Post on 28-Aug-2018
Finite-Elemente-Analyse
einer Welle unter Drehmomentbelastung
Vergleich von Simulation und Versuch
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag
Bayreuth
17. September 2014
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Inhalt
2
• Zielsetzung
• Versuch
• Simulation
• Abaqus
• Z88Aurora
• Vergleich der Verschiebungsergebnisse
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Zielsetzung
3
• Verformungssimulation einer Lochwelle unter Drehmomentbelastung
(Abaqus CAE 6.12-3 und Z88Aurora)
• Validierung der Ergebnisse mittels eines optischen Messsystems
• Beurteilung des Lochmusters auf die Bauteilsteifigkeit
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Prüfkörper - Lochwelle
Versuch
90
5 10525
21,5
4
Prüfkörper: Hohlwelle mit Lochmuster
Randbedingungen für den Versuch und die Simulation:
Feste Einspannung Drehmoment
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Prüfaufbau – optische Messung
Versuch
5
Optisches Messsystem der Firma LIMESS Messtechnik und Software GmbH
KraftmessdosePrüfkörper
Kamerasystem
Hebel zur Drehmomentaufgabe
Messverstärker
PC zur Datenaufzeichnung
und Auswertung
LIMESS
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Prüfkörper – Vorbereitung für die optische Messung
Versuch
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1. Prüfkörper säubern
2. Grundierung aufbringen (matt weiß)
3. Schwarzes Specklemuster aufsprühen
Die Verformungsmessung erfolgt mittels 3D-Bildkorrelation. Hierfür wird ein stochastisches Muster („Specklemuster“) auf den Prüfkörper benötigt. [1]
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Versuchsdurchführung
Versuch
7
1. Aufnahme eines Stereobildes
mit zugehörigem Drehmoment
2. Die Auswertesoftware Istra4D
errechnet aus den Stereo-
bildern die Verschiebungen
(Bezug auf ein Referenzbild)
Kamera 1 Kamera 2
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Versuchsdurchführung
Versuch
8
1. Aufnahme eines Stereobildes
mit zugehörigem Drehmoment
2. Die Auswertesoftware Istra4D
errechnet aus den Stereo-
bildern die Verschiebungen
(Bezug auf ein Referenzbild)
Bereich der Auswertung
Kamera 1 Kamera 2
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Finite-Elemente-Analyse
Simulation
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• Konstruktion der Lochwelle in Creo Parametrics 2.0 Export im step-Format• Import der Lochwelle in Abaqus CAE 6.12-3• Vernetzung: 308600 Knoten und 179929 quadratische Tetraeder
• Export der entsprechenden inp-Datei• Import der inp-Datei in Z88Aurora (identisches Netz)
• Verwendung eines MPC (Multi-Point Constraints) zur Drehmomentaufgabe
[2]
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Finite-Elemente-Analyse
Simulation
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Auswertung der Gesamtverschiebung mit
[3]
Abaqus 6.12-3
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Gesamtverschiebung 0/30
Auswertung
11
0
50
100
150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
en
t M
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 1/30
Auswertung
12
0
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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/ N
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 2/30
Auswertung
13
0
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150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
en
t M
/ N
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 3/30
Auswertung
14
0
50
100
150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 4/30
Auswertung
15
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 5/30
Auswertung
16
0
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300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 6/30
Auswertung
17
0
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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en
t M
/ N
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 7/30
Auswertung
18
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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t M
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 8/30
Auswertung
19
0
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200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 9/30
Auswertung
20
0
50
100
150
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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en
t M
/ N
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 10/30
Auswertung
21
0
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100
150
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 11/30
Auswertung
22
0
50
100
150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 12/30
Auswertung
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 13/30
Auswertung
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0
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150
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250
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 14/30
Auswertung
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0
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250
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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om
en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 15/30
Auswertung
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 16/30
Auswertung
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250
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 17/30
Auswertung
28
0
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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t M
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 18/30
Auswertung
29
0
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150
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 19/30
Auswertung
30
0
50
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150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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om
en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 20/30
Auswertung
31
0
50
100
150
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 21/30
Auswertung
32
0
50
100
150
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 22/30
Auswertung
33
0
50
100
150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
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en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 23/30
Auswertung
34
0
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250
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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en
t M
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 24/30
Auswertung
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0
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150
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250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 25/30
Auswertung
36
0
50
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250
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
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en
t M
/ N
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 26/30
Auswertung
37
0
50
100
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250
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
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en
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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Gesamtverschiebung 27/30
Auswertung
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0
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200
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
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en
t M
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 28/30
Auswertung
39
0
50
100
150
200
250
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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 29/30
Auswertung
40
0
50
100
150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Gesamtverschiebung 30/30
Auswertung
41
0
50
100
150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
en
t M
/ N
m
Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie an der Auswertelinie
Simulation Abaqus
Messung
Simulation Z88Aurora
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
Vergleich Lochwelle und Hohlwelle
42
Auswertung
Bohrungen reduzieren die Bauteilsteifigkeit deutlich
0
50
100
150
200
250
300
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Dre
hm
om
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t M
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Verschiebung u / mm
Drehmoment-Weg-Kennlinie
Messung Lochwelle
Simulation Lochwelle(Z88Aurora)
Simulation Hohlwelle(Z88Aurora)
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16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
43
Pascal Diwisch, M.Sc., Christian Glenk, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
16. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 17.09.2014, Bayreuth
44
Literatur
Literatur
[1] LIMESS Messtechnik & Software GmbH, www.limess.com, Stand: 09/2014
[2] F. Rieg, R. Hackenschmidt, B. Alber-Laukant: Finite Elemente Analyse für Ingenieure, 4. Auflage, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2012
[3] Dassault Systèmes HQ, www.3ds.com, Stand: 09/2014