Numerische Simulation

Über sieben Brücken

musst Du geh‘n“, sang einst die DDR-Gruppe Karat und versteckte in dem Song die Sehnsucht nach mehr Freiheit. Doch nicht erst seit der Kultband wird in Brücken viel mehr gesehen als eine ingenieurtechnische Königsdisziplin. Brücken überwinden Täler und Schluchten, verbinden Ufer und Küsten, Völker und Kulturen. Damit sie aber über lange Zeit auch ihrer verbindenden Aufgabe nachkommen können, müssen sie regelmäßig inspiziert und gewartet werden. Dafür werden unter anderem Brückenuntersichtgeräte eingesetzt.

Das Verhalten von Bauwerken und Konstruktionen vorauszubestimmen, ist Aufgabe von Ansys Workbench

Führender Hersteller in diesem Bereich ist die Moog GmbH. Die Produktpalette umfasst Plattformgeräte, Korbgeräte, fest installierte Brückenbesichtigungswagen sowie Sonderkonstruktionen aller Art. Am Standort Deggenhausertal in Bodensee-Nähe werden die Geräte entwickelt und gebaut. Da keine Brücke wie die andere ist, jeder Kunde spezielle Anforderungen an sein Gerät hat, ist es für Moog wichtig schnell auf Kundenwünsche reagieren zu können. Von sechs Mitarbeitern in der Abteilung Konstruktion und Entwicklung sind zwei Mitarbeiter mit Berechnung und Nachweisführung betraut. Neben dem räumlichen Stabwerksprogramm R-Stab, das für Fachwerkstrukturen eingesetzt wird, kommt seit dem Jahr 2000 auch die FEM zum Einsatz. Seit 2007 werden die geforderten Nachweise komplizierter Strukturen mit Hilfe von Ansys Workbench durchgeführt.

Bei der Softwareauswahl überzeugte die Lösung zunächst durch die drastische Vereinfachung und Beschleunigung der Preprocessing Tätigkeiten. Durch einfache Möglichkeiten der Geometrievorbereitung und der weitgehend automatischen Netzerstellung steht mehr Zeit zur Verfügung, um die eigentlichen Kernaufgaben wie Nachweisführung in Angriff zu nehmen. Die benötigten Nachweise komfortabel und sauber führen zu können ist eine Hauptanforderung an die Berechnungssoftware. Das Ansys NLS Paket stellt dazu alle von Moog benötigten Funktionen bereit. Dies sind neben Berechnung von Verformungen und Spannungen der Struktur auch Berechnung von Schweißnähten, Stabilitätsuntersuchungen dünnwandiger Bauteile und die Abbildung nichtlinearer Kontakte, um nur einige zu nennen.

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In Workbench generierte Stabmodelle dienen als Hilfskonstruktion zur steifigkeitstechnisch richtigen Aufbringung der Lasten.

Bearbeitung von dünnwandigen Bauteilen
Da ein großer Teil der von Moog hergestellten Bauteile aus dünnen Blechen besteht, die im Normalfall mithilfe von Schalen- elementen abgebildet werden, war die Modellvorbereitung mit Generierung eines Mittelflächenmodells in der Vergangenheit oftmals sehr aufwendig. Mit Verwendung der in Ansys Workbench zur Verfügung stehenden Solid Shell Elemente konnte eine erhebliche Reduktion des Aufwands bei der Modellerstellung erzielt werden. Auch der Nachweis von Schweißnähten ist durch Auslesen der Schnittgrößen an der Kontaktstelle einfach möglich. Sollten Detailbereiche genauer untersucht werden, steht mit der Submodelltechnik ein geeignetes Werkzeug zur Verfügung. In diesen Submodellen ist es möglich, das Netz auf ausgewählten Teilbereichen weiter zu verfeinern oder auch Schweißnähte zu modellieren, um in hochbeanspruchten Bereichen genaue Aussagen treffen zu können.

Um im Transport auf dem LKW mit dem Brückenuntersichtsgerät die erlaubten Abmaße nicht zu überschreiten und dennoch im Einsatz breite Geh- und Radwege sowie hohe Lärmschutzwände übergreifen zu können, sind viele Geräte mit teleskopierbaren Bauteilen ausgerüstet. Zur Berechnung der Kräfte, die in den einzelnen Laststellungen auf die Führungen wirken, ist es wichtig, nicht lineare Kontakte möglichst sauber abbilden zu können. Hier bietet Ansys Workbench NLS unter anderem den rauen, reibungsfreien und reibungsbehafteten Kontakt. Die von Workbench automatisch gefundenen Kontakte zwischen den einzelnen Bauteilen werden mit einem Mausklick zu einem nichtlinearen Kontakt umgewandelt.
Die Übergänge zwischen Fachwerkstrukturen, die mit einem Stabwerksprogramm betrachtet und nachgewiesen werden können, und Strukturen, die die Betrachtung mittels FEM erforderlich machen, verlaufen bei Moog oftmals innerhalb eines Bauteils. Dieser Schwierigkeit kann in Workbench durch die Kopplung von Balkenelementen mit finiten Elementen begegnet werden. So können Stabmodelle generiert werden, die als Hilfskonstruktion zur steifigkeitstechnisch richtigen Aufbringung der Lasten dienen.

Die enge Zusammenarbeit zwischen Vertrieb, Konstruktion & Entwicklung sowie Fertigung ermöglicht es Moog, neue Ideen und Kundenwünsche schnell in das Produkt einfließen zu lassen. Dank der Ansys Workbench kann dies nun noch schneller erfolgen. hs/ee

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