Uhrensimulation

Abdichtung und Belastung von Uhrenboxen

Das Verhalten des Kastens unter Druck wird im Rahmen einer statischen Strukturanalyse untersucht. In einem ersten Schritt wird der Zusammenbau der Box simuliert (Eiskanal, Boden), um von einer realistischen Situation in Bezug auf Vorspannung und Geometrie der verformten Verbindungen auszugehen. Anschließend wird Druck auf die Außenflächen ausgeübt. An den Fugen kann das Ausmaß des Eindringens von Wasser simuliert werden, indem die Option "Druckpenetration" aktiviert wird. Ansys berechnet den Anpressdruck an den Fugen und passt die Wasserdurchdringungsfläche entsprechend an, was wiederum den Anpressdruck beeinflusst. Dadurch ergibt sich ein äußerst realistisches Bild der Verformung der Fugen unter Druck und des Ausmaßes, in dem Wasser eindringt. Auf diese Weise können folgende Informationen gewonnen werden:
- Ist die Dose wasserdicht oder nicht?
- Dichtheitsspanne (durch Vergleich von Anpressdruck / Wasserdruck)
- Visualisierung des Verhaltens der Dichtung (Zoom, Schnitte usw... in der Realität kann man nicht sehen, was im Inneren vor sich geht, oder man benötigt transparente Bauteile, aber auch ein Wechsel des Materials verändert das Verhalten)
- Verformungen und Spannungen in allen Teilen
- Restverformungen beim Aussteigen aus dem Wasser (Beispiel: plastische Verformung eines Bodens, der zu dünn wäre. Wie stark ist sie, wenn man aus dem Wasser kommt?). Durch Iterationen oder Optimierung kann man also eine optimale Bodendicke erreichen; so dünn wie möglich (für eine leichte Uhr und zur Senkung der Herstellungskosten), aber so dick wie nötig.
Dies ist eine relativ normale Berechnung. Sie ist für einen Anfänger im Selbststudium nicht einfach, aber mit unserer Hilfe kann jeder, auch ohne Erfahrung, schnell in dieser Frage tätig werden.

Simulation eines Armbands aus Elastomer

Die Idee ist, zunächst numerische Tests durchzuführen, um kritische Bereiche und Versagensrisiken zu ermitteln, sei es bei Zug, Torsion oder einer Kombination aus beidem. Die Simulation kann auch den Verschlussmechanismus einbeziehen. Diese Art der Simulation ist für jeden zugänglich, auch für Anfänger.
CADFEM führt Sie dank der verfügbaren Schulungen oder "Guided work"-Sitzungen zum optimalen Ergebnis.

Kalibrierfeder

Mit Ansys Mechanical simulieren Sie die maximalen Spannungen in einer Kipphebelfeder, deren Vor- und Scharfschaltung und erhalten das resultierende Drehmoment. Die Modellierung profitiert von den erweiterten Möglichkeiten der Kontakte in Ansys, wie z.B. Reibung durch Kontaktrutschen. Darüber hinaus können große Verschiebungen und Verformungen einfach simuliert werden. Dimensionieren Sie eine Feder am Computer nach Ihren Vorgaben.

Statische Berechnung der Struktur einer Drehlünette

Das für die Drehung der Lünette erforderliche Drehmoment wird berechnet und darf weder zu hoch (schwer drehbar) noch zu niedrig (könnte sich mit dem Ärmel des Hemdes drehen) sein. Gleichzeitig werden die Spannungen berechnet, die niedrig genug sein müssen, um Probleme mit Plastifizierung oder Bruch zu vermeiden.Durch verschiedene geometrische Iterationen, die direkt mit Ansys gekoppelt sind, erhält man sehr schnell eine Geometrie, die den Vorgaben entspricht.
Anschließend kann eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden: Was passiert bei einem höheren oder niedrigeren Reibungskoeffizienten? Mit einer dickeren/breiteren Schaufel als der Nenngröße? Mit einer größeren oder geringeren Vorspannung? So kann man die Parameter mit dem größten Einfluss ermitteln und die Robustheit des Systems sicherstellen.
Die Analyse kann auch ergänzt werden:
- durch eine Ermüdungsanalyse: wie viele Zyklen bis zum Ermüdungsbruch?
- durch Berücksichtigung der Abnutzung, entweder durch direkte Simulation des Abnutzungsphänomens oder durch Abschätzung der Abnutzung und Simulation des Verhaltens (neue Werte für Drehmoment, Spannung usw.) des abgenutzten Systems.
- durch zusätzliche Lastfälle. Was passiert z. B., wenn wir versuchen, die Lünette in die falsche Richtung zu drehen? Kann dies dazu führen, dass die Feder plastisch wird oder bricht? Wie viel Drehmoment wäre nötig, um die Feder zu beschädigen?
Die Simulation ermöglicht es also, eine optimierte und robuste Geometrie zu erhalten. Diese Art der Berechnung ist schnell und relativ einfach und steht allen offen, auch Anfängern.

Schraubenberechnung

HE Arc hat mit Hilfe der Ansys-CADFEM-Erweiterung Bolt Assessment Inside Ansys eine eingehende Untersuchung von Uhrenschrauben durchgeführt. Diese Erweiterung ermöglicht es, auf detailliertere und direktere Weise die Ergebnisse der Spannungen, aber auch das Risiko des Herausdrehens der Schrauben in Abhängigkeit von den untersuchten Lastfällen zu erhalten. Es ist dann sehr klar, welche Schrauben das untersuchte Kriterium erfüllen oder nicht erfüllen.

Simulation der Abnutzung des Hebelfeder

Ein Uhrwerk kann perfekt funktionieren, wenn es die Fabrik verlässt. Es kann aber sein, dass nach einer gewissen Zeit es aufgrund der Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit nicht mehr funktionsfähig ist. Mit Hilfe der numerischen Simulation lässt sich der Einfluss der Reibungskoeffizienten leicht bewerten. Unter Beibehaltung des etablierten Modells können Sie einfach den Wert des Reibungskoeffizienten (typischerweise zwischen 0,05 und 0,2) ändern, um neue Werte für Spannungen und Drehmomente für eine verschlechterte Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten. So können Sie die Robustheit der Konstruktion sicherzustellen. Sie können auch Fragen des Verschleißes berücksichtigen. Eine Konstruktion, die zu niedrigeren Kontaktdrücken führt (gemessen durch numerische Simulation), ermöglicht es Ihnen, den Verschleiß zu reduzieren. Durch den Import einer verschlissenen Geometrie können Sie die Auswirkungen des Verschleißes auf Drehmomente und Spannungen besser interpretieren. Basierend auf physikalische Tests kann auch ein Verschleißgesetz ermittelt werden (Kalibrierung des Archard-Modells). Damit können Sie den zu erwartenden Verschleiß neuer Bauteile vorhersehen: Das Modell berechnet eine Verschleißrate und passt das Netz entsprechend an. Auf diese Weise können Sie die am stärksten beanspruchten Bereiche identifizieren und wie bisher Spannungen und Drehmomente an der verschlissenen Geometrie ermitteln, um schließlich die Robustheit der Konstruktion zu gewährleisten. 

Statische Simulation eines Ausziehteils

Die Simulation ist nicht auf die Verwaltung von zwei oder drei Komponenten beschränkt. Das Ideal ist, Teile ganzer Mechanismen direkt simulieren zu können. Mit der neuen Vorspannungsverwaltung lassen sich Vorspannungen einfach einrichten. Kontakte werden effizient verwaltet und auch freie Bauteile mit Laufspiel können simuliert werden. Die Verschiebung von Teilen kann genau wie in der Realität aufgezwungen werden und der Einfluss auf andere Komponenten kann in einer einzigen Simulation gesehen und quantifiziert werden. Der Benutzer kann das Modell in 2D untersuchen, um extrem schnelle Berechnungszeiten zu erhalten (zwischen 30s und 10min auf einem Laptop), oder zu 3D wechseln, um Überlegungen außerhalb der Ebene zu berücksichtigen.

Mehrkörpersimulation eines Chronographen

Mit dem dynamischen Modul können Sie die Bewegung starrer Körper und die genaue Verformung flexibler Körper wie die Federn eines Chronographenmechanismus simulieren. So ist es möglich, die Rückstellung, den Start/Stopp, die Belastung der Rückstellfedern, die Kräfte auf den Drücker und den Betrieb eines virtuellen Prototyps zu modellieren. Änderungen und Tests an neuen Varianten werden direkt mit der Software durchgeführt. Auf diese Weise können die folgenden Informationen gewonnen werden:

• Erforderliche Kräfte an den Drückern.
• Dynamik: Stabilisierungszeit des Zeigers beim Zurücksetzen auf Null durch das Hammer-Kern-System.
• Spannungen in den flexiblen Bauteilen (z.B. Feder) unter Berücksichtigung des Einflusses der Dynamik und eines möglichen Out-of-Plane-Verhaltens.
• Mögliche Sensitivitätsstudie, z.B. was passiert bei höheren Reibungskoeffizienten? (Alterung), Einfluss des Betriebsspiels...
• Einfluss des Betriebsspiels ...

Optimierung einer magischen Sperrklinke

Die magische Sperrklinke ermöglicht das Aufziehen des Federhauses unabhängig von der Drehrichtung der Schwungmasse. Mit der Uhrmachersimulation können wir schnell die Anzahl der Zahnsprünge bei jeder Schwingung sowie die Einschränkungen für die Klinkenblätter berechnen. Die Realisierung von manuellen oder automatischen geometrischen Varianten in der Ansys-Software ermöglicht es, die wichtigsten Parameter zu ermitteln und die Leistung und Robustheit des Systems zu verbessern.

Untersuchung des Reduktionsstück   

 Die Simulation des Reduktionsstück muss auf der Grundlage von Kontakten erfolgen, um den Wirkungsgrad des Systems unter Betriebsbedingungen zu ermitteln und den Einfluss des Umkehrspiels zu erkennen. Die Simulation mit Ansys Motion (Mehrkörpertool, hier mit Starrkörpern) ermöglicht sehr niedrige Berechnungszeiten (10s Berechnung, Laptop, 4CPUs), während die simulierte physikalische Zeit 80s beträgt. Diese niedrigen Berechnungszeiten sind eine Voraussetzung für Sensitivitätsstudien (Einfluss von Fertigungstoleranzen, 6-Sigma-Studie usw.) und Optimierungsstudien.

Schweizer Anker

Verwenden Sie eine dynamische Simulation nur mit starren Körpern, um das Zusammenspiel von Teilen schnell zu überprüfen und dabei deren Verformung zu vernachlässigen. Das Video einer Schweizer Ankerhemmung zeigt, wie der Mechanismus unter Berücksichtigung von Reibungskontakten, Teilträgheit und Schwerkraft funktioniert. Sobald die Simulation durchgeführt ist, untersuchen Sie z.B. das Verhalten innerhalb der Toleranzen.

Berechnung der Reibung eines Pendels

Dynamische Simulation mit Ansys LS-Dyna unter Berücksichtigung der flexiblen Feder- und Steifkörper. Diese Simulation ermöglicht es, die Reibungsverluste über mehrere Perioden und damit die logarithmische Abnahme und anschließend den Qualitätsfaktor der Waage entsprechend ihrer Ausrichtung in Bezug auf die Schwerkraft zu quantifizieren. Eine geometrische Variante wurde ebenfalls untersucht. Schale und Aufgehängt.

Simulation der Verformungen des Armbands

Armbänder mit Gliedern können mit Ansys LS-Dyna simuliert werden, unabhängig von der Form und der Anzahl der Glieder. Ansys LS-Dyna kann die Interaktion zwischen Gliedern, Schaft, Gehäuse, Schrauben, Stiften usw. verwalten. Wir können also durch Simulation erhalten:

• die Form des Armbands (flach, um das Handgelenk),
• die Verteilung der Kräfte: bei welchen Gliedern, welchen Schrauben usw. sind sie je nach Belastungsfall (Zug, Torsion, Kombination aus beidem) maximal,
• Spannungswerte, Möglichkeit der Übertragung der Ergebnisse in ein strukturelles statisches Modell für noch mehr Genauigkeit bei den kritischsten Komponenten,
• Jede Art von Material kann berücksichtigt werden (Stahl, Gold, usw.).
• Ziel ist es, die Entwicklungszeit zu verkürzen, indem eine funktionsfähige Geometrie durch Simulation vor Beginn der Fertigung und der endgültigen Validierung durch physische Tests erhalten wird.

Simulation eines Uhrwerkkugellagers

Viele Kontakte und Umkehrspiele, die in einer strukturdynamischen Simulation zu bewältigen sind. Die Simulation wurde durchgeführt, um die Machbarkeit zu zeigen.

Chock simulation

Sie wollen das Ergebnis eines Sturzes aus einer Höhe von einem Meter auf die Elemente einer Uhr simulieren. Die dynamische Analyse führt eine Beschleunigung der Komponenten aus und berechnet dann deren Verformungen während des Aufpralls. Es ist auch möglich, die Spannungen der Verbindungen und Schrauben zu beobachten und den Einfluss der Parameter während des Aufpralls zu untersuchen.

Systembetrachtung

Untersuchung von Mechanismen als Systeme. Das mit dem Ansys Twin-Builder erstellte System zeigt die dynamische Entwicklung einschließlich Trägheit und Flexibilität bestimmter Teile, Energieübertragung, Synchronisationseffekte, Übertragungsverzögerungen und Energiebilanz.

Kontakt mit ölfilm

Die Simulation ermöglicht es, die Dynamik von Ölschichten in den Kontaktflächen zu berechnen und unter anderem die sehr genaue Entwicklung der auf die Teile wirkenden Kraft zu extrahieren.

Magnetisches Feld in der uhr

Die Berechnung der Abschirmung des Magnetfeldes durch die Uhr ermöglicht es, das lokale Feld zu kennen, das effektiv auf die kritischen Komponenten wirkt. Diese Simulation erleichtert die Analyse und die Suche nach wahrscheinlichen Störungen vor der Herstellung eines Prototypen.

Stepper motor

Die transiente elektromagnetische Analyse des Lavet-Motors ermöglicht den Zugang zum dynamischen Verhalten des Motors, was es ermöglicht, den Einfluss vieler Parameter zu untersuchen, wie z.B. die zeitliche Entwicklung des Stroms in der Spule, die Reibung auf der Achse, die Trägheit des Rotors, die Geometrie, die gewählten Materialien usw.

verhalten einer spiralfeder in einem magnetfeld

Ziel ist es, die Auswirkungen von Magnetfeldern auf den Betrieb einer Spiralfeder zu quantifizieren. Wir haben hier das Ergebnis in den folgenden Fällen:

• Magnetisierung in einem konstanten Feld
• Magnetische Remanenz nach der Beeinflussung durch ein externes Magnetfeld
• Verformung aufgrund dauerhafter magnetischer Kräfte

Akustik Analysen

Die akustische Berechnung ermöglicht es, die Uhr in einem digitalen Modell zu untersuchen und so aufzubauen, das die physikalischen Eigenschaften des zu bauenden Prototypen reproduziert. Optimieren Sie die Uhr entsprechend den Parametern Ihres Modells.

Uhrwerk

Ansys ermöglicht erweiterte akustische Studien! Sie können Anregungen für die Strukturen definieren und die von der Umgebungsluft abgestrahlten Schallwellen berechnen. Eine solche numerische Untersuchung der möglichen Konfigurationen des Uhrenklangs (Geometrie, Materialien, Anregungen) ermöglicht es Ihnen, ein tiefes Verständnis der klangbeeinflussenden Phänomene zu entwickeln. In diesem Beispiel erhalten wir ein Zeitsignal, das die Extraktion verschiedener Spektren über die Zeit und den erzeugten Klang ermöglicht.

Schallwellen-Abstrahlung

Nach Abschluss der akustischen Berechnung können Sie die Abstrahlung der Schallwellen in dieLuft visualisieren.

Den klang des uhrmachers hören

Nach Abschluss der akustischen Berechnung können Sie den Klang der Uhr hören, der gemäß den für diese Berechnung definierten Eigenschaften erzeugt wurde.

Charakterisierung der Klangfarbe mit Ansys Sound

Die Extraktion verschiedener Teile des Spektrums im Laufe der Zeit (waterfall diagram) ermöglicht es, zwischen Attacke und Resonanz, Hintergrundgeräuschen und tonalen Anteilen zu unterscheiden und das Gefühl in quantitative Werte zu übersetzen.

Smart watch

Da der Markt für das Internet der Dinge (IoT) wächst, ist die Geschwindigkeit, mit der neue vernetzte Objekte auf den Markt gebracht werden, entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit. Die Erstellung eines virtuellen multiphysikalischen Prototypen beschleunigt die Entwicklung eines solchen Produkts.

Simulieren Sie mit Ansys einen kompletten virtuellen Prototyp mit multiphysikalischen Berechnungen (mechanisch, hochfrequent elektromagnetisch, thermisch, elektronisch). Der Einsatz von Simulationen antizipiert Probleme im Zusammenhang mit der Produktion, der Nutzung und beschleunigt die Markteinführung.

Entdecken Sie im kommentierten Video die verschiedenen von Ansys vorgeschlagenen Berechnungsschritte und Tools.

Beispiel einer mit optischer Simulation entwickelten Uhr - Ansys Speos

Mit Hilfe von Ansys Speos, einer Simulationssoftware für optisches Design, und angeleitet durch CADFEM konnte XRby innovative Uhrenkonzepte entwickeln, verschiedene Uhrenbaugruppen testen und ästhetische Optionen schnell bewerten, wobei mehr als 100 wertvolle Materialien und Elemente untersucht wurden. Mit der Speos-Texturkartierung konnten die Ingenieure beispielsweise vorhersagen, wie sich die Uhrenmaterialien unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen verhalten. Dies war ein wesentlicher Schritt, um zu bestimmen, welches Glaskastenmaterial Lichtbeugung, Lichtreflexion und Bildverzerrung am besten kontrollieren würde. Letztendlich fiel die Wahl auf Saphirglas.(Auszug aus dem Ansys-Blog Jan 2021)