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Technische Wissenschaften

Steffen Schulz

FEM bei Baugruppen: Eine Analyse von Schweißverbindungen bei Baugruppen

ISBN: 978-3-95549-047-8

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Produktart: Buch
Verlag: Bachelor + Master Publishing
Erscheinungsdatum: 01.2013
AuflagenNr.: 1
Seiten: 54
Abb.: 17
Sprache: Deutsch
Einband: Paperback

Inhalt

Dieses Buch beschreibt die Entwicklung eines neuen Konzepts für den Gangtrainer I, ein medizinisches Gerät für die Gangrehabilitation. Hierfür soll ein neues Design erarbeitet werden, wobei die medizinischen Rahmenbedingungen und technischen Vorschriften zu beachten sind. Aufbauend auf diesem neu erarbeiteten Design werden eine statische Berechnung sowie eine Optimierung hinsichtlich des Gewichtes und der Querschnitte durchgeführt. Im Ergebnis einer Variantenuntersuchung hinsichtlich des neuen Designs wird eine Halbrundform als Vorzugsvariante herausgearbeitet. Das neue Konzept ist um ein Vielfaches ansprechender in seiner Optik und wirkt durch die runden Formen moderner als das alte Gerüst. Durch die bautechnischen Lösungen und Auftrennung des gesamten Modells wird die Herstellung vereinfacht und die zum Zusammensetzen benötigte Personenanzahl halbiert. Die Vorteile liegen in der modernen Konstruktion, dem geringen Aufwand und der kostengünstigen Herstellung. Somit erfüllt das neue Konzept alle Forderungen nach einem neuen Design für den Gangtrainer II. Die statische und konstruktive Überprüfung mit CATIA zeigt, dass alle auftretenden maximalen Spannungen im elastischen Bereich des verwendeten Materials liegen. Zusätzlich zur statischen Auslegung und Optimierung des Gerüstes wird die Funktionalität der Linearführung hergestellt. Sie bietet für Patienten, bei der Beförderung in den Gangtrainer einen höheren Komfort und lässt sich leichter durch das Personal bedienen. Das Erfordernis einer zusätzlichen Seillänge kann durch einen neu entwickelten Kopplungsmechanismus gelöst werden.

Leseprobe

Textprobe: Kapitel 5.5, Bauteilanalyse: In der Bauteilanalyse werden die verwendeten Bauteile hinsichtlich ihrer Genauigkeit betrachtet. Es werden die Vernetzungen und die Bauteilstärke variiert und optimiert. Im Vordergrund steht die Analyse des Oberteiles in Verbindung mit den Griffstangen, da hier die größten Spannungen erwartet werden. Es werden für jede Art der Vernetzung zwei Varianten überprüft. Die beiden Varianten unterscheiden sich durch den Durchmesser der Zwischenrohre. Es wird dabei zwischen 42,4 mm und 60,3 mm unterschieden. Die Wanddicke der Rohre ist gleich und liegt bei 2,3 mm. 5.5.1, Automatische Vernetzung: Bei der automatischen Vernetzung wird nur mit Tetraederelementen vernetzt. Bei dieser Art der Vernetzung werden die erstellten Netze nicht auf ihre Qualität hin untersucht. Die Größe der Elemente wird vom Programm selbstständig gewählt. Bei der automatischen Vernetzung wird nur das Modell mit ausmodellierten und vernetzten Schweißnähten betrachtet. Die Anzahl der Elemente für die Baugruppe beträgt ca. 65.000. Die höchsten Spannungen (ca.50 N/mm²) treten im Bereich der Verbindung vom Halterohr zum Frästeil auf. Im Bereich der Schweißnähte lassen sich keine Spannungsspitzen nachweisen. Die Qualität der gut zu berechnenden Elemente liegt nur bei 74%. Für den zweiten Lastfall ergeben sich ausschließlich Spannungen an der Stelle, an der die Kraft eingeleitet wird. Die Verbindungsstücke zu den Griffstangen weisen keine markanten Spannungen auf. Bei dem Modell mit vernetzten Schweißnähten ergeben sich Netzfehler. Der automatische Vernetzer ist nicht in der Lage alle Schweißverbindungen sauber zu erfassen und umzusetzen. Dadurch entstehen ungewollt Lücken an den Übergängen. Auf Grund der fehlerhaften Vernetzung kommt es im Bereich der Netzfehler zu Spannungsspitzen. Diese Spitzen sind meist unnatürlich hoch und nicht realitätsgetreu. Die Anzahl der Elemente und die Qualität der Berechnung unterscheiden sich kaum von der Berechnung mit ausmodellierten Schweißnähten. 5.5.2, Halbautomatische Vernetzung: Wie schon bei der automatischen wird auch in der halbautomatischen Vernetzung die Baugruppe des Oberteils als Bauteil umgewandelt. Um die Lasteinleitung in die Griffstangen zu gewährleisten, werden die Verbindungsstücke als extra Bauteile definiert. Die Griffstangen werden durch ein virtuelles Bauteil ersetzt. Die Benutzung von virtuellen Bauteilen ist in diesem Fall sehr vorteilhaft, da die Rechenzeit sich dadurch verkürzt. Als Besonderheit wird, bei der halbautomatischen Vernetzung zusätzlich die Schweißnahtdefinition wie in 5.3. bereits erwähnt, variiert. Die Vernetzung mit parabolischen Tetraedern erfolgt mit dem automatischen Vernetzer. Dieser erzeugt für das Modell 36140 Elemente. Die Qualitätsanalyse zeigt, dass davon nur 74 % als gut für die Berechnung zu bewerten sind. Somit sind 26% der Tetraeder nicht zufriedenstellend oder sogar fehlerhaft. Die Qualitätsanalyse begutachtet jedes Element nach den vordefinierten Kriterien. Bei der Standardmethode werden Merkmale, wie z.B. der Krümmungsfaktor und das Längenverhältnis eines einzelnen Elementes geprüft. Diese Methode erleichtert die Überprüfung des Netzes und zeigt mögliche Fehlerquellen vorzeitig an. Die für die Berechnung guten Elemente der Analyse finden sich vorwiegend in den Verbindungsstücken. Für die Rohre sind die vom automatischen Vernetzer gewählten Größen für die Elemente zu lang. Deshalb wird per Hand mit globalen und lokalen Netzverfeinerungen gearbeitet, damit die Gesamtqualität des Bauteils besser wird. Die Gesamtgröße des Netzes wird auf 10 mm eingestellt. Für Kanten oder Schweißnähte wird eine Größe von 2 mm pro Element definiert. An markanten Stellen, die Spanungsspitzen aufweisen, wird mit einer Elementgröße von 0,5 mm vernetzt. Nach dem Eingreifen durch den Benutzer hat sich die Elementanzahl auf 236797 gesteigert. Das vernetze Bauteil besteht nun aus 95,94 % qualitativ guten Tetraedern. Die restlichen Elemente sind nicht zufriedenstellend. Eine zu 100 % gute Qualität ist mit dem automatischen Vernetzer kaum zu erreichen. Es ist nur möglich, nah an 100 % heranzukommen. Die extrem hohe Anzahl der Elemente sowie die Knotenanzahl von über 600.000 schlagen sich markant auf die Rechenzeiten nieder. Ergebnisse für den ersten Lastfall (Variante 1): Die Einleitung der Last (2250 N) erfolgt vorn an zwei Kanten zwischen dem Führungsrohr und dem Abdeckblech. Die Spannungsspitze von 74,4 N/mm² zeigt sich an den vorderen Schweißnähten der Zwischenrohre. Der Spannungsverlauf verhält sich homogen an der Naht und ist plausibel. Die äußeren Halterohre weisen vor dem Frästeil eine zusätzliche Spannung auf. Diese liegt im Bereich von 40 N/mm². Ergebnisse für den zweiten Lastfall (Variante 1): Im zweiten Lastfall beträgt die globale maximale Spannung 197,2 N/mm². Sie entsteht in den Schweißnähten der hinteren Zwischenrohre. Sie zeigt ebenso wie im ersten Lastfall einen homogenen Spannungsverlauf. Andere ungewöhnliche Spannungen lassen sich in diesem Fall nicht erkennen. In der zweiten Variante besitzen die Zwischenrohre des Gestells nun einen Durchmesser von 60,3 mm. Die Wandstärken sowie alle Randbedingungen bleiben für dieses Modell gleich. Durch die Erhöhung des Durchmessers ergibt sich eine längere Schweißnaht und demzufolge eine bessere Kraftflussumleitung im oberen Gerüst. Auch hier ergibt die erste automatische Vernetzung ein ungenügendes Netz für die Berechnung. Das Bauteil wird danach mit parabolischen Tetraedern mit einer maximalen Größe von 10 mm vernetzt. Die Größen für lokale Vernetzungen wie z. B. für Schweißnähte betragen 2 mm. Für Bereiche an denen eine erhöhte Spannung auftritt, wird mit einer Elementgröße von 0,5 mm vernetzt. Es ergeben sich 393735 Elemente. Laut Bericht besitzen nun 97,98 % des vorhandenen Netzes eine gute Qualität für die Berechnung. Diese ist für eine hinreichend genaue Berechnung somit geeignet. Ergebnisse für den ersten Lastfall (Variante 2): Für den ersten Lastfall ergibt sich eine maximale Spannung von 72,5 N/mm² an der oberen Schweißnaht vom Führungsrohr zum Zwischenrohr. Wie auch schon in den anderen Ergebnissen ist die Spannungsverteilung an den Nähten gleichmäßig und plausibel. Wie schon in Variante 1 weisen die Halterohre eine flächige Spannung an der Ober- und Unterseite des Rohres von etwa 50 N/mm² auf. Die Frästeile besitzen an ihren Kanten eine maximale Spannung von 52 N/mm². Ergebnisse für den zweiten Lastfall (Variante 2): Wie bei der ersten Variante treten in der zweiten Variante die höchsten Spannungen bei den Zwischenrohren auf. Der größte Wert beläuft sich auf 96,5 N/mm². Das spricht für die Annahme, dass die im Durchmesser größer gewählten Rohre einen besseren Kraftfluss an den Schweißnähten generieren. Für das Verbindungsstück liegen die Spannungen in einem Bereich von 21 N/mm². Für die Berechnung mit vernetzten Schweißnähten muss die Elementanzahl der gesamten Baugruppe leicht gesenkt werden, weil zusätzliche Ressourcen für die Kontaktbedingungen benötigt werden. Jede Naht wird nun durch zusätzlich definierte Elemente dargestellt. Es wird darauf geachtet, dass jedes dieser Elemente einen guten Status für die Berechnung aufweist. Die Schweißnahtbreite kann mit der Elementbreite festgelegt werden. Die Breite für eine Naht beträgt 3 mm. Die Ergebnisse der halbautomatischen Vernetzung mit modellierten Schweißnähten unterscheiden sich kaum von der Variante mit vernetzten Schweißnähten. Die Spannungsspitzen treten teilweise an den gleichen Stellen im Modell auf, wie bei den ersten Berechnungen. Alle ermittelten Ergebnisse weisen im Allgemeinen geringere Spannungswerte auf. Dies erklärt sich durch die höhere Steifigkeit, welche durch die Vernetzung der Nähte zustande kommt.

Über den Autor

Steffen Schulz, geboren 1987 in Prenzlau, wuchs in Berlin auf. Schon früh interessierte sich der Autor für technische Inhalte. In der zukunftsorientierten Studienrichtung Mechatronik an der FH Brandenburg fand er einen Platz um seinen Wissensdurst nach neuen Informationen zu stillen, welche er in seiner Abschlussarbeit anwenden konnte. Die Bachelorarbeit entstand durch den Auftrag eines mittelständischen Unternehmens an den Grenzen von Berlin. Durch das Studium und das Schreiben der Abschlussarbeit gelang es dem Autor ein neues Design für einen Gangtrainer zu entwickeln, welches den Ansprüchen der Kunden gerecht wird.

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