kurbeltriebmodell eine Hochlaufsimulation unter Volllast durchgeführt. Dabei wurde die Fügestelle zwischen Kurbelwelle und Visko-Dämpfer mit MAMBA modelliert. Anhand von derart ermittelten Ergebnissen konnten kritische Drehzahlen, bei denen der Anpressdruck in den Bereichen des Verschleißbildes abnimmt, bestimmt werden.
Vorteile
- Analyse der Dichtheit von verschraubten Gehäusen
- Analyse der Kontaktspannungen infolge dynamischer Belastungen als Hinweis auf Passungsrost
- Auswertung des gesamten Drehzahlbereichs unter Einbeziehung von Resonanzeffekten
Die Batterie eines PKW vibriert durch die Fahrbahnanregung. Aufgrund der Masse der Batterie führen diese Schwingungen zu hohen Belastungen innerhalb der Tragkonstruktion.Somit wird für eine zuverlässige Lebensdaueranalyse ein korrektes dynamisches Modell unter Einbeziehung der Kontaktspannungen an den punktgeschweißten Flanschen benötigt.
Am Beispielmodell einer Batteriehalterung wurden die Kontaktspannungen innerhalb der punktgeschweißten Flansche der Halterung sowie der unmittelbaren Umgebung mittels MAMBA modelliert. Im Gegensatz dazu werden Belastungen im linearen Modell ausschließlich über die Schweißpunkte übertragen, was in vielen Bereichen zu unrealistisch hohen Schädigungswerten führt. Durch die stützende Wirkung der Kontakte ergibt sich ein anderer Lastverlauf, was bei etlichen Punktschweißungen zu reduzierten Schädigungswerten und bei manchen Punktschweißungen zu erhöhten Schädigungswerten führt.
Vorteile
- Realistisches Schwingungsverhalten durch korrekten Lastverlauf
- Realistische Schadensbewertung von punktgeschweißten Konstruktionen
Das Zuschlagen einer Autotür ist ein dynamischer Prozess, welcher die Haltbarkeit der Türkonstruktion beeinflusst. Im vorliegenden Beispiel wurde die flexible Tür auf eine definierte Aufprallgeschwindigkeit beschleunigt. Um die Spitzenbelastung beim Aufschlagen korrekt abzubilden ist neben der Türstruktur eine korrekte Modellierung der Dichtungen und des Schließmechanismus notwendig.
Die Analyse des linearen Modells ohne Fügestelleneinfluss ergab eine unrealistische Durchdringung der Bleche im Bereich des Riegels. Durch die Simulation des Türaufpralls und aktivierten MAMBA Fügestellen konnte eine realistische Belastung erzielt werden. Beide Simulationsergebnisse wurden als Ausgangsbasis für eine anschließende Betriebsfestigkeitsanalyse herangezogen. Ein Vergleich der höchst geschädigten Schweißpunkte verdeutlicht den Einfluss von Fügestellenkontakt bei diesem Anwendungsfall.
Vorteile
- Realistische Belastung der Türkonstruktion für die Betriebsfestigkeitsanalyse
- Geringerer Rechenzeitbedarf als vergleichbare Simulation mit expliziten FE Solvern
Nutzfahrzeugentwicklung
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Das Zuschlagen der Tür eines Fahrerhauses ist ein dynamischer Prozess, welcher die Haltbarkeit der Türkonstruktion beeinflusst. Im vorliegenden Beispiel wurde die flexible Tür auf eine definierte Aufprallgeschwindigkeit beschleunigt. Um die Spitzenbelastung beim Aufschlagen korrekt abzubilden ist neben der Türstruktur eine korrekte Modellierung der Dichtungen und des Schließmechanismus notwendig.
Die Analyse des linearen Modells ohne Fügestelleneinfluss ergab eine unrealistische Durchdringung der Bleche im Bereich des Riegels. Durch die Simulation des Türaufpralls und aktivierten MAMBA Fügestellen konnte eine realistische Belastung erzielt werden. Beide Simulationsergebnisse wurden als Ausgangsbasis für eine anschließende Betriebsfestigkeitsanalyse herangezogen. Ein Vergleich der höchst geschädigten Schweißpunkte verdeutlicht den Einfluss von Fügestellenkontakt bei diesem Anwendungsfall.
Vorteile
- Realistische Belastung der Türkonstruktion für die Betriebsfestigkeitsanalyse
- Geringerer Rechenzeitbedarf als vergleichbare Simulation mit expliziten FE Solvern
Die Anbauteile am LKW-Rahmen schwingen aufgrund von Anregungen durch Fahrbahn oder Antriebsstrang. Durch die Masse der Anbauteile führen diese Schwingungen zu hohen Belastungen im Bereich des verschraubten Flansches zwischen Rahmen und Anbauteil. Für eine zuverlässige Lebensdaueranalyse ist daher ein korrektes dynamisches Modell unter Einbeziehung der nichtlinearen Kontaktbedingungen erforderlich.
Am Beispielmodell eines Längsträger Anbauteils wurde die Kontaktwechselwirkung zwischen dem Längsträger und der Konsole mittels MAMBA in der dynamischen Simulation berücksichtigt. Diese zeigte eine Verschiebung der Eigenfrequenzen infolge der Kontaktspannungen in der Fügestelle. Im linearen Modell erfolgt der Lastfluss hingegen nur über die Schraubenmodelle, was zu unrealistisch hohen lokalen Schädigungen führt. Die stützende Wirkung von Kontakten mit MAMBA führt zu einer Verteilung der Lasten und damit zu einer deutlichen Reduzierung der Schädigungen.
Vorteile
- Realistische Abbildung der Vibration von Anbauteilen
- Realistische Lebensdauerbewertung von verschraubten Konstruktionen
Bei der Entwicklung eines LKW-Rahmens sind die globale Steifigkeit und die Lebensdauer wichtige Anforderungen an die Konstruktion.
Rahmen für Nutzfahrzeuge haben in der Regel eine hohe Anzahl verschraubter Kontaktflächen. In diesem Zusammenhang ist die lineare FE-Methode zwar zweckmäßig, reproduziert die lokale Belastung in bestimmten Bereichen der Kontaktflansche allerdings nicht korrekt. Dies kann zu einer unrealistischen Bewertungen der Betriebsfestigkeit führen.
Für das neuartige Konzept eines Leichtbau Rahmensegments wurden die Fügestellen detektiert und die wichtigsten Kontaktflächen identifiziert. Die Ergebnisse der Lastsimulation unter Einbeziehung der Kontaktspannungen mit MAMBA bildeten die Ausgangsdaten für eine anschließende Analyse der Betriebsfestigkeit.
Der Vergleich von Ergebnissen der linearen FE Analyse mit den Ergebnissen der MAMBA Kontaktsimulation zeigt signifikante Unterschiede in den prognostizierten Schadensverteilungen.
Vorteile
- Realistische Eingangsdaten für die Betriebsfestigkeitsanalyse
- Bewertung auch im Bereich der Schraubverbindungen
Während der Fahrt wird die Blattfeder eines Fahrwerks dynamisch belastet. Dabei ist die zwischen den einzelnen Blättern auftretende Gleitreibung ein wichtiger Dämpfungsmechanismus für das Fahrzeug.
Durch den Einsatz von MAMBA ist es beispielsweise möglich Pendelfedern zu modellieren, welche die nichtlinearen statischen und dynamischen Eigenschaften korrekt abbilden. Messungen an einem typischen Federtyp haben die hohe Genauigkeit und Prognosefähigkeit dieses Modells bewiesen.
Darüber hinaus wurde das Federmodell in das Modell eines kompletten Fahrzeugs eingefügt. Diese ermöglicht eine verbesserter Ergebnisqualität bei Fahr- und Handlingsimulationen.
Vorteile
- Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen den Blättern einer Blattfeder (beispielsweise bei einer Pendelfeder)
- Verbesserte dynamische Simulation von Gesamtfahrzeugen
