Beispiel: Kontaktsimulationen in der Antriebstechnik

Simulation von Baugruppen im kostenlosen Finite-Elemente Programm Z88Aurora® V4

Die finale Entwicklungs– und Testphase läuft derzeit, dennoch wollen wir heute schon einen Ausblick auf die Neuheiten in Z88Aurora® V4 geben:

Z88Aurora® V4 wird über ein Kontaktmodul verfügen, wie es sich sicherlich schon viele Z88-User wünschen. Dies bedeutet, dass nun auch die Interaktion mehrerer Bauteile miteinander simuliert werden kann. Grundsätzlich sind zwei Kontaktarten wählbar:

  • Verklebter Kontakt
  • Reibungsfreier Kontakt

Reibungsbehaftete Kontakte sind nicht berechenbar.

Um Baugruppen effektiv handhaben zu können, wurde in Z88Aurora® V4 ein Bauteilverwaltungstool integriert. Mithilfe dieses Menüs lassen sich Bauteile einfach verschieben, um eine Achse rotieren oder in ihrer Größe skalieren. Ausgangspunkt für die Bauteilverwaltung sind Z88-Strukturdateien, also die Dateien z88i1.txt oder z88structure.txt. Dies bedeutet, dass bereits vernetzte Bauteile vorliegen müssen, um sie mit dem Bauteilverwaltungstool zu positionieren. Gleichzeitig kann in diesem Menü definiert werden, welches Bauteil als Master- und als Slavebauteil betrachtet werden soll. Zur weiteren Steuerung des Moduls wurde das Menü „Kontakteinstellungen“ erschaffen. Hier kann definiert werden, um welche Art von Kontakt es sich handelt, welche mathematische Methode verwendet oder wie die Kontaktsteifigkeit definiert werden soll. Die Kontaktsuche, also welche Knoten miteinander in Kontakt stehen, läuft dabei vollautomatisch ab und kann durch den Nutzer mittels des „Trennabstandes“ beeinflusst werden.

Bauteilverwaltungstool zur Bauteiltransformation

Berechnungsbeispiel

Um einen Eindruck von dem zu erhalten, was mit der neuen Version 4 von Z88Aurora® möglich ist, wird in diesem Artikel die Interaktion von vier Bauteilen simuliert: ein 2-Takt-Kolben ist über Pleuel und Kolbenbolzen mit der Kurbelwelle verbunden. Alle Bauteile sind mittels Kontaktdefinitionen miteinander verbunden. Für dieses Beispiel wurden reibungsfreie Kontakte definiert, wobei ein Abheben der Bauteile voneinander nicht zugelassen wurde.

Im linken Bereich der Kurbelwelle wurde ein Festlager realisiert, wohingegen auf der rechten Seite ein Loslager definiert wurde. Dies bedeutet, dass sich auf dieser Seite die Kurbelwelle in axialer Richtung verschieben darf, was gut im Verschiebungsergebnis (s. Bild unten) sichtbar wird. Auf der Oberseite des Kolbens wurde ein Verbrennungsdruck von 20 bar aufgegeben, der den Kolben nach unten drückt.

Alle Bauteile wurden mit den beiden in Z88Aurora® verfügbaren Tetraeder-Freemesher TetGen bzw. NETGEN vernetzt und anschließend über das Tool Bauteilverwaltung eingeladen. Ein Positionieren entfällt, wenn die Baugruppe bereits im CAD-System korrekt zueinander ausgerichtet wurde.

Gesamtverformung einer Baugruppe bestehend aus Kolben, Kolbenbolzen, Pleuel und Kurbelwelle

Im Postprozessing können die Verschiebungsgrößen und Spannungen angezeigt werden. Dabei lassen sich alle Bauteile einzeln ein– und ausblenden. Weiterhin können diejenigen Knoten der beteiligten Bauteile angezeigt und hervorgehoben werden, die miteinander in Kontakt stehen.

Das hier abgebildete Ergebnisbild der gesamten Baugruppe zeigt die Verformungen, die insbesondere an der Kurbelwelle sichtbar werden, um den Faktor 10 überzeichnet. Mithilfe des in Z88Aurora® integrierten Clipping-Tools können beliebige Schnitte durch das Bauteil gelegt werden, um beispielsweise auch die Spannungen im Inneren eines Bauteils sichtbar zu machen.

Release zur Hannover Messe

Vom 24. bis zum 28. April 2017 ist das Z88-Entwicklerteam auf der Hannover Messe vertreten und präsentiert die neueste Version von Z88Aurora®. Besuche sie in Halle 2, Standnummer A52 oder auf www.z88.de. Da gibt’s dann auch ab dem 24. April die neue Version zum Download!

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