Fachbeiträge Punkte berechnet und in einem Graphen aufgetragen. Aus dem Graphen in Bild 3 geht hervor, dass die Aus gangs länge den größten Ein fluss auf die Län - genänderung besitzt. Den zwei t - größten Einfluss besitzen der Wär - me aus deh nungskoeffizient und die Temperatur differenz. Der Einfluss dieser beiden Vari ablen ist identisch, da beide mit dem gleichen Faktor linear in die Gleichung eingehen. Die geringsten Ein flüsse wei sen der Elastizitäts modul und die Spannung auf. Methode zur Schrum pfungs - korrektur ge schmiedeter Bau - teile Für einfache Bauteilgeometrien und einfache natürliche Rand be - dingungen wie z. B. eine ho mo - gene Temperatur des Bauteils kann die Schrumpfung analytisch be - rechnet werden. Bei komplexen Bauteilen und inhomogenen Span nungs- und Tempe ra tur - profilen ist eine analytische Be rechnung nicht mehr möglich, sodass auf numerische Verfahren zurückgegriffen werden muss. Da für wurde eine Methode entwi ckelt, die mithilfe der in der FEM hinterlegten Gesetze eine inhomogene punktgenaue Schrum pfungs korrektur er mög licht. Die entwickelte Methode zur Ermittlung und Korrektur der Schrumpfung wird auf Basis der Ergebnisse der Umformsimu lation durch die Implementierung einer Berechnungsvorschrift in Ansys ermittelt. Dafür wird die Rechen vor - schrift in vier Schritte untergliedert und beinhaltet die Ein zelschritte der Modell ge ne rie rung, der Definition der Rand be dingung, die Berechnung des Mo dells und die Auswertung mit dem Ex - port des schrumpfungs korrigierten Bauteils: Die Inhalte der Ein - zel schritte zur Schrum p fungs kor - rektur werden im Fol - genden anhand des Bei spiels der präzisionsgeschmiedeten Kur bel welle ge nau er be schrie ben. Die präzisionsgeschmiedete Kur bel wel le, für die die Ab küh lungs si mu - la tion durchgeführt wer den soll, wird aus ProENGINEER als Vo lu men teil im IGESFormat exportie rt. Die e n t s t a n d e n e Exportdatei kann mit Ansys über eine programminterne Schnitt - stelle eingelesen werden. Als nächster Schritt wird ein geeigneter Ele ment typ zur 28 Schmiede-Journal September 2009 struk turellen Be rechnung ausgewählt. Für diese Be rechnung wird ein Solid-185-Element (3-D Ele ment) mit acht Knoten verwendet. Der Ele - ment typ besitzt translatorische Frei heits grade, sodass im Raum Ver schie bungen u der Kno ten in die Raum rich tungen x, y, und z möglich sind. Nach der Ele ment aus wahl müssen den Ele men - ten Werk stoff eigenschaften zu ge wie sen werden. Bei der Ab küh lungssimulation sind das die Dich te ρ, der Wärmeaus deh nungs ko effi zient α, die Quer kon tra ktion μ und der Elas tizitäts modul E. Um die Spannungen und Temperaturen aus Forge3 als natürliche Rand be din gungen aufzubringen, müssen vorher Arrays (in Form von Ma trizen) definiert werden, in die dann die Da - ten der Spannungen und Tem pe ra turen ge - schrie ben werden. Nach der Definition dieser Arrays werden die Daten aus Forge3 importiert und mittels einer Interpolation auf die Knoten in Ansys übertragen. Die Inter - polation muss durch geführt werden, weil die Netze des FEMKurbelwellen modells in For ge3 und Ansys aufgrund der un ter - schiedlichen programminternen Ver net ze ral gorithmen nicht identisch sind. Um die Be rech nung durch führen zu können, müssen Fest hal tungen zur Definition der Lage des Bau teils im Raum eingebracht werden, wofür drei Knoten benötigt werden. Für den ersten Knoten werden alle Ver schie bun - gen (x, y, z) auf Null gesetzt, d. h. der Punkt ist nicht in die gewählten Ko or di na ten richtungen verschiebbar. Bei dem zweiten Knoten werden zwei Verschiebungen (x, y) und dem dritten eine Ver schie bung (x) auf Null gesetzt. Mit diesen Festhaltungen wird gewährleistet, dass keine Verschiebung sowie Ver dre hung des Bauteils im Raum möglich ist. Nach der Definition aller Rand bedingungen und Ein stel lungen des Gleich ungs lösers wird die Schrum pfung des Bauteils durch die Abkühlung statisch berechnet. Danach kann die Aus wer tung des Schrum - pfungs ver hal tens für jeden Kno ten vorgenommen werden. Da für können die Ver schie bungen in alle Raum rich tungen so wie der Ver schie - bungs vektoren zur Aufmaß kor rek tur er stellt und exportiert werden. Damit die punktgenau ermittelte Schrum - pfung des Bau teils kompensiert werden kann, wird der berechnete Vek tor der Ver - schie bung der einzelnen Kno ten, die durch die Ab küh lung entstanden sind, auf das ur - sprüng liche Mo dell umgekehrt als Auf maß übertragen. Das neu entstandene „ver - größerte“ Vo lu men des Bauteils wird ex - por tiert und kann da - nach wieder in eine CAD-Soft ware im - por tiert werden, aus der das schrum - p f u n g s k o r r i g i e r t e Ge senk ausgeschnitten werden kann. Die Vor ge hens weise zur Schrum p fungs kor - rek tur ist in Bil d 5 zusamme n g e fass t. Die mithilfe der be - schriebenen Schrum p - fungs korrektur er mit - telte Schrumpfung des Bauteils wurde mit den geschmiedeten, vermessenen und statistisch ausgewerteten Sensitivität der Eingangsparameter auf das Schrumpfungsverhalten -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Prozentuale Änderung der Eingangsparameter um den Mittelwert Prozentuale Änderung der Zielgröße Elastzitätsmodul Wärmeausdehnungskoeffizient Ausgangslänge Temperaturdifferenz Spannung 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 Bild 3: Sensitivität der ver schie denen Variablen (Abweichung in %). Bild 4: Grundlegende Schrit te der FEM-Be rechnung. Bild 5: Methode zur Schrum pfungs korr ektur präzisions geschmie de ter Bauteile. Bilder: Autor
2009-09-Schmiede-Journal
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