FEM in der FVA-Workbench
Bei der Analyse von komplexen Getriebesystemen ist es von großer Bedeutung, die Randbedingungen bestmöglich zu modellieren. Durch die Koppelung von FEM-Strukturen mit dem analytischen Berechnungsmodell ist es möglich, den Einfluss des Getriebegehäuses, des Planetenträgers und komplexer Wellengeometrien auf das Gesamtsystem zu berücksichtigen.
Damit wird eine zielsichere Auslegung von beispielsweise Verzahnungskorrekturen, unter Berücksichtigung des Verformungsverhaltens von komplex geformten Bauteilen, ermöglicht.
Für Kegel- und Stirnräder kann der Radkörper als FEM-Struktur vorgegeben werden. Die Verformung der Radkörper wird nicht im Gesamtsystem berücksichtigt. Dennoch können die Effekte der Verformung auf Stufenebene betrachtet werden.
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Getriebegehäuse, Planetenträger, Radkörper für Stirn- und Kegelräder sowie Wellen können als FE-Komponenten berücksichtigt werden.
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Verschiedene Wege zur Einbindung einer FEM-Struktur in die FVA-Workbench
Die Koppelung von FE-Strukturen mit dem analytischen Modell und die anschließende Berechnung erfolgt in der FVA-Workbench über einen interaktiven Assistenten in mehreren Schritten.
Im ersten Schritt kann eine vorhandene CAD-Datei importiert werden (1). Planetenträger und Wellen können optional direkt in der FVA-Workbench parametrisch modelliert werden (2). Dadurch kann die Steifigkeit bereits in einem frühen Entwurfsstadium mit geringem Aufwand in einem hohen Detaillierungsgrad berücksichtigt werden.
Im zweiten Schritt kann die CAD-Geometrie automatisiert vernetzt werden. Dabei können Parameter wie Netzfeinheit, Elementtyp und eine Bauteilvereinfachung variiert werden (3). Alternativ kann auch direkt ein FE-Netz aus einer Drittanwendung importiert werden (4).
Im nächsten Schritt wird das FEM-Bauteil so positioniert, dass die Lagersitze bzw. Bohrungen exakt zum analytischen Modell der FVA-Workbench ausgerichtet sind. Bei Radkörpern erfolgt ein automatischer Zuschnitt der CAD-Geometrie, um eine korrekte Anbindung an die Verzahnung zu ermöglichen. Außerdem werden die Koppelknoten zwischen Netz und analytischem Modell, sowie Festlegungsknoten bei Gehäusen, ermittelt. (5)
Im Anschluss erfolgt die Berechnung einer reduzierten Steifigkeitsmatrix (6). Sie berücksichtigt die Steifigkeit des FEM-Bauteils in der Gesamtsystemberechnung. Die Matrix wird einmalig bestimmt und muss nur neu berechnet werden, wenn sich Materialdaten oder Koppelstellen ändern.
Dateiformate
Netzformate
Aktuell wird das Netzformat Z88 und das Abaqus *.INP Format unterstützt.
Z88 ist das native Dateiformat des freien Finite-Elemente-Analyse-Programms Z88, das seit 1986 von der Universität Bayreuth entwickelt wird.
Weitere FE-Strukturdaten können über das Open Source Programm Z88Aurora in das Z88 Format konvertiert werden. Folgende FE-Netz Formate werden von Z88Aurora unterstützt:
Nastran (.NAS)
Abaqus (.INP)
Ansys (.ANS)
Cosmos (.COS)
CAD-Formate
Folgende CAD-Formate können importiert werden:
STEP (.step)
CATIA V5 (.CATPart)
Pro/E (.prt)
Solid Edge (.par)
Solid Works (.sldprt)
Inventor (.ipt)
Siemens NX (.prt)
Vernetzer
Der FEM-Vernetzer der FVA-Workbench ermöglicht es in wenigen Schritten, aus CAD-Geometrien FEM-Netze zu erzeugen. Die CAD-Geometrie kann dabei entweder direkt importiert oder im Fall von Planetenträgern und Wellen intern parametrisch erstellt werden. Der Vernetzer vereinfacht die Erzeugung von FEM-Netzen durch eine einfache und intuitive Bedienoberfläche.
Im Vernetzungsdialog können verschiedene Parameter bei der Vernetzung angegeben werden.