Teil 10 Arten der Strukturanalyse und erforderliche Materialdaten

Inhalt

1. Was ist Strukturanalyse?

2. Arten der Strukturanalyse (lineare Strukturanalyse, nichtlineare Strukturanalyse)

3. Angewandte Strukturanalyse (dynamische Analyse, thermische Spannungsanalyse)

4. Zusammenfassung

<<Lernen durch Erfahrung! Einfaches Strukturanalyse-Tool>>

1. Was ist Strukturanalyse?

Die CAE-Strukturanalyse (Spannungsanalyse) ist eine Analyse, die durchgeführt wird, um die Auswirkungen von Belastungen auf Strukturen und ihre Komponenten (Verformungsverhalten, innerer Verformungszustand von Teilen, Sicherheit) zu bestätigen. Dabei wird analysiert, ob die Konstruktionsspezifikationen zur Erreichung des Zwecks und der Funktion des Produkts in Bezug auf die Strukturmechanik problemlos sind. Insbesondere wird überprüft, ob die Struktur so ausgelegt ist, dass sie ausreichende Festigkeit und Haltbarkeit beibehält, indem das Verformungsverhalten und die Spannungsverteilung mithilfe der Strukturanalyse visualisiert werden.
Sie wird auch verwendet, um die Schadensursache eines Produkts zu untersuchen, wenn es während eines Tests oder bei einem Unfall beschädigt wird. Sie ist eine wesentliche Technologie in der Fertigung.

Die grundlegendste Art der Strukturanalyse ist die lineare Strukturanalyse. Die lineare Strukturanalyse ist eine Analyse, die das statische Verformungsverhalten unter Annahme elastischer Eigenschaften berechnet. Bei der Konstruktion müssen Verformung und Spannungen für Lasten unter Konstruktionsbedingungen innerhalb der elastischen Verformung liegen, und die Strukturformen werden so entworfen und die Materialien werden so ausgewählt, dass dies erreicht wird.

Zu den weiteren Methoden gehören die nichtlineare Strukturanalyse, bei der die plastische Verformung von Materialien aufgrund großer Verformungen berücksichtigt wird, die dynamische Analyse, bei der die momentane Belastung (Stoßbelastung) berücksichtigt wird, und die Kriechanalyse, bei der der durch lang anhaltende Belastung verursachte Kriecheffekt bewertet wird.
Bei realen Produkten ändern sich die auf sie einwirkenden Lasten mit der Zeit, bei längerem Gebrauch treten Kriechphänomene auf und dynamische Phänomene treten aufgrund augenblicklicher Belastung auf. Im Kurzzeitbereich jedoch, wenn die Reaktion auf die Belastung nicht signifikant oder im stationären Zustand ist, wird sie als statisches Phänomen behandelt. Dies ermöglicht eine effizientere Strukturanalyse, da die Randbedingungen weniger komplex und der Rechenaufwand geringer ist als bei dynamischen Phänomenen.

Im nächsten Abschnitt werden die häufig verwendeten Arten der Strukturanalyse beschrieben.

Arten der Strukturanalyse

Eines der wichtigsten Eingabeelemente für die Strukturanalyse ist die Spannungs-Dehnungs-Kurve (SS-Kurve). Eine Spannungs-Dehnungs-Kurve ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Dehnung und Spannung bei der Verformung eines Materials. Ihre Form unterscheidet sich je nach Material. Abbildung 1 zeigt beispielsweise die Spannungs-Dehnungs-Kurve von Edelstahl.
Aus Spannungs-Dehnungs-Kurven gewonnene Materialeigenschaften bei der Materialverformung sind wichtige Informationen für die Strukturanalyse.

■ Lineare Strukturanalyse

1. Übersicht

Die lineare Strukturanalyse ist eine analytische Methode, die davon ausgeht, dass die Verformungen und Spannungen in einer Struktur ausreichend gering sind, sodass kein Versagen auftritt. Wie in Abb. 1 gezeigt, besteht innerhalb eines Bereichs geringer Verformung (Dehnung) eine proportionale Beziehung zwischen Spannung und Dehnung, und dieser Bereich wird als elastischer Bereich bezeichnet. Die lineare Strukturanalyse ist eine Analysemethode, die die Eigenschaften dieses elastischen Bereichs annimmt. Diese Analysemethode wird in vielen Situationen verwendet, da sie weniger Eingabebedingungen und weniger Analysezeit erfordert.

2. Erforderliche Daten

CAD-Daten, Elastizitätsmodul, Poissonzahl, Lastrandbedingungen

3. Ergebnisse

Verformungsverhalten, Verschiebung, Spannungsverteilung, Dehnung etc.

4. Zu beachtende Punkte

Diese Analyse basiert auf der Annahme, dass sich Belastungen, Einspannbedingungen usw. im Laufe der Zeit nicht ändern. Da die Analyse innerhalb eines kleinen Verformungsbereichs durchgeführt wird, ist es nicht möglich, den Bruchzustand usw. zu analysieren.

 

■ Nichtlineare Strukturanalyse

1. Übersicht

Die nichtlineare Strukturanalyse ist eine Analysemethode, die große Verformungen und Rotationsverhalten von Strukturen berücksichtigt (= geometrische Nichtlinearität) und davon ausgeht, dass sich Materialien bis in ihren plastischen Bereich verformen (= Material-Nichtlinearität). In vielen Fällen ist die Analyse tatsächlicher Phänomene nichtlinear, daher müssen diese Nichtlinearitäten berücksichtigt werden, um realistischere Phänomene in der Analyse berechnen zu können.

• Materielle Nichtlinearität
  Der Bereich, in dem die Spannungs-Dehnungs-Beziehung (SS-Kurve) nach der Streckgrenze eines Materials nicht mehr proportional ist, wird als plastischer Bereich bezeichnet. Die Betrachtung der SS-Kurve, die diesen plastischen Bereich umfasst, als physikalische Eigenschaft wird als Material-Nichtlinearität bezeichnet.
• Geometrische Nichtlinearität
  Mit dieser Methode werden Fälle berücksichtigt, in denen große Verformungen oder Rotationsverhalten dazu führen, dass sich die Lastrichtung von vor der Verformung zur nach der Verformung ändert (siehe Abbildung unten). Diese Methode wird verwendet, wenn große Änderungen in Bauteilen auftreten, z. B. große Verformungen, die visuell bestätigt werden können.

2. Erforderliche Daten

Elastizitätsmodul, Poissonzahl, SS-Kurve (wahre Spannungs-Dehnungs-Kurve)

3. Ergebnisse

Spannungsverteilung, Verformungsbetrag, Verformungsmodus

4. Zu beachtende Punkte

Beim Erstellen von SS-Kurven aus Zugversuchen wird die Dehnung, die durch Division der erfassten Verschiebung durch die ursprüngliche Länge erhalten wird, als „nominale Dehnung“ bezeichnet, und die Spannung, die durch Division der erfassten Last durch die Querschnittsfläche vor der Verformung erhalten wird, wird als „nominale Spannung“ bezeichnet. Bei der Durchführung einer Strukturanalyse, die plastische Verformung berücksichtigt, was eine große Verformung voraussetzt, können SS-Kurven, die mit nominaler Spannung und nominaler Dehnung erstellt wurden, das Verformungsverhalten nicht genau darstellen. Die nominale Dehnung muss in die tatsächliche Dehnung und die nominale Spannung in die tatsächliche Spannung umgewandelt werden, um sie in der Strukturanalyse verwenden zu können.

Angewandte Strukturanalyse

■ Dynamische Analyse (Auswirkungsanalyse)

1. Übersicht

Diese Analyse wird verwendet, wenn Belastungen sofort und abrupt einwirken, wie beispielsweise bei einer Kollision. Sie wird verwendet, wenn eine solche Situation in den Produktspezifikationen angenommen wird oder um die Fehlerursache zu untersuchen.

2. Erforderliche Daten

CAD-Daten, Elastizitätsmodul, Poissonzahl, Dichte, Lastrandbedingungen (ggf. auch Anfangsgeschwindigkeits- und Beschleunigungsbedingungen)

3. Ergebnisse

Verformungsverhalten, Wegverteilung, Geschwindigkeitsverteilung, Beschleunigungsverteilung, Spannung, Dehnung

4. Zu beachtende Punkte

Kunststoffe haben die Eigenschaft, dass ihre Materialeigenschaften je nach Verformungsrate variieren (Dehnungsratenabhängigkeit). Wenn die Verformungsrate am Messpunkt hoch ist, sind SS-Kurven, die bei Zugversuchen bei niedrigen Geschwindigkeiten erhalten werden, daher möglicherweise nicht genau genug für die Analyse. Die Analysegenauigkeit kann verbessert werden, indem ein Hochgeschwindigkeits-Zugprüfgerät verwendet wird, um SS-Kurven bei hohen Dehnungsraten zu erhalten und diese in die Eingabeinformationen für die Strukturanalyse einzubeziehen.

 

■ Thermische Spannungsanalyse

1. Übersicht

Wie in der Abbildung unten dargestellt, dehnen sich Materialien beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Diese Strukturanalyse berücksichtigt Ausdehnung und Kontraktion durch Temperaturänderungen.

2. Erforderliche Daten

CAD-Daten, Elastizitätsmodul, Poissonzahl, linearer Ausdehnungskoeffizient, Anfangstemperatur, Endtemperatur

3. Ergebnisse

Verformungsverhalten, Spannungsverteilung, Dehnungsverteilung, Verschiebungsverteilung, Temperaturverteilung

4. Zu beachtende Punkte

Befindet sich ein Objekt in einem uneingeschränkten freien Zustand, dehnt es sich ohne Widerstand aus und es tritt keine thermische Spannung auf. Thermische Spannung kann jedoch auftreten, wenn das Objekt eingeschränkt ist, wenn die Temperaturverteilung innerhalb des Objekts ungleichmäßig ist oder wenn das Objekt eine Struktur aus verschiedenen Materialien ist. Wenn ein Objekt voraussichtlich in einer Umgebung mit hohen Temperaturen verwendet wird, ist es daher häufig erforderlich, eine thermische Spannungsanalyse durchzuführen, die die Auswirkungen der thermischen Ausdehnung berücksichtigt.​

Zusammenfassung

Es wurden verschiedene Methoden der Strukturanalyse und die für jede Methode erforderlichen/erhaltenen Informationen vorgestellt. Bei jeder Strukturanalyse sind CAD-Daten, physikalische Eigenschaften (Elastizitätsmodul, Poissonzahl) und Belastungsrandbedingungen die mindestens erforderlichen Informationen. Bereiten Sie diese daher unbedingt im Voraus vor.
Angewandte Strukturanalysen wie nichtlineare Analysen und dynamische Analysen können ein Verhalten liefern, das den tatsächlichen Phänomenen näher kommt. Die Informationen, die im Voraus vorbereitet werden müssen, stellen jedoch häufig eine große Hürde für die Modellierung dar. Häufig ist ein reibungsloses Studium möglich, indem zunächst eine Analyse mithilfe einer vereinfachten linearen Strukturanalyse durchgeführt und dann die Komplexität des Modells schrittweise durch Befolgen der Schritte erhöht wird.​

 

Im nächsten Teil erläutern wir die Kriech- und Ermüdungsanalyse von Kunststoffen, die wir in diesem Artikel nicht behandeln konnten.

◆Sie können die neuesten Versionsinformationen per E-Mail erhalten. Registrieren Sie sich hier.

Lernen durch Erfahrung! Einfache Strukturanalyse

Wir bieten einfache Simulationen, mit denen Sie die Grundlagen der Strukturanalyse durch praktische Erfahrung leicht erlernen können.
Sie können die für die Strukturanalyse erforderlichen Eingabeelemente und die Ausgabeergebnisse (Last und Verformung) visuell darstellen. Die Anwendung ist einfach, also nutzen Sie sie gerne.

Einfache Strukturanalyse