Virtuelle Methodik zur Lastenrekonstruktion
Werbung
Virtuelle Methodik zur Lastenrekonstruktion Dr.-Ing. Stephan Vervoort HBM Prenscia L2 S3 S1 S2 L1 © 2016 HBM Agenda 1. Einleitung / Motivation 2. Ermittlung der Dehnungszeitverläufe für eine Strukturanalyse 3. Der traditionelle Ansatz um Lasten an Bauteilen zu messen 4. Ein neuer Ansatz zu Lasten an Bauteilen vorherzusagen 5. Auswahl der Lage und Ausrichtung der Dehnungsmessstreifen © 2016 HBM 2 Lastdaten haben einen dauerhaften Wert • Die Bauteilstruktur hat Einfluss auf die Dehnung, nicht die Last! • Die dynamische Lastverläufe können für Konstruktionsvarianten verwendet werden. • Die Dehnungs-Zeitverläufe stellen die Strukturantwort der verwendeten Konstruktion dar. • Die Dehnungen können nicht für das Produktdesign einer nachfolgenden Generation verwendet werden. © 2016 HBM 3 Traditionelle Lastermittlung Traditionelle Kraftaufnehmer • Kundespezifisch um eine gezielte Last zu messen • Sie werden im Belastungspfad platziert oder ersetzen ein Teil • Sie haben eine ausgezeichnete Linearität und Genauigkeit Motivation • Die Möglichkeit einer Lebensdauervorhersage einer Bauteilstruktur hängt von der Kenntnis über die anliegenden Lastverläufe ab. • Situationsbedingte Gründe können eine indirekte Messung der Lasten erfordern. • In feindlicher Umgebung • Begrenzter Bauraum Verwendung des Bauteils als Kraftaufnehmer erwünscht. © 2016 HBM 4 Virtuelle Lastermittlung 5 Methode/Hypothesen • Lastfälle, die an einer Struktur angreifen, verformen eindeutig die Struktur. • Die Größenordnung der Lasten kann unter Verwendung eines Superposition-Prinzips und gemessenen Dehnungen an einer begrenzten Anzahl an Punkten festgelegt werden. • Die richtige Wahl der Position und die Winkelausrichtung der Dehnungsmessstreifen ermöglicht eine präzise Rückrechnung der Lasten. Virtueller Dehnungsmessstreifen • • • Basiert auf der Finite-Elemente-Methode (Idealisierung) Berücksichtigung der Materialeigenschaften Verschiedene Typen / Einfache Verarbeitung © 2016 HBM Lasten und Dehnungen • Typischerweise werden die Dehnungen im FE bestimmt: • Aber das FE Modell und die Dehnungen können auch für die Berechnung der Lasten verwendet werden: © 2016 HBM 6 Wie funktioniert ein Kraftaufnehmer? • Platzierung des Messstreifens (SG) zur Bestimmung einzelner Lasten • Axialkraft • Biegung © 2016 HBM 7 Lasteingang und Dehnungsantwort 8 oben unten • Messantwort auf die Lasten: © 2016 HBM • Überlagerte Antworten: Eingänge und Antworten in Matrixform © 2016 HBM 9 Verwendung eines Bauteils selbst als Kraftaufnehmer 10 Was passiert, wenn man keinen Kragarm verwendet? Wie können die Lasten gemessen werden? L2 S3 S1 L1 © 2016 HBM Verwendung des Bauteils als Kraftaufnehmer 11 L2 S3 Prinzip der Superposition S1 S2 L1 Si - Dehnung an der Stelle i Lj - Last j Aij - Sensitivität des Messstreifens i im Bezug auf die Last j [A] - Sensitivitätsmatrix der Dehnungsmessstreifen © 2016 HBM Platzierung der Dehnungsmessstreifen 12 L2 S3 S1 S2 L1 Prinzipiell können Messstreifen überall auf einem Bauteil und in jeder Orientierung platziert werden. • Mindestanzahl an Messstreifen wie Anzahl der Lasten. • Die Platzierung und Orientierung der Messstreifen beeinflusst die Genauigkeit der Lastenrückrechnung. • Auswählen eines Messstreifensatzes, der die akkuratesten Lasten liefert. © 2016 HBM Prozess der Lastenrekonstruktion 13 Sensitivitätsmatrix der Dehnungsmessstreifen + gemessene Dehnungen = Lasten 2 Lasten 3 DMS-Dehnungen Die richtige Auswahl der Lage und Orientierung der Dehnungsmessstreifen verwandelt das Bauteil selbst in einen Kraftaufnehmer. © 2016 HBM Methodik der Auswahl der Dehnungsmessstreifen • Erstellen einer Matrix minimiert • Matrix , die die Abweichung der Lastabschätzung wird kontrolliert von • Anzahl der Messstreifen • Platzierung der Messstreifen • Orientierung der Messstreifen • Die optimale Kombination der Messstreifenparameter erfordert: • Identifizieren aller möglichen Stellen für die Dehnungsmessstreifen • Generieren möglicher Messstreifenorientierungen für jede mögliche Stelle Auswählen der besten Kombination aus den möglichen Messstreifen © 2016 HBM 14 Platzierung der Dehnungsmessstreifen – Mögliche Stellen • Generell können alle Knoten auf der freien Oberfläche der Komponente verwendet werden. • Bauteilspezifische Auswahlmöglichkeiten: • • Knoten im Bereich scharfer Kanten • Knoten im Bereich kleiner Krümmungsradien • Knotenauswahl aufgrund von Anwender Spezifikationen Endauswahl der verbliebenen Knoten als Kandidaten für die Platzierung der Dehnungsmessstreifen. © 2016 HBM 15 Platzierung der Dehnungsmessstreifen – Mögliche Stellen • Generell können alle Knoten auf der freien Oberfläche der Komponente verwendet werden. • Bauteilspezifische Auswahlmöglichkeiten: • • Knoten im Bereich scharfer Kanten • Knoten im Bereich kleiner Krümmungsradien • Knotenauswahl aufgrund von Anwender Spezifikationen Endauswahl der verbliebenen Knoten als Kandidaten für die Platzierung der Dehnungsmessstreifen. © 2016 HBM 16 Verifizierung mittels Korrelation • Die virtuelle Dehnungsmessstreifen können mit gemessenen Daten von realen Dehnungsmesstreifen korreliert werden… • …oder zur Rückrechnung der Lasten verwendet werden! © 2016 HBM 17 Zusammenfassung • Messungen mittels Dehnungsmessstreifen können in Lastdaten umgewandelt werden. • Erlaubt die Verwendung eines Bauteils selbst als Kraftaufnehmer • Vorhersagen der Last ohne das Bauteil zu modifizieren • Keine Änderungen im Bauteildesign oder hinzufügen einer Kraftaufnehmers und/oder Kraftmessdose • Nicht begrenzt durch das traditionelle Design von Kraftaufnehmern • Ausnutzen der Überlagerung um Fehler in der Lastabschätzung zu minimieren • Lastverläufe haben einen höheren bleibenden Wert als Dehnungen • • Die Dehnung ist designspezifisch; die Last ist es oftmals nicht. Korrelationswerkzeug • Eine virtuelle Dehnung kann helfen die Fähigkeit, ob ein finite Elemente Modell Spannungen vorhersagen kann, zu überprüfen. • Eine virtuelle Last kann helfen die Fähigkeit, ob das Modell einer Mehrkörpersimulation Lasten vorhersagen kann, zu überprüfen. © 2016 HBM 18 Dr.-Ing. Stephan Vervoort (HBM Prenscia) www.hbmprenscia.com Carl-Zeiss-Ring 13, D- 85737 Ismaning Tel: +49 (0)89 9605372 0 [email protected] [email protected] © 2016 HBM
