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Ultralleichtbau bei mobilen Arbeitsmaschinen (ULMA)
Methoden zur Modellierung und rechnergestützen Simulation
des Stabilitäts- und Festigkeitsverhaltens spezieller
Leichtbaukonstruktionen
(Numerische Simulation im Ultraleichtbau)
Arbeitstreffen am 15.01.2003, Baden-Baden
Forschungsgesellschaft für Technische Mechanik FEMCOS - Ingenieurbüro mbH
Hans Baumgarten
Ralph Jungbluth
ULMA
Ausgangspunkt der Untersuchungen:
• FE-Untersuchungen am Rohr mit Alu-Schaum
(vorgestellt im April 2002 in Aichtal)
• mittels Aussteifungen mit Metallschaum waren erwünschte
Effekte (bzgl. Festigkeitsverhalten) nicht beobachtbar
• Einfluss des Schaumes im linear-elastischen Bereich ist gering:
Schaum-Einfluss erst im nichtelastischen Bereich spürbar!
• Biegerohr daher als Demonstrator wenig geeignet
• neuer Demonstrator: Kastenprofil:
- Orientierung am Arm 2 der Putzmeister-Betonpumpe M52
- Untersuchung des Schaum-Einflusses auf das
Stabilitätsverhalten
ULMA
Ziel der Untersuchungen:
• Metallschaum-Aussteifungen müssen so appliziert werden, dass das Stabilitätsverhalten (Beulen)
verbessert wird
• Masse-Bilanz muss geringer sein
• Grenzfall: Blechdicke minimal 3 mm
• Maximallast < 100 kN
• elastischer Bereich darf nicht überschritten werden
• Variantenuntersuchungen:
- Blechdicken-Variation
- Längen-Variation
- Beulsteifen-Variation
(Form + Dicke)
Suche nach optimaler Geometrie
ULMA
FEMCOS-Vorschlag für die Geometrie des Kastenträgers
• eingespannter Kastenträger 2000 x 350 x 350 mit einer Beulsteife (H- bzw. T-Profil) aus Metallschaum
• Blechdicken: 3 mm und 4 mm
Verstärkung für
Einspannung
Metall-Schaum
Frontplatte für
Lasteinleitung
ULMA
Dickenmodell des Kastenträgers
Materialdaten
E-Modul
Einheit
Stahl
MetallSchaum
N/mm²
210000
1000
Querkontraktion
0,3
0,33
Dichte
g/cm³
7,85
0,5
Stahl: S690
ULMA
Kastenträger 4mm (unverstärkt)
Versuchsnummer 1
Stabilität-2e
Stabilität: ohne Rahmen
u2max = 20,5 mm
m = 93,5 kg
100 % Masse
Fkr = 60,3 kN
smax = 186 MPa
Stabilität: mit Rahmen
Einfluss des Rahmens auf
Stabilitätsverhalten ist gering !
ULMA
Kastenträger 3 mm
(unverstärkt)
u2max = 9,5 mm
m = 74,4 kg
79,6 % Masse
Fkr = 25,5 kN
smax = 107 MPa
Versuchsnummer 2
Stabilität-1e
ULMA
Kastenträger 3 mm
(verstärkt mit T-Profil: 1000 x 200 x 16 x 50 x 16)
u2max = 22,4 mm
m = 76,4 kg
81,7 % Masse
Fkr = 59,9 kN
smax = 250 MPa
Versuchsnummer 3
Stabilität-1g
ULMA
Kastenträger 3 mm
(verstärkt mit Flach-Profil: 1000 x 200 x 25)
u2max = 22,2 mm
m = 76,9 kg
82 % Masse
Fkr = 59,4 kN
smax = 248 MPa
Versuchsnummer 4
Stabilität-1f
ULMA
Kastenträger 3 mm
(abgekanteter Obergurt)
u2max = 22,8 mm
m = 74,4 kg
79,6 % Masse
Fkr = 62,4 kN
smax = 244 MPa
Versuchsnummer 5
Stabilität-1h
ULMA
Experimentelle Untersuchung der Kastenträger
• Messungen noch nicht abgeschlossen
• Messungen erfolgten noch nicht bis zum kritischen Punkt
• daher liegen bislang nur Vergleichswerte für die Verschiebungen vor
ULMA
Experimentelle Untersuchung der Kastenträger
Kastenträger: Vergleich der Verschiebungen (experimentell und berechnet)
Gurt + Steg (4 mm)
Prüflast (kN) Kasten 1
Exp
10,00
3,50
15,00
5,20
20,00
6,90
25,00
8,70
25,53*
xxx
30,00
10,40
35,00
12,30
40,00
14,20
45,00
16,20
59,40*
xxx
59,90*
xxx
60,33*
xxx
62,40*
Masse (kg)
* kritische Lasten
Gurt + Steg (3 mm)
(mm) Kasten 2
FEM
Exp
3,39
3,80
5,09
6,00
6,78
8,10
8,48
xxx
8,65
xxx
10,17
11,87
13,56
15,26
20,14
20,31
20,50
93,5
Beulsteife T (3 mm)
(mm) Kasten 3
FEM
Exp
3,72
3,90
5,58
5,80
7,44
7,80
9,30
9,80
9,50
xxx
11,80
14,30
16,40
18,70
xxx
xxx
74,4
Beulsteife Platte (3 mm) Gekantet (3 mm)
(mm) Kasten 4
FEM
Exp
3,74
4,40
5,61
6,60
7,48
8,70
9,35
11,00
9,55
xxx
11,22
13,20
13,09
15,50
14,96
17,80
16,83
20,20
22,22
xxx
22,40
76,4
(mm) Kasten 5
FEM
Exp
3,74
3,90
5,61
6,10
7,48
8,20
9,35
10,40
9,55
xxx
11,22
12,50
13,09
14,60
14,96
16,20
16,83
xxx
22,20
xxx
xxx
xxx
xxx
76,9
(mm)
FEM
3,65
5,48
7,30
9,13
9,32
10,95
12,78
14,60
16,43
21,68
21,86
22,02
22,80
74,4
ULMA
Zusammenfassung
• Für bestimmte Formen von Kastenträgern konnte mittels FEA gezeigt werden,
dass Metallschaum-Aussteifungen das Stabilitätsverhalten positiv beeinflussen können.
• Dies ist möglich bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung.
• Als günstigste (da einfachste) Form der Aussteifung hat sich das Flach-Profil erwiesen.
• Es sollten weitere Möglichkeiten der Gewichts-Optimierung in Betracht gezogen werden
(z.B. Gurt-Abkantungen).
• Die bislang vorliegenden Messungen zeigen für den unterkritischen Bereich
eine gute Übereinstimmung mit der FEA.
• Die gemessenen kritischen Lastwerte liegen bis zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht vor.