Simulation von Lagern - Vergleiche -
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- Rolf Roth
- vor 5 Jahren
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1 Simulation von Lagern - Vergleiche - Dr.-Ing. Stefan Reul, PRETECH GmbH, 28. April 2009 Schutzvermerk ISO beachten Seite 1
2 Diskussionspunkte» Problemstellung» MECHANICA-Modelle» Verschiebungen und Spannungen» Vergleich mit ABAQUS» Schlußfolgerungen» Regeln Schutzvermerk ISO beachten Seite 2
3 Problemstellung» Lager können sehr komplex aufgebaut sein» Was ist u.a. zu beachten?» Wie genau müssen die Spannungen in unmittelbarer Umgebung bestimmt werden?» Welche Modellierungs-Methoden gibt es?» Vergleich und Bewertung der Methoden anhand eines einfachen Beispiels» Ableitung von Regeln Schutzvermerk ISO beachten Seite 3
4 Was ist zu beachten?» Lagerart z.b. Gleitlager Kugellager Kegelrollenlager» Lagerspiel Radial und Verkippung Vorspannung (achsial u. radial -> Presspassung)» Genau rechnen oder nur vereinfacht nutzen? Schutzvermerk ISO beachten Seite 4
5 Vergleichs-Beispiel» 2D-Modell, ebener Dehnungszustand» Gleitlager mit R = 12 mm im L-Profil» Kerbradius 4 mm» Last -100 N in x- und 100 N in y-richtung» Fixierung rechts unten» Material: Aluminium» Vernetzung im Winkel immer identisch Schutzvermerk ISO beachten Seite 5
6 Vergleichs-Beispiel, Geometrie und Vernetzung» Geometrie Vernetzung Schutzvermerk ISO beachten Seite 6
7 Vergleichs-Beispiel, Geometrie und Vernetzung ABAQUS Schutzvermerk ISO beachten Seite 7
8 Messpunkte für max. Spannung» Weitere Messungen: Max. Verschiebung des Winkels dmag Numerischer Fehler / Konvergenz DOF P8 P6 P9 P7 P11 P10 Schutzvermerk ISO beachten Seite 8
9 Variationen I» Spalt am Gleitlager (1 µm, 20 µm, 50 µm und100 µm)» Lagerlast (idealisierte Lastverteilung) Schutzvermerk ISO beachten Seite 9
10 Variationen II» Last auf ganzer Kurve» Last auf halber Kurve Schutzvermerk ISO beachten Seite 10
11 Variationen III» Balkenspinne Punktförmige Anbindung Umlaufende Balken Halb umlaufende Balken Schutzvermerk ISO beachten Seite 11
12 Variationen IV» Starre Verbindung» Halbe orthotrope Schicht Schutzvermerk ISO beachten Seite 12
13 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- Kontakt» Spalt: 1 µm» Max. Verschiebung: 39,7 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 13
14 Verformungs-Ergebnisse» Referenz: MECHANICA- Kontakt» Spalt: 20 µm» Max. Verschiebung: 50,0 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 14
15 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- Kontakt» Spalt: 50 µm» Max. Verschiebung: 54,0 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 15
16 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- Kontakt» Spalt: 100 µm» Max. Verschiebung: 54,6 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 16
17 Verformungs-Ergebnisse» ABAQUS- Kontakt» Spalt: 20 µm» Max. Verschiebung: 48,5 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 17
18 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- Lagerlast» Max. Verschiebung: 46,8 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 18
19 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- Kurvenlast» Max. Verschiebung: 41,8 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 19
20 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- halber Kurvenlast» Max. Verschiebung: 51,0 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 20
21 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- punktförmiger Balkenspinne» Max. Verschiebung: 32,8 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 21
22 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- Balkenspinne und umlaufenden Balken» Max. Verschiebung: 31,2 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 22
23 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- Balkenspinne und halb umlaufenden Balken» Max. Verschiebung: 40,4 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 23
24 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- starrer Verbindung» Max. Verschiebung: 29,4 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 24
25 Verformungs-Ergebnisse» MECHANICA- halber orthotroper Schicht» Max. Verschiebung: 41,0 µm Schutzvermerk ISO beachten Seite 25
26 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- Kontakt» Spalt: 1 µm» Max. Von Mises Spannung: 45,5 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 26
27 Von Mises-Ergebnisse» Referenz: MECHANICA- Kontakt» Spalt: 20 µm» Max. Von Mises Spannung: 46,1 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 27
28 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- Kontakt» Spalt: 50 µm» Max. Von Mises Spannung: 50,2 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 28
29 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- Kontakt» Spalt: 100 µm» Max. Von Mises Spannung: 50,5 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 29
30 Von Mises-Ergebnisse» ABAQUS- Kontakt» Spalt: 20 µm» Max. Von Mises Spannung: 40,2 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 30
31 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- Lagerlast» Max. Von Mises Spannung: 45,9 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 31
32 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- Kurvenlast» Max. Von Mises Spannung: 46,1 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 32
33 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- halber Kurvenlast» Max. Von Mises Spannung: 53,6 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 33
34 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- punktförmiger Balkenspinne» Max. Von Mises Spannung: 122,5 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 34
35 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- Balkenspinne und umlaufenden Balken» Max. Von Mises Spannung: 45,6 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 35
36 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- Balkenspinne und halb umlaufenden Balken» Max. Von Mises Spannung: 80,9 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 36
37 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- starrer Verbindung» Max. Von Mises Spannung: 45,5 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 37
38 Von Mises-Ergebnisse» MECHANICA- halber orthotroper Schicht» Max. Von Mises Spannung: 45,7 MPa Schutzvermerk ISO beachten Seite 38
39 Fehler-Einstufungen» Referenz: MECHANICA Kontakt- 20 µm Spalt: 15 % schwarz» Fehler 0 bis 5 %: 30 % schwarz» Fehler 5 bis 10 %: 45 % schwarz» Fehler 10 bis 20 %: 60 % schwarz» Fehler größer 20 %: 75 % schwarz» Der Spaltbreiten-Vergleich zeigt nur die Abweichungen zum Referenz-Modell Schutzvermerk ISO beachten Seite 39
40 Vergleiche I Kontakt- Modelle DOF [-] d_mag [µm] P6 [MPa] P7 [MPa] P8 [MPa] P9 [MPa] P10 [MPa] P11 [MPa] 1 µm Spalt MECH ,7 25,7 31,9 18,9 17,4 45,5 17,2 20 µm Spalt MECH ,0 31,4 45,5 32,1 22,1 46,1 24,8 50 µm Spalt MECH ,0 35,1 50,2 44,1 25,5 46,2 27,1 100 µm Spalt MECH ,6 35,8 50,5 45,5 25,7 46,2 27,4 20 µm Spalt ABAQ ,5 29,1 38,7 26,2 17,9 40,2 23,2 Schutzvermerk ISO beachten Seite 40
41 Vergleiche II MECH- Modelle DOF [-] RMS Spann. -Fehler [%] d_mag [µm] P6 [MPa] P7 [MPa] P8 [MPa] P9 [MPa] P10 [MPa] P11 [MPa] 20 µm Spalt ,9 50,0 31,4 45,5 32,1 22,1 46,1 24,8 Lagerlast ,4 46,8 29,0 41,8 29,7 19,5 45,9 22,5 Kurvenlast ,5 41,8 23,0 19,1 13,6 12,5 46,1 17,4 Halbe Kurvenlast ,4 51,0 53,6 38,9 29,5 23,1 46,1 25,2 Starre Verbindung ,5 29,4 2,6 1,6 0,1 0,7 45,5 8,7 Schutzvermerk ISO beachten Seite 41
42 Vergleiche III MECH- Modelle DOF [-] RMS Spann. -Fehler [%] d_mag [µm] P6 [MPa] P7 [MPa] P8 [MPa] P9 [MPa] P10 [MPa] P11 [MPa] 20 µm Spalt ,9 50,0 31,4 45,5 32,1 22,1 46,1 24,8 Balkenspinne, einfach ,2 32,8 53,3 26,1 6,6 10,6 45,9 20,1 Balkenspinne, umlaufend ,9 31,2 7,7 4,0 3,3 4,2 45,6 10,7 Balkenspinne, halb umlaufend ,9 40,4 80,9 60,1 14,2 22,6 45,6 17,8 Halbe orthotrope Schicht ,0 41,0 27,3 34,5 18,8 21,6 45,7 18,4 Schutzvermerk ISO beachten Seite 42
43 Schlußfolgerungen I» Spaltvergrößerung: In unmittelbarer Umgebung der Kontaktstelle steigen die Verformungen und Spannungen mit zunehmendem Spalt - zum Teil erheblich - an Bei P10 (Radius) sind die Spannungen konstant Qualitativ sind die Spannungsverteilungen gleich Bei allen Analysen sind die numerischen Fehler (Konvergenz) kleiner 1,0 % Schutzvermerk ISO beachten Seite 43
44 Schlußfolgerungen II» Vergleich MECHANICA / ABAQUS (20 µm): ABAQUS zeigt stets zu geringe Verformungen (3 %) und Spannungen (5 % bis 20 %; 13 % bei P10) Qualitativ sind die Spannungsverteilungen gleich ABAQUS benötigte DOF gegenüber DOF bei MECHANICA Hinweis: mit ABAQUS können fast die gleichen Ergebnisse erreicht werden, wenn noch wesentlich feiner vernetzt wird (ca bis DOF -> deutlich höherer Aufwand) Schutzvermerk ISO beachten Seite 44
45 Schlußfolgerungen III» Vergleich Modellierungsmethoden: Alle Methoden erlauben eine sehr genau Analyse der Spannungen außerhalb des Lagerbereichs (P10 und weiter entfernt) Die maximalen Verformungen schwanken erheblich (von 29,4 bis 51 µm) Lediglich die Lagerlast und halbe Kurvenlast ermöglicht noch befriedigende Spannungen in Lagernähe Mangelhaft sind aber starre Verbindungen, Balkenspinnen und orthotrope Schichten Schutzvermerk ISO beachten Seite 45
46 Regeln» Entscheidend ist, an welchen Stellen im Modell korrekte Ergebnisse nötig sind» Starre Verbindungen in Lagern meiden (sind dafür auch nicht entwickelt worden)» Balkenspinnen und orthotrope Schichten mit Vorsicht einsetzen (führen immer zu mehreren singulären Stellen)» Kontakt-Analysen sind aufwändig, aber sehr genau und können Toleranzen berücksichtigen Schutzvermerk ISO beachten Seite 46
47 Fragen? Bemerkungen? Kritik? Schutzvermerk ISO beachten Seite 47
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