Sie haben ein Kardangelenk in ihrem CAD-System konstruiert und möchten nun wissen, ob die Konstruktion den Belastungen im Betrieb standhält. Die Geometrie des Bauteil ist relativ komplex und durch analytische Ansätze nur näherungsweise zu berechnen. Da wir die ganze Sache wieder einmal etwas genauer wissen wollen ;), entscheiden wir uns für eine Finite-Elemente-Analyse (FEA). Als FE-Programm verwenden wir Z88Aurora.

Der Antriebsstrang, in dem das Kardangelenk verbaut ist, muss ein Drehmoment von maximal 5000 Nm übertragen.

Export der CAD-Geometrie

Das CAD-System bieten die Möglichkeit die Bauteile in verschiedenen Geometrieformaten zu exportieren. In diesem Beispiel soll das STEP-Format (*.stp) verwendet werden. Da es sich beim Kardangelenk um ein 3-dimensionakles CAD-Modell handelt, wird in den Exporteinstellungen des CAD-Systems nach Möglichkeit auch nur die Einstellung „Volumenkörper“ ausgewählt.

Import und Vernetzung

Wir starten Z88Aurora und legen unter Datei Neu ein neues Projekt mit dem Namen „Kardangelenk“ auf unserer Festplatte an. Als Analyseart verwenden wir Lineare Festigkeit, da sich das Bauteil ohnehin nur sehr gering verformen sollte. Jetzt können wir das Bauteil auch schon importieren. Wir nutzen dazu im Menü Import von Z88Aurora die Funktion STEP-Datei und wählen einfach die Datei Kardanwelle.stp aus. Um eine FEA durchführen zu können, muss unsere Kardanwelle zunächst das sog. FE-Preprozessing durchlaufen. Dazu starten wir mit der Vernetzung des Bauteils. Für die Vernetzung sind Tetraeder am besten geeignet. Im Z88Aurora Präprozessor wählen wir unter Vernetzung Tetraeder den Vernetzer Netgen aus. Der Elementtyp ist der quadratische Tetraeder mit der Netzfeinheit von 10. Der Wert 10 bedeutet, dass die größte Elementkante eines Tetraeders nicht größer als 10 der Längeneinheit, indem das Bauteil konstruiert wurde, ist. Jetzt nur noch Hinzufuegen und Netz erstellen drücken, kurz abwarten und – voilà – das Kardangelenk ist vernetzt. Abschließend bietet sich noch eine Netz-Analyse an. Hinter diesem Button verbirgt sich eine Prüfung der Rechenbarkeit des FE-Netzes. Wenn, wie hier, alles erfolgreich ist, kann es mit dem Material weitergehen.

Material

Im Präprozessor weisen wir durch Klick auf den Button Material – Datenbank dem Kardangelenk einen Werkstoff zu. Ohne die Zuweisung von E-Modul und Querkontraktionszahl für unser Bauteil kann keine FEA durchgeführt werden. Zwei Klicks später – Material in der Datenbank anwählen – Zuweisen (für alle Elemente) ist alles erledigt. Als Material wählen wir übrigens Maschinenbaustahl.

Randbedingungen

Als letzter Schritt im FE-Präpozessing werden die Randbedingungen – also alle Kräfte und Festhaltungen – festgelegt. Das prinzipielle Vorgehen ist das Anlegen einer gewählten Knoten- oder Flächenmenge – den sog. Sets – und die anschließende Zuweisung von Randbedingungen zu diesen Sets – Kräfte, Drücke, Festhaltungen, etc.. Wir wechseln im Präprozessor unter Set-Verwaltung in das Menü Picking. Das Kardangelenk soll in allen zehn Bohrlöchern am Flansch festgehalten werden. Wir erstellen uns ein Knoten-Set (wie im Bild gezeigt) von allen Bohrlöchern. Wer von Ihnen mit dem Picking noch nicht so vertraut ist, kann sich vorher gerne einmal ein kleines Hilfevideo ansehen. Das ensprechende Video ist im Textreiter Hilfe – Videohandbuch – 05_picking zu finden. Hat die Auswahl der Bohrlöcher funktioniert? – Nicht? – Kein Problem! – Vielleicht hilft auch das Z88Aurora Benutzerhandbuch (Hilfe – Benutzerhandbuch) weiter. Wenn das Bohrlochset erstellt ist, benötigen wir noch jeweils ein Knoten-Set für die Lastaufgabe. Dazu werden jeweils nur die Hälfte der zwei anderen Bohrungen ausgewählt, um später die aus dem Drehmoment berechneten Kräfte aufzugeben. Sind die drei Sets erzeugt, können wir die Randbedingungen definieren. Im Präprozessor klicken wir auf Randbedingungen – Zuweisen, um in das entsprechende Menü zu gelangen. Für die Fixierung wird für das Set der Bohrungen im Flansch die Verschiebung in X-,Y- und Z-Richtung zu „0“ gesetzt. Auch hier bietet Z88Aurora für den Fall, dass etwas nicht funktioniert hat, ein bisschen Hilfe an. Wählen Sie einfach unter Hilfe – SPIDER-Hilfe aus. Ein neues Fenster mit dem Ablaufplan der FEA öffnet sich – die sog. SPIDER-Hilfe. Hier können Sie unter dem Punkt Präprozessor und Randbedingungen ein Video oder auch ein PDF zur Randbedingungsaufgabe ansehen, falls Sie nicht weiterkommen. Zur Festlegung der Kraftrandbingungen müssen wir zunächst das maximal wirkende Drehmoment in Kräfte umrechnen. Wirkt ein Drehmoment von 5.000 Nm bei einem Hebelarm von 50 mm – in unserem Fall haben wir in mm konstruiert – Abstände messen kann Z88Aurora übrigens auch unter Tools – Analyse –Messen – Abstand – dann bedeutet das für eine Kraft, die jeweils zur Hälfte auf die oberen Bohrungen wirkt, eine Größe von 50.000 N pro Bohrung. Diese Kraft wird als projizierte Flächenlast auf auf die beiden Bohrloch-Sets aufgegeben. Beachten Sie, dass eine Kraft in positive, die andere in negative Y-Richtung wirken muss. Eine projizierte Flächenlast verteilt die Kraft bzw. den angegeben Karftwert unter Berücksichtigung der Fläche, die die Kraft in der angegebenen Kraftrichtung auch wirklich sieht, gleichmäßig auf alle markierten Knoten. Also genau so, wie wir es in diesem Fall brauchen.

Haben alle Schritte des Präprozessing funktioniert? – Ja – Top, dann geht es jetzt heldenmäßig mit dem Prozessing weiter.

Solver

Im Menü Gleichungslöser brauchen wir jetzt nur noch einen Solver auszuwählen. Für dieses Beispiel wählen wir den Solvertyp PARDISO. Es handelt sich dabei um einen direkten, parallelisierten Gleichungslöser. Wer von Ihnen mehr über Solver wissen möchte, liest am besten kurz auf dieser Hompage unter Solver oder in Z88Aurora unter Hilfe – Theoriehandbuch nach. Und bitte vergessen Sie nicht, den Haken bei Beschleunging zu aktivieren. Denn wer wartet schon gerne lang? Als Spannungshypothese bietet sich für den vorher gewählten Maschinenbaustahl die Gestaltänderungsenergiehypothese (GEH, von Mises) an. Jetzt müssen Sie noch Berechnung starten klicken und ab geht die Post. Ist die Berechung erfolgreich beendet, sollten wir uns die Ergebnisse ansehen.

Ergebnisse

Im Postprozessor von Z88Aurora werden die Ergebnisse der FEA dargestellt. Hier bietet Z88Aurora zahlreiche Möglichkeiten, sich die Berechnungsergbnisse anzusehen. Am besten klicken Sie sich einmal durch das Menü oder sehen sich noch einmal ein Video dazu an.

Im Textmenü Postprozessor befindet sich eine weitere hilfreiche Funktion von Z88Aurora. Hier lassen sich – unter Ergebnisse exportieren – Ergebnisse an gewählten Stellen im Bauteil gezielt als Datensatz exportieren. Dazu aber bald mehr.

Das komplette Beispielprojekt können Sie hier downloaden.