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1 Messereinheit
FEM-Analyse
eines Messerhalters mit dem
CAD-System Solid Works und
FEM-System MEANS V6
Ingenieurbüro Konstruktion und Betriebsmittel Ohnemus
Vorbereitung des Modells und STL-Export
Festlegung der Randbedingungen
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Das Ingenieurbüro KB Ohnemus, gegründet im Dezember 2000, befasst sich mit Konstruktionsdienstleistungen für den Maschinenbau, insbesondere mit der Konstruktion und Herstellung von Betriebsmitteln und Sondermaschinen.
Um Bauteile nicht nur nach Gefühl auszulegen wurden kritische Bereiche schon immer mit herkömmlichen Rechenmethoden analysiert. Dabei stößt man jedoch bei komplexen Bauteilen schnell an Grenzen, weshalb der Einsatz der Finiten-Elemente-Methode nahelag.
Da die FEM-Analyse unterstützend zum Konstruktionsprozess angewandt werden sollte, stellten sich folgende Anforderungen an die Software:
Einfache Bedienbarkeit durch den Konstrukteur selbst.
Möglichkeit des Imports von Bauteilen aus verschiedenen CAD-Systemen, um Zeit zu sparen.
Günstiges Preis-Leistungsverhältnis, da die FEM-Analyse nur als Nebentätigkeit während der Konstruktion betrieben werden sollte.
Mit Means V6 wurde ein FEM-System gefunden, das diesen Anforderungen entspricht.
Für eine vorhandene Litzenkompaktieranlage eines Schweissmaschinenherstellers sollte eine Vorschub- und Schneideeinheit konstruiert werden, um den bisherigen Handarbeitsplatz vollautomatisch betreiben zu können.
Das Kompaktieren der Enden von Kupferlitzen verhindert die besenförmige Ausbreitung der einzelnen Drähte der Litze in den folgenden Arbeitsschritten, z.B. dem Schweißen. Die Litze wird beim Kompaktieren zwischen Keramikplatten unter Druck in Form gebracht und über Elektroden mit einem Stromimpuls beaufschlagt. Dabei verschmelzen die einzelnen Drähte zu einem kompakten Block.
Im bisherigen Betrieb der Kompaktieranlage als Handarbeitsplatz wurden die Enden der schon fertig abgelängten Litzen von Hand in die Anlage eingeführt. Die Zufuhr und das Ablängen der Litzen sollten nun automatisiert, die vorhandene Anlage dabei jedoch nur so wenig wie möglich verändert werden. Gelöst wurde diese Aufgabe durch Anbau einer kombinierten Vorschub- und Schneideeinheit im vorderen Bereich der vorhandenen Anlage.
Die zu kompaktierende Litze wird hinter der Anlage auf einer Rolle bereitgestellt. Der Greifer der pneumatischen Vorschubeinheit zieht die Litze durch die Kompaktierelektroden hindurch auf die gewünschte, einstellbare Länge. Sie wird dann kompaktiert und anschließend von der Messereinheit geschnitten.
Die beiden Messerhalter der Messereinheit bewegen sich ähnlich einer Schere gegenläufig, deren Antrieb erfolgt über einen Druckluftzylinder, der zwei Rollen auf schiefen Ebenen der Messerhalter ablaufen läßt.
Aus ablauftechnischen Gründen muss das Schneiden 10mm hinter den Kompaktierelektroden erfolgen. Da bei der ursprünglichen Konzeption der Anlage als Handarbeitsplatz die Messereinheit nicht vorgesehen war und die Anlage auch nicht in größerem Umfang verändert werden sollte, ergaben sich in diesem Bereich somit erhebliche Bauraumprobleme.
Die Mechanik der Einheit musste deshalb aus diesem Bauraum weg nach außen verlegt werden. Da die Position der beiden Messer jedoch festgelegt war, mussten die Halter der Messer als relativ dünne, dreidimensional geformte Arme ausgebildet werden, um diversen Störkonturen auszuweichen.
In einem Vorversuch wurde die für das Schneiden der Litze nötige Kraft ermittelt. Aufgrund dieser Werte musste die Messereinheit auf eine Schnittkraft von 2000N ausgelegt werden.
Um ein sicheres Schneiden der Litze zu gewährleisten, müssen die Messer während des Schneidevorgangs sauber geführt werden, die Messerhalter dürfen sich also auch unter maximaler Schnittkraft nicht all zu sehr verbiegen. Ebenso dürfen die maximal zulässigen Materialspannungen im Messerhalter selbstverständlich nicht überschritten werden. Hier war jedoch vorab aufgrund der Geometrie schon abzusehen, dass sich diese in einem unkritischen Bereich bewegen würden.
Aufgrund ihrer Kontur konnte die Verformung mit rechnerischen Methoden jedoch nur näherungsweise ermittelt werden. Eine genauere Untersuchung des Bauteils mit der Finiten-Elemente-Software Means V6 lag somit nahe.
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1 Messereinheit
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2 Messerhalter
Die FEM-Software Means V6 verfügt über eine STL-Schnittstelle, um 3D-Volumenkörper einzulesen, die zuvor aus dem CAD-System Solid Works als STL exportiert worden sind. Vor dem STL-Export sind im CAD-System nur geringe Vorarbeiten erforderlich. Um beispielsweise in der FEM-Software Rechenzeit für die Vernetzung und die tatsächliche Berechnung zu sparen, werden für die Analyse unwesentliche Details wie Gewindebohrungen und kleine Radien und Fasen unterdrückt.
Das Bauteil kann anschließend als STL-Datei gespeichert werden. Die hierbei vorgenommenen Export-Einstellungen wirken sich später auf die Qualität des von Means V6 erzeugten FEM-Netzes aus. Folgende Einstellungen haben sich bewährt:
Ausgabe als ASCII: Werden binäre STL-Dateien exportiert, so muss Means V6 diese vor dem Import in Binärdaten konvertieren.
Auflösung grob: Beim STL-Format werden die Oberflächen des exportierten Körpers durch Dreiecksflächen beschrieben. Wählt man eine zu feine Exporteinstellung, so erhält man längliche, spitze Dreicke. Für eine korrekte Vernetzung durch das FEM-System werden jedoch möglichst gleichmäßige Dreicksflächen benötigt, da die Genauigkeit einer FEM-Analyse bei unregelmäßig geformten Elementen abnimmt.
Nach Import des Bauteils als STL-Datei in Means V6 kann dieses umgehend vernetzt werden. Hierfür ist lediglich die Angabe der Elementdichte notwendig. Die Software unterteilt das Bauteil anschließend automatisch in ein dreidimensionales Netz aus Tetraeder-Elementen.
Die Elementdichte steuert hierbei die Anzahl der erzeugten Elemente. Steigende Elementanzahl erhöht die Genauigkeit der FEM-Berechnung, wirkt sich jedoch auch auf die für Vernetzung und Berechnung notwendige Zeit aus.
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3 Vernetzung
Das vernetzte Bauteil kann anschließend in einer schattierten Ansicht begutachtet werden. Dabei sollte man die Regelmäßigkeit des erzeugten Netzes kontrollieren. Durch ein unregelmäßiges Netz können bei der späteren Analyse ungewöhnlich hohe Spannungsspitzen ermittelt werden, die nicht der Realität entsprechen.
In der Regel, so auch im gezeigten Beispiel erzeugt Means V6 jedoch auf Anhieb ein verwendbares Netz. Falls nicht, kann hier durch das Ändern weiterer Parameter eingegriffen werden.
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4 Vernetztes Bauteil
In der Realität wird das Bauteil über die beiden vertikalen Bohrungen in horizontaler Ebene fixiert. Der Hub des Messerhalters und damit dessen vertikale Position wird über die Stellung einer Rolle auf der schrägen Ebene festgelegt.
Da der hintere Bereich des Messerhalters jedoch schon vor der Analyse als unkritisch eingestuft wurde, wurde für die FEM-Analyse der Einfachheit halber die schräge Fläche mit den Randbedingungen „fixiert“ in allen drei Koordinatenrichtungen belegt.
Für die Selektion von Flächen bietet Means V6 den Modus Flächenselektion. In diesem kann die betreffende Fläche durch einen einzigen Click ausgewählt und allen Knotenpunkten des FEM-Modells, die auf dieser Fläche liegen, die Randbedingung zugewiesen werden.
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5 Selektion fixierte Fläche
Das Messer stützt sich am Messerhalter in vertikaler Richtung an einer Anlagefläche ab. Diese muss folglich mit einer Last von 2000N senkrecht zur Fläche belegt werden. Auch diese Fläche wird im Modus Flächenselektion ausgewählt.
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6 Aufbringen der Flächenlast
In Means V6 bietet sich hier den Lasttyp Flächenlast an, der die Gesamtbelastung auf alle Knoten der selektierten Fläche als Knotenlast umlegt.
Sehr nützlich ist auch die Möglichkeit, dem Bauteil bei der Definition der Randbedingungen eine Vorverformung zuweisen zu können. Somit können Bauteile mit unbekannter Belastung, jedoch bekannter aktueller Verformung berechnet werden.
Den Tetraeder-Elementen werden aus einer Datenbank die Materialkenndaten E-Modul und Poison-Zahl von Stahl zugewiesen. Da alle Elemente der gleichen Elementgruppe angehören, reicht eine einmalige Zuordnung der Materialdaten zur Gruppe.
Werden verschiedene Materialien verwendet, so können die entsprechenden Elemente in weitere Elementgruppen verschoben und diesen Gruppen dann ein anderes Material zugewiesen werden.
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7 Materialzuweisung
Das FEM-Modell ist hiermit vollständig definiert, die Berechnung kann erfolgen.
Belastungen und Randbedingungen werden zur Kontrolle im Graphikbereich angezeigt. Deren Werte können in den entsprechenden Dialofeldern noch einmal kontrolliert werden.
Die tatsächliche Berechnung läuft auf Knopfdruck vollautomatisch ab. Sie dauert im Falle des Messerhalters ca. 3 Minuten auf einem Centrino 1500.
Alle berechneten Werte werden in eine Ergebnis-Datei geschrieben und stehen beim nächsten Aufruf des Bauteils in Means V6 automatisch ohne Neuberechnung zu Verfügung.
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8 Starten des Solvers
Nach Ende der Berechnung werden die Ergebnisse grafisch dargestellt. Die Verformung des Messerhalters in Lastrichtung beträgt maximal 0,1mm, was für dessen Einsatzzweck ausreichend ist.
Die Verformung wird durch eine entsprechende Farbzuweisung dargestellt. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Verformung des Bauteiles durch Angabe eines Faktors deutlicher sichtbar zu machen.
Ein kurzer Blick auf die Spannungsverteilung bestätigt die Annahme, dass die maximal auftretende Biegespannung im Bauteil mit ca. 100N/mm^2 unkritisch ist.
Die reale Messereinheit hat später die FEM-Analyse bestätigt. Sie funktioniert problemslos.
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9 Auswertung der Verformung
Der hauptsächliche Einsatzbereich von Means V6 bei KB Ohnemus ist die Analyse von importierter Geometrie aus 3D-CAD-Systemen.
Oft kann es jedoch auch effektiver sein, das FEM-Modell in Means V6 zu erstellen. Für die Analyse eines Balkentragwerkes, wie kürzlich vorgenommen, ist es beispielsweise nicht sinnvoll, das Tragwerk als Volumenkörper zu modellieren und dann in Means V6 mit Tetraederelementen zu vernetzen. Viel schneller ist hierbei der Neuaufbau des Modelles mit den entsprechenden Balkenelementen. Da Means V6 alle gängigen FEM-Elementtypen unterstützt, hat man hierbei sehr viele Möglichkeiten.
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