FEM und Sensitivitätsanalysen unter Berücksichtigung von in
Transcription
FEM und Sensitivitätsanalysen unter Berücksichtigung von in
FEM und Sensitivitätsanalysen unter Berücksichtigung von in Grenzen zulässiger Formtoleranzen zufällig deformierter Körper FEA and Sensitivity Analysis Taking Into Account Allowable Tolerances from Randomly Deformed Bodies Peter Gust und Christoph Schluer Weimar, 24.11.2011 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 1 • Founded 1972, students > 16.000 from 90 nations • 250 Professors, 27 institutes and 280 labortories • 7 Faculties and 91 study paths Prize Money 25.000€ • Mechanical Engineering positive trend +110% Beginners • Chair of Engineering Design 3D CAD Design(CATIA), FEM: Catopo, ANSYS, Abaqus MBS SAM, Recurdyn, Enventive, 3D Tolerancing VisVSA Robust Design optiSLang Prototyping: colored 3D Printing Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 2 Sensitivity study to optimize the stiffness of automotive hinge systems (Bachelorthesis) Randomly deformed bodies (Masterthesis, Research) Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 3 1. Mark the closed and open position 2. Interconnection 3. Perpendicular bisection *Source Kirchhoff GmbH, Halver 4. Result: Necessary is a single point of rotation 4 Joint Hinge* 1 Joint Hinge* Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 4 „ The hinge system must be supported free of slackness and rattle and easily used“ Guidance requirements Safe Keep of the hood from closed to open state Wind Stiffness 200N Load max. 2mm z-deformation Side Stiffness 200N max. 7mm y-deformation and again „Easy to use“ Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 5 Aluminium Foam Sandwich is nearly equal to the original hood and is available in prototype phase for the automotive supplier! FG = 200N +Friction (Weight) Pulley Weight The results have an accuracy of ± 5%: FEM‐Model, Alu‐Hood and Real Hood includes Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 6 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 7 Analytical Solution Numerical Solution fixed Constant Cross Section F h Name breite_DS hoehe_DS Name laenge_DS total_deformation_maximum youngs_modulus Output Parameter Input Parameter b force_y_component Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 8 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 9 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 10 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 11 • • • • All CAD Data is fully parametric designed The CAD Modell must react robust against parametric automatic changes The model includes 38 control parameters The assembly consists of 60 Parts Hood Parametric Hinge Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 12 Boundary Conditions and Load: • The bushings in the connecting rods are discretizised with a single solid. • Between the bushes and the other components is one involving friction contact condition. • The buffers are mapped using a spring-replacement model. Wind Force 200 N in z+ (Normal to the hinge surface ) Measuring Point Buffer contact force 30 N (left/right) Threading Points (left/right) (inside the soffit, 000 000) Latch connection „100 111“ Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal The gravity of the components is taken into account in the local z-coordinate system Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 13 ca. 320.000 Elements Hexaeder Sheet Metal (Hood) discretized with Shells Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 14 Start Simulations with batch‐Script Parametric CAD‐ Model Simulation of one spec. Design bidirectional Interface (ANSYS WORKBENCH) Automatic Change of the CAD‐Model FEM‐Simulation Model (ANSYS WORKBENCH) optiSLang Input Set (CATIA V5) Number of samples reached? yes Generate DOE‐Samples (optiSLang) no Post Processing Sensitivity Study (optiSLang) Design Table Finish Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 15 [mm] Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 16 ±7 mm ±1.0 mm ascending order Scharnieroberteil Höhe Umschlag E-Modul kurzer Lenker Blechdicke Scharnieroberteil Befestigungsbohrung vorne in X Richtung - 1.0 - 0.75 - 0.5 -0.25 0 0.25 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal 0.5 0.75 1.0 Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 17 ascending order Stichmaß kurzer Lenker Stichmaß Gestell Stichmaß langer Lenker Scharnieroberteil Länge Umschlag E-Modul kurzer Lenker Blechdicke Scharnieroberteil Befestigungsbohrung vorne in X Richtung - 1.0 - 0.75 - 0.5 -0.25 0 0.25 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal 0.5 0.75 1.0 Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 18 1. Methods Sensitivity Study is a suitable base for the optimization of sheet metal mechanism like automotive hinge systems. 2. The mechanism become more and more complex like hinge systems for pedestrian safety! 3. We still have unsolved problems! Lifetime safety (durability) Uncontrolled opening torques at -40°C Idea: Influence of the Surface Shape Tolerance Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 19 For the reference case is shown below FE analysis is performed to evaluate the influence of the shape and dimensional tolerances of parts on the stress distribution under load Load F = 10kN Piston Guidance LK Catia Module Contact Region incl. friction Flat plate, fixed bottom side 000 000 Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 20 Tolerance Zone t=2mm Contact surface with randomly deformed shape (inside the given tolerance!) SPT = 0,2mm Surface Profile Tolerance (SPT) = 2mm Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 21 First Result [MPa] SPT = 0,2mm SPT = 0,1mm [MPa] [MPa] SPT = 0,0mm “Nominal Value” Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 22 • The results of the sensitivity study are very useful for the optimization of the hinge in relation to the wind stiffness • The influence of surface shape tolerance is significant and will be further examined at the chair of engineering design Calculation of the opening torque, hinge at f(T=-40°C) Influence on fatigue calculation Influence on slide bearings Shrink and Press Fits Fachbereich D, Abt. Maschinenbau Bergische Universität Wuppertal Gaußstraße 20 D‐42119 Wuppertal Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Peter Gust Tel.: +49.202 439‐2046 Mobil:+49.178 717 0467 eMail: peter.gust@uni‐wuppertal.de 23