Finite Elemente Analyse eines Säulenkranes mit dem FEM-System MEANS V10 Homepage: www.femcad.de Email: info@femcad.de Telefon: 07844 98 641
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 1 Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 Säulenkran Wie groß sind Verformungen, v.mises-vergleichsspannungen und Auflagerreaktionen wenn der Säulenkran mit einer Gewichtsbelastung von 1 Tonne zuzüglich Eigengewicht belastet wird. Starten Sie mit einem Doppelklick auf das Desktop-Icon von MEANS V10 um das Hauptprogramm zu starten. Wählen Sie Neues Projekt und 3D-Tetraeder-Netzgenerierung um die CAD-Datei für den 3D-Netzgenerator auszuwählen.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 2 3D-Netzgenerator starten Oder wählen Sie in der Ansichtsleiste das Icon 3D-Netzgenerator für Tetraeder aus. und das Dropdown-Menü Es erscheint eine Dialogbox, hier werden die CAD-Formate angezeigt: STL STEP IGES ein flexibles und verbreitetes CAD-Format von der Außenhülle ist zur Zeit der Standard und in fast jedem 3D-CAD verfügbar zählt zu den älteren CAD-Formaten ergänzend gibt es noch DXF AutoCAD-Format für Balken- und Linienmodelle, kann im Linien-Modus oder in MEANS-SHELL eingeladen werden
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 3 Kann das CAD-Modell nicht vernetzt werden wird folgende Vorgehensweise empfohlen: Im CAD-System prüfen ob die Außenhülle wasserdicht ist, d.h. alle Solids und Surfaces mit unverbundenen Kanten und Löchern, sehr kleinen Erhebungen oder Innenverschneidungen müssen gelöscht, optimiert oder repariert werden. Besteht die STEP-Datei aus einzelnen Baugruppen dann müssen diese zuerst im CAD-System zu einem Gesamtmodell vereint werden. Für kleinere Baugruppen kann auch das kostenlose CAD-Tool Freecad verwendet werden das über das Menü Step-Dateien zusammenfügen aufgerufen werden kann. Konvertieren Sie mit Menü SAT-STEP-Konverter starten die STEP-Datei in eine vielleicht besser funktionierende IGES- oder STL-Datei. Der CAD-Konverter ist eine Demo-Version mit einer 60-Tage-Laufzeit. Eine weitere Möglichkeit das CAD-Modell doch noch mit der gleichen CAD-Datei zu vernetzen wäre die Datei von HTA-Software mit verschiedenen kommerziellen Repairprogrammen optimieren zu lassen. Dieser Service ist im Rahmen eines Wartungsvertrages kostenlos.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 4 Netzgenerator Nr. 2 Selektieren Sie die STP-Datei saeulenkran.stp und wählen Netzgenerator Nr. 2 starten Es wird automatisch der Netzgenerator Nr. 2 gestartet und das CAD-Modell wird in einem Windows-Fenster dargestellt. Sie können es mit der linken Maustaste beliebig im Raum drehen und ansehen. FEM-Netz erzeugen Im Netzgenerator können mit Menü Mesh und Meshing Options verschiedene Netzdichten eingestellt werden. Sie können aber sofort mit Menü Generate Mesh und der Netzdichte moderate ein FEM-Netz bestehend aus 45831 Knotenpunkten und 148187 Tetraeder- Elementen generieren. Netz mit Namen test.fem exportieren Wählen Sie jetzt das Menü File und Export Mesh um das Netz unter dem Namen test.fem in das Debug\Mesh-Verzeichnis zu exportieren. Jetzt wird der Preprozessor von MEANS V10 automatisch gestartet und das FEM-Modell dargestellt. Wird das FEM-Netz nicht automatisch eingeladen dann kann test.fem auch aus dem Mesh- Verzeichnis über das Menü FEM-Datei einladen eingelesen werden.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 5 Flächenmodell erzeugen Das Modell kann mit dem Wheel-Drehrad der Maus beliebig gezoomt sowie mit der linken Maustaste um die X- und Y-Achse und mit der rechten um die Z-Achse gedreht werden. Wählen Sie das Menü Flächenmodell erzeugen um das Modell in seine Flächen zu zerlegen. Die Flächen werden für die Erzeugung der Knoten- und Flächenbelastung sowie für die Randbedingungen benötigt und können beliebig ein- und ausgeblendet werden. Für das Modell stellen Sie normale Flächen ein und erzeugen das Flächenmodell.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 6 Lastfall 1 erzeugen Der Säulenkran wird mit einer Gewichtsbelastung von 1 Tonne bzw. 10 000 N zuzüglich Eigengewicht belastet. Lastfall 1 kann entweder als Knoten- oder als Flächenbelastung eingegeben werden. Knotenbelastung oder Flächenbelastung Knotenbelastung erzeugen Wählen Sie Menü Knotenlast erzeugen sowie Schritt 2: Knotenlast erzeugen und geben in der nächsten Dialogbox folgende Werte ein: Aktueller Lastfall: 1 Anzahl Lastwerte: 0 Wert der Knotenlast: zuerst noch - 1, da die Anzahl der Lastwerte nicht bekannt ist Freiheitsgrad: in Z-Richtung Selektion: Flächenmodus Und wählen Belastung erzeugen und klicken mit einem Doppelklick auf Fläche 19, diese wird in der Selectbox angezeigt. Dort mit Erzeugen die Knotenlast mit 50 Knoten erzeugen.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 7 Berechnung des Lastwertes Wählen Sie Menü FEM-Projekt bearbeiten und Belastungen und wählen das Menü Lastfall-Faktor. Berechnen Sie nun den Lastfall-Faktor = Gesamtgewicht / Anzahl der Lastwerte = -10000 N / 50 = - 200 N und geben diesen Wert mit ersetzen ein und klicken auf OK.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 8 Wert der Flächenbelastung ermitteln Lastfall 1 kann alternativ auch mit einer Flächenbelastung erzeugt werden. Da nur die Gewichtskraft bekannt ist muß zuerst die Umfangsfläche von Fläche 19 bestimmt werden um daraus den Wert der Flächenlast zu ermitteln. Wählen Sie Menü Flächenlast/Drucklast erzeugen und Menü Schritt 2: Umfangsfläche berechnen. Es erscheint auf der linken Seite eine neue Dialogbox indem alle Flächen mit Ihrer Umfangsfläche in mm² von groß nach klein angezeigt werden. Mit einem Mausklick auf das Listfeld können Flächen beliebig ein- und ausgeblendet werden. Berechnen Sie nun den Flächenlastwert zu 0.52631 indem Sie die Fläche 19 und die Gewichtsbelastung 10000 N eingeben und auf OK klicken.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 9 Flächenlast erzeugen Wählen Sie Menü Schritt 3: Flächenlast/Drucklast erzeugen und geben den oben ermittelten Wert -0.52613 als Flächenlast senkrecht zur Fläche mit der Selektion Flächenmodus ein. Wählen Sie Belastung erzeugen und klicken mit einem Doppelklick auf Fläche 19. Diese wird in der Selectbox angezeigt und dort mit Erzeugen die Flächenlast erzeugen..
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 10 Eigengewicht erzeugen Ebenfalls wird der Säulenkran mit seinem Eigengewicht belastet. Wählen Sie das Icon-Menü und Menü Gravitation/Eigengewicht und geben Lastfall 2 mit einer Gravitationsbeschleunigung von -9.81 in Z-Richtung ein. Dannach wählen Sie Lastfall erzeugen ohne überlagern (Quick-Solver), da die FEM- Analyse mit dem schnellen Quick-Solver durchgeführt werden soll der die Lastfälle automatisch überlagert. Bei dem Dr.Kühn-Solver dagegen muß eine Lastfall-Überlagerung erzeugt werden.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 11 Feste Einspannung erzeugen Der Säulenkran wird an seiner Säule fest eingespannt. Wählen Sie Menü Randbedingungen erzeugen und Schritt 2: Randbedingungen erzeugen. Wählen Sie in der nächsten Dialogbox Einspannung sowie Flächenmodus und klicken auf den Button RBS erzeugen. Klicken Sie mit einem Doppelklick jeweils auf die Flächen 50 und 31 sodaß die Flächen in der Selectbox angezeigt werden. Wählen Sie dort Erzeugen um die Randbedingungen zu erzeugen. Nach diesem Schritt werden die Randbedingungen an den Auflagerflächen dargestellt
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 12 Eingabe der Materialdaten Wählen Sie FEM-Projekt bearbeiten und Materialdaten und geben die Materialdaten für Stahl ein oder wählen Material-Datenbank und übernehmen die Werte aus der editierbaren Material-Datenbank.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 13
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 14 FEM-Analyse Zuerst sichern Sie das FEM-Modell unter einem beliebigen Namen in das aktuelle Projekt- Verzeichnis und wählen FEM-Analyse und wieder FEM-Analyse. In der nächsten Dialogbox klicken Sie weiter zum Quicksolver und Schritt 1: FEM-Solver starten. Wählen Sie Start FEM-Solver with INP-Interface um MEANS V10 automatisch zu schließen und um die FEM-Berechnung zu starten. Nach der FEM-Analyse wählen Sie Postprocessing MEANS V10 wieder starten um MEANS V10 mit dem Modell anzuzeigen und auszuwerten.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 15 Postprocessing Wählen Sie das Icon und das Menü Ergebnisauswertung mit Dialogbox um die Verformungen, Spannungen und Auflagerkräfte grafisch auszuwerten. v.mises-vergleichsspannungen Wählen Sie folgende Einstellungen für die Spannungsverteilung: Ergebnisse laden: Knotenspannungen gemittelt Lastfall: 2 Raster-Genauigkeit: 4 Ergebniskomponente: v.mises-vergleichsspannungen
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 16 Maximale v.mises-knotenspannung = 147.34 N/mm² Genauigkeit erhöhen Vergleichen Sie die Ergebnisse der gemittelten Knotenspannungen mit den etwas höheren ungemittelten Elementspannungen (siehe auch Kapitel 2, Seite 25). Für bessere Ergebnisse verwenden Sie das TET4X8-Element das das TET4-Element intern in 8 kleinere automatisch zerlegen und berechnen kann (FEM-Netz ist 8x feiner und sehr schnell, Eigenentwicklung von HTA-Software und nur in MEANS verfügbar) Rechenzeit: 30 Sekunden 3 Minuten 30 Minuten Verwenden Sie das quadratische Tetraederelement TET10 mit zusätzlichen Mittelknoten, benötigt jedoch sehr hohen Speicherplatzbedarf und hohe Rechenzeiten
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 17 Verformungen Wählen Sie folgende Einstellungen für die Verformungsverteilung: Ergebnisse laden: Verformungen einladen Lastfall: 1 Raster-Genauigkeit: 2 Ergebniskomponente: Verformungen in in Z-Richtung Maximale Verformungen in Z-Richtung = -35.17 mm
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 18 Verformungsfaktor Wählen Sie im Legenden-Menü Bearbeiten und Verformungsfaktor Wählen Sie verformte und unverformte Struktur zusammen Berechnen Sie mit Anpassen einen Verformungsfaktor von 6.55 Um einen Spannungsbereich besser auswerten oder um überhöhte Spannungsspitzen ausblenden zu können definieren Sie eine Bereich mit einem Maximal-/Minimalwert.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 19 Spannungen/Verformungen picken Wählen Sie das Icon und das Menü Ergebnisauswertung mit Dialogbox um die Spannungsverteilung mit einer höheren Raster-Genauigkeit von 4 darzustellen. Wählen Sie das Legenden-Menü Spannungen/Verformungen picken um die Maximal- und Minimalwerte der Spannungen direkt am Modell anzuzeigen. Es erscheint eine Dialogbox für Werte suchen, geben Sie hier von Knotenwert 96.18 bis Knotenwert 147.97 ein und wählen Suchen. Es werden nun alle Knotenwerte die in diesem Bereich liegen nach Größe sortiert aufgelistet.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 20 Summe der Auflagerkräfte prüfen Stellen Sie zuerst die Knotenkräfte in Z-Richtung als Kräfteverteilung dar. Stellen Sie mit Bearbeiten und Spannungen/Verformungen picken und Bereich die Maximalwerte der Z-Knotenkräfte dar.
Kapitel 15: FEM-Analyse eines Säulenkranes mit MEANS V10 21 Wählen Sie in der Listbox das Menü Summe Kräfte / Suchen sowie in der nächsten Dialogbox ganz unten das Menü Berechnung der Summe der Auflagerkräfte und es werden angezeigt: Lastfall 1: Summe der Z-Auflagerkräfte = 10000.06 N Lastfall 2: Summe der Z-Auflagerkräfte = 13614.54 N Eigengewicht berechnen Das Eigengewicht kann aus der Differenz der beiden Lastfälle berechnet werden oder Sie führen eine neue FEM-Analyse nur mit dem Eigengewicht durch: Eigengewichtsbelastung = 3614.54 N Eigengewicht = 361.4 Kg Der Säulenkran hat somit ein Gewicht von 361.4 Kg.