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Mehrkörper-Dynamik bei einem Fahrzeuginstrument
VDO beauftragte CADFEM mit der simulatorischen Mehrkörperanalyse eines Fahrzeuginstrumentes, um eine gewünschte Schwingungsamplitude von 5 g zu erreichen.

Starre und flexible instationäre Analyse in Ansys

Branche: AutomobilzuliefererFachgebiet: Strukturmechanik

Der Antriebsmechanismus eines VDO-Fahrzeuginstruments, bzw. das Antriebsmoment, soll so ausgelegt werden, dass eine gewisse Schwingungsamplitude erreicht wird. Für die dynamische Mehrkörperanalyse mittels Simulation wandte sich VDO an CADFEM.

Zusammenfassung

Aufgabe

Der Antriebsmechanismus eines Fahrzeuginstruments, bzw. das Antriebsmoment, soll eine Schwingungsamplitude von 5 g erreichen. Die Auslegung soll mittels Simulation in Ansys erfolgen.

Lösung

In Ansys wird eine starr-transiente Analyse für das Mehrkörpersystem (MKS) erstellt Nach dem Import des CAD-Modells in den Ansys DesignModeler werden starre Baugruppen gruppiert und die starren Teile über Gelenke verbunden. Verschiedene Arten von Gelenkelementen (kugelförmig, translatorisch, universell, ...) können konfiguriert werden, indem geeignete kinematische Beschränkungen für jeden oder einige der sechs relativen Freiheitsgrade zweier Komponenten festgelegt werden. Nach Belastung des Drehgelenks des Exzenters durch ein transientes Momentensignal kann das gewünschte Beschleunigungsverhalten des Bauteils berechnet werden.

Kundennutzen

Selbst eine komplexe Baugruppe wie ein Fahrzeuginstrument kann dank der Möglichkeit, sowohl starre als auch flexible Mehrkörperdynamik innerhalb einer einzigartigen, komfortablen Benutzeroberfläche von Ansys Workbench durchzuführen, effizient untersucht werden.

Projekt Details

Aufgabenstellung

Der Antriebsmechanismus eines Fahrzeuginstruments bzw. das Antriebsmoment soll so ausgelegt werden, dass Schwingungsamplituden von 5 g erreicht werden. Ein Elektromotor gibt einen kurzen Impuls (blauer Pfeil in der Abbildung) auf einen Exzenter. Die Rotation wird durch einen elastischen Balken in eine translatorische Bewegung umgewandelt und die Schwingungsvorrichtung ist durch einen Feder-Dämpfer-Mechanismus am Boden aufgehängt. Nach Abschalten des Momentes soll die freie Schwingungsamplitude zu Beginn 5 g betragen.


Nutzen für den Kunden

Selbst eine komplexe Baugruppe wie ein Fahrzeuginstrument kann dank der Möglichkeit, sowohl starre als auch flexible Mehrkörperdynamik innerhalb einer einzigartigen, komfortablen Benutzeroberfläche von Ansys Workbench durchzuführen, effizient untersucht werden.


Lösung

Das Schwingungsverhalten wird von der Schraubenfeder dominiert. Die elastischen Moden des Geräts selbst werden als wesentlich höher angenommen. Aus diesem Grund wird in Ansys eine starr-transiente Analyse für das Mehrkörpersystem (MKS) erstellt (siehe Featurebaum in der Abbildung). Nach dem Import des CAD-Modells in den Ansys DesignModeler werden starre Baugruppen gruppiert und die starren Teile über Gelenke verbunden. Verschiedene Arten von Gelenkelementen (kugelförmig, translatorisch, universell, ...) können konfiguriert werden, indem geeignete kinematische Beschränkungen für jeden oder einige der sechs relativen Freiheitsgrade zweier Komponenten festgelegt werden. Nach Belastung des Drehgelenks des Exzenters durch ein transientes Momentensignal (blaue Kurve in der Abbildung) kann das gewünschte Beschleunigungsverhalten des Bauteils berechnet werden (rote Kurve in der Abbildung). Die Modellierung der Flexibilität eines Bauteils kann mäßig wichtig sein, aber auch von entscheidender Bedeutung. In diesem Fall wurde vermutet, dass der lange, schlanke Fahrbalken einen gewissen Einfluss auf das Endergebnis hat. Ansys ermöglicht es, innerhalb der gleichen Benutzeroberfläche zwischen starren und flexiblen Körpern zu wechseln. In diesem Fall wurde der Träger als flexibel gekennzeichnet, was zu einem FE-vernetzten Teil führte (siehe Abbildung). Eine Modalanalyse ergibt das erste gewünschte Verhalten des schwingenden Feder-Masse-Systems bei 60 Hz, gefolgt vom ersten elastischen Balkenverhalten bei 800 Hz (siehe Abbildung). Diese große Frequenzlücke ist ein erster Hinweis darauf, dass die Annahme der Vernachlässigung der Flexibilität für die starre instationäre Lösung qualifiziert ist. Die Durchführung einer flexiblen transienten Analyse in Ansys liefert eine endgültige Bestätigung, da die Verschiebungsergebnisse im Vergleich zum starren Fall nahezu identisch sind.

Bilder: © VDO


Bereichsleiter Professional Development
Dr.-Ing. Marold Moosrainer

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