Toleranzanalyse einer Radioteleskopverankerung
Branche: Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: StrukturmechanikDas ESO (European Southern Observatory ) hat CADFEM gebeten, die Ebenheitstoleranzen zur Befestigung der Radioteleskopanlage ALMA in Chile mit Ansys-Simulationstools zu überprüfen, um die Kosten bei der Befestigung der über 200 Antennen zu reduzieren.
Zusammenfassung
Aufgabe
In allen Kontaktbereichen zwischen den Befestigungsteilen gibt es hohe Ebenheitstoleranzen. Angesichts der Anzahl der zu realisierenden Fundamente (mehr als 200 Antennenstationen) sollten diese Toleranzen gelockert werden, um die Herstellungskosten zu senken.
Lösung
Es wurden nichtlineare Kontaktanalysen mit sehr hoher Auflösung der Kontaktsteifigkeit (Penetration) durchgeführt.
Kundennutzen
Der Einfluss der hohen Fertigungstoleranzen zur Ebenheit auf die Steifigkeit des Antennenfundaments ist bei den untersuchten Fertigungstoleranzen vernachlässigbar.
Das Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in der Atacama-Wüste im Norden Chiles ist ein astronomisches Interferometer, das aus 66 einzelnen Radio-Teleskopen ("Antennen") von 12 m und 7 m Durchmesser besteht. Die Grundplatten der Antenne sind in Beton gebettet. Die Antenne selbst ist auf den drei Grundplatten durch Stege befestigt, die aus einem flachen unteren Teil und einem halbzylindrischen oberen Teil bestehen. Die Füße der Antenne haben eine Aussparung, um auf den Rippen zu ruhen. Die Baugruppe wird durch M52-Schrauben zusammengehalten. In allen Kontaktbereichen zwischen den Teilen gibt es hohe Ebenheitstoleranzen. Angesichts der Anzahl der zu realisierenden Fundamente (mehr als 200 Antennenstationen) sollten diese Toleranzen gelockert werden, um die Herstellungskosten zu senken. Daher muss der Einfluss der Ebenheitstoleranz auf die Steifigkeit des Antennenfundaments untersucht werden. Um fertigungsbedingte Ungenauigkeiten zu simulieren, werden konvexe und konkave Verformungen dieser Kontaktflächen erzeugt, indem die x-Koordinate der Oberflächenknoten entsprechend einer Sinusfunktion in Bezug auf die z-Koordinate verschoben wird.
Die Verformung der Struktur wird von der aufgebrachten Schraubenvorspannung dominiert. Die Steifigkeit während dieses ersten Belastungsschritts ist für alle drei Modelle unterschiedlich. Sobald jedoch die Kontaktbereiche geschlossen sind, ist die Steifigkeit der Struktur für alle drei Modellvarianten gleich. Daher ist der Einfluss der Fertigungstoleranz auf die Steifigkeit des Antennenfundaments bei den untersuchten Fertigungstoleranzen vernachlässigbar.
Es wurden nichtlineare Kontaktanalysen mit sehr hoher Auflösung der Kontaktsteifigkeit (Penetration) durchgeführt. Die Eindringtiefe des Kontakts musste um eine Größenordnung unter der Ebenheitstoleranz von 20 µm liegen (typische Kantenlänge: etwa 300 mm). Die Schraubenlasten und die Antennenmasse wurden auf das Modell angewendet. Für diese Analyse wurde ein linear-elastisches Materialmodell mit kleinen Verformungen angenommen. Es mussten drei verschiedene Lösungsmodelle verglichen werden:
- die unveränderte Geometrie ohne Fertigungstoleranzen,
- das Modell mit konkaven Modifikationen der Kontaktflächen
- und das Modell mit konvexen Modifikationen der Kontaktflächen.
