Bildkorrelation zur Validierung der Finite-Elemente-Analyse mit Z88Aurora anhand einer Windkraftflügelstruktur

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1 Bildkorrelation zur Validierung der Finite-Elemente-Analyse mit ZAurora anhand einer Windkraftflügelstruktur 15. Bayreuther 3D-Konstruktuerstag 1. September 13 Dipl.-Ing. Christoph Wehmann Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg

2 Einführung ZAurora Rechenkerne werden seit 19 von Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg entwickelt neueste Open-Source Version: ZV1 OS seit 9 Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD: ZAurora neueste Version: Va (nicht Open-Source) Vollständiges FEA-Paket Import von CAD-Dateien Elementtypen Free-Meshing Tools (Tetraedervernetzer) Präprozessor (Randbedingungsaufgabe über GUI) lineare, nichtlineare, thermische und Eigenschwingungssolver Postprozessor und Exportfunktion Entwicklung von Berechnungssoftware erfordert Validierung! 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13

3 Zielsetzung Verformungssimulation eines geometrisch komplexen Bauteils mit ZAurora und Validierung der Ergebnisse mittels Bildkorrelation Auswahl Prüfkörper: Flügel einer Windkraftanlage Vollkörper aus Aluminium gefräst Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13

4 Versuchsaufbau Parameter für Simulation und Messung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13 Kraft F Auswertung der Biegelinie mittels 1. FEA und. Bildkorrelation Feste Einspannung

5 Versuchsaufbau Prüfstand Stereokamerasystem [LIM13] Kamerasystem Prüfkörperhalter Prüfkörper Verfahrweg Spindel: 5 mm Kraftmessdose: 5 N 5 Anpassbarkeit an unterschiedliche Prüfkörpergeometrien Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13 Kraftmessdose Linearführung/Kurbel 5

6 Versuchsaufbau Bildkorrelation Schematischer Aufbau Prüfkraft F Kraftmessdose Auswertungsbereich Kamera 1 Messsignal Prüfkörper Einspannung Kamera Messverstärker LIMESS PC Kamerasignale 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13

7 Versuchsaufbau Bildkorrelation Präparation des Prüfkörpers 1. Säubern und Entfetten des Aluminium-Rohlings. weiße Grundierung zur Erhöhung des Kontrastes 3. Auftragen eines unregelmäßigen, schwarzen Punktemusters Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13

8 Versuchsdurchführung Bildkorrelation Durchführung 1. Aufnehmen von Stereobild und zugehörigem Kraftwert für jeden Lastschritt Lastschritt Kamera 1 Kamera. Auswertungssoftware IstraD [Dan13] berechnet aus dem Stereobild für jeden Lastschritt die Verschiebung innerhalb des Auswertebereichs Kraftwert Startpunkt Lastschritte Auswertemaske 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13

9 Versuchsdurchführung Finite-Elemente-Analyse FEA-Model: ~ 37. Knoten ~. Tetraeder (quadratisch/1 Knoten) Kraftaufgabe: 1 N Feste Einspannung: Verschiebungen in x, y, z = [RHA1] Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13

10 Simulation 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13 Gesamtverschiebungen Verformtes Modell Skalierung: Unverformtes Modell 1

11 Lastschritt / Kraftangriffspunkt Biegelinie 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step Gemessene Biegelinie, Step 1 9, 3, 31, 3, 33, 11

12 Lastschritt 1/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 1 Gemessene Biegelinie, Step 1 1 9, 3, 31, 3, 33, 1

13 Lastschritt / 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step Gemessene Biegelinie, Step 1 9, 3, 31, 3, 33, 13

14 Lastschritt 3/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 3 Gemessene Biegelinie, Step 3 1 9, 3, 31, 3, 33, 1

15 Lastschritt / 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step Gemessene Biegelinie, Step 1 9, 3, 31, 3, 33, 15

16 Lastschritt 5/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 5 Gemessene Biegelinie, Step 5 1 9, 3, 31, 3, 33, 1

17 Lastschritt / 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step Gemessene Biegelinie, Step 1 9, 3, 31, 3, 33, 17

18 Lastschritt 7/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 7 Gemessene Biegelinie, Step 7 1 9, 3, 31, 3, 33, 1

19 Lastschritt / 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step Gemessene Biegelinie, Step 1 9, 3, 31, 3, 33, 19

20 Lastschritt 9/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 9 Gemessene Biegelinie, Step 9 1 9, 3, 31, 3, 33,

21 Lastschritt 1/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 1 Gemessene Biegelinie, Step 1 1 9, 3, 31, 3, 33, 1

22 Lastschritt 11/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 11 Gemessene Biegelinie, Step , 3, 31, 3, 33,

23 Lastschritt 1/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 1 Gemessene Biegelinie, Step 1 1 9, 3, 31, 3, 33, 3

24 Lastschritt 13/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 13 Gemessene Biegelinie, Step , 3, 31, 3, 33,

25 Lastschritt 1/ Zunehmende Anzahl von Erkennungsfehlern 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 1 Gemessene Biegelinie, Step 1 1 9, 3, 31, 3, 33, 5

26 Lastschritt 15/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 15 Gemessene Biegelinie, Step , 3, 31, 3, 33,

27 Lastschritt 1/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 1 Gemessene Biegelinie, Step 1 1 9, 3, 31, 3, 33, 7

28 Lastschritt 17/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 17 Gemessene Biegelinie, Step , 3, 31, 3, 33,

29 Lastschritt 1/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 1 Gemessene Biegelinie, Step 1 1 9, 3, 31, 3, 33, 9

30 Lastschritt 19/ 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va),,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step 19 Gemessene Biegelinie, Step , 3, 31, 3, 33, 3

31 Lastschritt / Große Anzahl von Erkennungsfehlern 1 1 Berechnete Kennlinie (ZAurora Va) max. Abweichung der Verschiebung bei gleicher Kraft: 3,%,,,,, 1, 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September Berechnete Biegelinie, Step Gemessene Biegelinie, Step 1 9, 3, 31, 3, 33, 31

32 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Die Bildkorrelation eignet sich sehr gut für die flächige Auswertung von Verformungen. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse mit ZAurora konnten mittels der Bildkorrelation mit einer Abweichung von 3,% abgebildet werden. Ausblick nichtlineare Berechnung unter sonst gleichen Bedingungen weitere Validierungsversuche mit anderen Materialien/Randbedingungen Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13

33 Anhang Literatur [Dan13] [LIM13] [RHA1] Dantec Dynamics, Homepage des Herstellers: LIMESS GmbH, Homepage des Herstellers: F. Rieg, R. Hackenschmidt, B. Alber-Laukant: Finite Elemente Analyse für Ingenieure,. Ausgabe, Carl Hanser Verlag, München, Wien, Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 1. September 13