Wissenschaftstransfer

FEM-Berechnung werden eingesetzt zur Berechnung der Spannungen, Dehnungen und Verschiebungen von verschiedenen Bauteilen komplizierter Geometrie unter statischen und dynamischen Temperaturbelastungen. Sie bilden damit die Grundlage für Festigkeitsnachweise, zur Optimierung der Bauteile sowie für die Suche nach der Ursache für das Versagen von Bauteilen. Die Finite-Element-Methode ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Berechnung komplexerer Konstruktionen im Maschinenbau, im Apparatebau, in der Fahrzeugtechnik usw. Der Einsatz erfolgt nicht nur für Standardprobleme der Festigkeitsberechnung, sondern auch für Spezialaufgaben, z. B. bei den Schwingungs- und Stabilitätsuntersuchun­gen oder bei extrem großen Deformationen und plastischen Beanspruchungen. Dabei versucht man die zeitaufwendigen und kostenintensiven Experimente durch die FEM-Berechnungen zu ersetzen.

In der Entwicklung und Berechnung von Fahrwerksbauteilen aber auch anderen sicherheitsrelevanten Bauteilen des Maschinenbaus spielt die Betriebsfestigkeit eine immer größer werdende Rolle. Ohne das Wissen über die Betiebsfestigkeit ist an Leichtbau nicht zu denken.

Hierzu stehen im Labor für Mechanik und Messtechnik folgende Simulationsprogramme zur Verfügung:

• Tec Ware (LMS)
• winLIFE (Steinbeis Transferzentrum)

Die numerische Simulation dient der Analyse und Optimierung dynamischer mechanischer Systeme, insbesondere wird sie eingesetzt für: 

• Die Vorhersage der dynamischen Eigenschaften von Neukonstruktionen
• Die Vorhersage der Bauteilbeanspruchungen
• Parameteruntersuchungen
• Die Optimierung von Bewegungsabläufen (z.B. Minimierung des Prellens elektrischer Schalter, Kinematik von
• PKW- oder NKW-Fahrwerken)
• Bei dynamisch beanspruchten Konstruktionen Ermittlung der Bauteilbelastung für Finite Element Berechnungen
• In Kombination mit Finite Element Berechnungen (komplizierte Strukturen, kleine Bewegungen)
• Mehrkörperdynamik (einfache Bauteile, große Bewegungen)  zur Berechnung von großen Bewegungen
• komplizierter Konstruktionen, z.B. Simulation des Fahrverhaltens einen Vollfahrzeugmodells
• Integration von FE-Modellen in Mehrkörpersimulation

Die genaue Kenntnis der Strukturdynamik ist unentbehrlich für die Planung und Entwicklung neuer Konstruktionen, insbesondere um Lärm- und Schwingungsprobleme zu lösen, Resonanzstellen zu vermeiden. Auch bei bestehenden Anlagen kann die Kenntnis der dynamischen Struktureigenschaften helfen, große Bauteilbeanspruchungen durch unzulässiges Schwingungsverhalten zu vermeiden.

Folgende technische Ausstattung steht im Labor zur Modalanalyse zur Verfügung:

FFT Analysator Photon⁺

• Hersteller Brüel & Kjaer
• Eingänge: 4
• Ausgänge: 1
• Auflösung 24 bit
• Frequenzbereich: 56,1 kHz

Datron Focus

• Hersteller Dactron
• Eingänge:4
• Ausgänge: 2
• Auflösung: 24 bit
• Frequenzbereich: 21 kHz

Technische Daten Shaker:

• Shaker 200N, 100g, 2-7000Hz
• Shaker 112N, 71g, 5-10000Hz
• Shaker 45N, 75g, 10-20000Hz

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Sensoren

Die nachfolgende Auflistung ist ein kleiner Bestandteil von Sensoren, die dem Labor zur Verfügung stehen.

• Ein- und Dreiachsige Beschleunigungsaufnehmer von 0-200Hz
• Kraftmessdosen für Zug und Druckrichtung von 2kN bis 500kN
• Wegsensoren von 2,5mm bis 1000mm
• Druckaufnehmer bis 200bar
• Mehrkomponentenaufnehmer

DMS Applikation:

Es können Bauteile mit Dehnungsmesstreifen appliziert werden um somit den Spannungszustand eines Bauteils zu beschreiben und um die FEM Simulation zu verifizieren.

Messverstärker:

Für die unterschiedlichen Sensoren stehen diverse Messverstärker zur Verfügung um die Messaufgabe zu realisieren.

• Max. 60 Kanäle für alle gängigen Sensoren
• Abtastrate max. 20 kHz
• 24 bit AD Wandler
• CAN Interface

Messräder:

Für die Untersuchung von Radkräften im Fahrbetrieb sind Messräder der Firma Kistler vorhanden die einen Messbereich von ±20 kN in Z Richtung und ±15kN in Y Richtung haben.

Bauteilscanner:

Mit dem FARO Arm können Bauteile abgescannt werden und über die Flächenrückführung in CAD Modelle überführt werden. Gleichzeitig können auch einfache Geometrien taktil am Bauteil aufgenommen werden um somit z.B. die Lage einer Bohrung exakt zu bestimmen.

Radlastwaagen:

Zur Bestimmung der genauen Fahrzeugmasse stehen Radlastwaagen mit max. 12to pro Achse zur Verfügung

Kreiselmesssytem:

 Die ADMA ist ein GPS gestütztes Kreiselmesssystem mit dem man alle Bewegungen des Fahrzeugs wie Beschleunigung, Geschwindigkeit, Position sowie Drehraten dynamisch erfassen kann. Mit Hilfe dieser Daten kann man z.B. feststellen an welchem Punkt der Versuchsfahrt besonders große Spannungen im Bauteil aufgetreten sind. (siehe Video Messtechnik)

Dauerfestigkeitsanalyse

Die Zerstörung von Bauteilen währen des Betriebs wird in der Regel nicht durch zu hohe statische Beanspruchung verursacht sondern durch wechselnde Beanspruchung, bei der durch Rissbildung und Risswachstum erst nach längerer Zeit, d.h. einer bestimmten Anzahl von Lastwechseln Schäden am Bauteil entstehen.

Heutzutage werden Neuentwicklungen vielfach im Rechner konzipiert, ausgelegt und optimiert. In vielen Bereichen ist die Materialeinsparung, sei es aus Kostengründen oder aus Gründen der Gewichtseinsparung wie z.B. im Flugzeugbau oder der Automobilindustrie, eine wichtiges Entwurfskriterium. Die eingesetzten Materialen werden bezüglich der Festigkeit immer weiter ausgereizt. Hier gewinnen neben guten Rechenmodellen experimentelle Untersuchungen, in denen sich die wahre Lebensdauer der Bauteile und auch die Schwachstellen ermitteln lassen, zunehmend an Bedeutung. Besonders vielseitig und wegen der sehr präzisen Steuerungs- und Regelmöglichkeit haben sich für diese Anwendungen Hydropulsanlagen erwiesen.

Servohydraulisches Prüffeld 1

Technische Daten

• Hydraulische Leistung : 260l/min bei 280 bar
• 5 unabhängige Regelkreise MTS Flex GT
• Iterationssoftware RPC Pro Component
• Aufspannfeld mit : 5m x 6m
• Gewicht: 175t
• Prüfkräfte von 7kN bis 250kN
• Einkanalprüfungen sowie Systemprüfungen sind möglich

Servohydraulisches Prüffeld 2

Technische Daten

• Hydraulische Leistung : 90l/min bei 280 bar
• 4 unabhängige Regelkreise Labtronic 8800
• 2 Aufspannfelder mit : 2,5m x 3,5m
• Gewicht jeweils: 40t
• Prüfkräfte von 7kN bis 100kN
• Einkanal sowie Mehrkanalprüfungen sind möglich