Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Fügestellenmodellierung für die Systemsimulation

1. Forschungsziel

Ziel dieses Vorhabens ist es, eine Methodik zur recheneffizienten Berücksichtigung der Fügestellendämpfung in der elastischen Mehr-Körper-Simulation (EMKS) bereitzustellen.

2. Lösungsweg

Der Lösungsweg basiert auf der Reduktion der räumlich hochaufgelösten und mittels Messungen am Prototyp kalibrierten Modellierung der Fügestelle auf eine konzentrierte Beschreibung, die das nichtlineare Kontaktverhalten größerer Flächenbereiche im Rahmen der transienten EMKS-Systemsimulation recheneffizient und hinsichtlich der strukturdynamischen Wirkung auf die Baugruppe vergleichbar abbilden kann. Die Analyse der Sensitivität von Parametern des entwickelten Modellierungsprozesses hinsichtlich Ergebnisqualität und Aufwand validiert das Vorgehen und ermöglicht die Ableitung eines Methodenleitfadens zur Modellierung von Schraubenverbindungen für praxisrelevante Gehäusestrukturen

3. Angestrebte Ergebnisse

Das Ergebnis ist eine Methodik zur effizienten Abbildung und Parametrierung des dynamischen Verhaltens von Fügestellen für verschraubte elastische Strukturen in der Mehrkörpersimulation auf Basis von Kalibrierungsmessungen am Prototyp. Der zu entwickelnde Methodenleitfaden unterstützt den Berechnungsingenieur beim Modellaufbau.

4. Nutzen für KMU

Die zu entwickelnde Methode wird dazu beitragen die rechnergestützte Prognose des Systemverhaltens zu optimieren und damit das System zu einem früheren Zeit-punkt besser auslegen, verstehen, prüfen und beschreiben zu können. Damit wird eine methodische Anordnung und Ausgestaltung der Verbindungsstelle zur Schwingungs- und Geräuschreduktion des Systems möglich. Daraus resultieren unmittelbar verkürzte Entwicklungszeiten und reduzierte Unsicherheiten in der Auslegung und somit erhöhter wirtschaftlicher Nutzen.

Ergebniszusammenfassung:

Fügestellen, wie bspw. Schraubverbindungen, prägen das akustische Verhalten antriebstechnischer Systeme maßgeblich, deren Optimierung Wettbewerbsvorteile ermöglicht. Virtuelle Prototypen bieten das Potential, zeit- und kostenintensive Iterationsschleifen im Hinblick auf die Fertigung von physischen Prototypen zu reduzieren. Ziel des Vorhabens war es, eine Methodik zur recheneffizienten Berücksichtigung der strukturdynamischen Eigenschaften von Fügestellen in der Finite-Elemente-(FE) und Mehrkörpersimulation (MKS) bereitzustellen, da die akustische Bewertung von antriebstechnischen Systemen heutzutage überwiegend mittels FE und EMKS erfolgt. Dazu wurde zunächst an einem akademischen Anwendungsbeispiel ein Vorgehen zur experimentellen Ermittlung der Fügestellendämpfung sowie der darauf aufbauenden Modellierung, Parametrierung und Validierung der Modelle der beobachteten Fügestelleneffekte entwickelt, das anschließend an zwei anwendungsnahen Demonstratoren validiert und diskutiert wurde. Abschließend wurde ein Methodenleitfaden entwickelt, der in Abhängigkeit des Modellzwecks und der konstruktiven Ausgestaltung der Fügestelle geeignete Modelldetailgrade in der FE und EMKS beschreibt und die Festlegung der räumlichen Auflösung mit Hilfe des Kennwerts der rigidness und die erforderlichen Parametrierungsprozesse empfiehlt. Mit Hilfe der entwickelten Modelle und des dazugehörigen Methodenleitfadens ist es erstmals praktisch möglich, den Einfluss von konstruktiven Änderungen in der Fügestelle auf das akustische Verhalten des betrachteten Systems quantitativ zu bewerten. Damit wird für den Entwicklungsingenieur die Möglichkeit geschaffen, die Erfüllung von akustischen Anforderungen an Fügestellen gegenüber anderen Anforderungen, wie bspw. hohen Steifigkeiten und Übertragung hoher Tangentialkräfte, gegenüberzustellen und Konzepte zur konstruktiven Ausgestaltung von Fügestellen zu entwickeln und bewerten, die den bestmöglichen Kompromiss dieser Anforderungen darstellen.