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Strukturmechanik-Simulation
mit VGSTUDIO MAX
Führen Sie Finite-Elemente-(FE-)Spannungssimulationen direkt auf Computertomographie-(CT-)Scans durch. Die anwenderfreundlichen Funktionen der Strukturmechanik-Simulation in VGSTUDIO MAX eignen sich besonders gut für hochkomplexe Strukturen wie Schäume, Gitterstrukturen oder mikroporöse Strukturen, da kein geometriekonformes Netz erforderlich ist. Mit nur einem Klick können Sie die Ergebnisse einer Porositätsanalyse einfügen, um Spannungskonzentrationen im Bereich von Defekten zu simulieren. Die Simulationsergebnisse wurden anhand experimenteller Tests und klassischer FEM-Simulationen validiert.
Funktionen der Strukturmechanik-Simulation
Mechanische Simulation direkt auf dem CT-Scan
Unsere einfach zu bedienende Finite-Elemente-(FE-)Simulationssoftware arbeitet direkt auf den Voxeldaten und
- kann zum Anlegen einer statisch-mechanischen Last (gerichtete Kraft, Drehmoment oder Druck) verwendet werden;
- kann zur Simulation von Einzel- oder Multimaterial-Werkstoffproben und -Bauteilen mit linear-elastischen Materialeigenschaften eingesetzt werden;
- erleichtert den Aufbau von Simulationsmodellen auch für hochkomplexe Strukturen wie Schäume oder Bauteile mit Mikroporosität sowie biomechanische Strukturen;
- verwendet die subvoxelgenaue, lokal adaptive Oberflächenbestimmung in VGSTUDIO MAX;
- berechnet mit nur einem Klick die Spannungskonzentrationen im Bereich von Mikrodefekten unter Berücksichtigung der Ergebnisse einer beliebigen in VGSTUDIO MAX verfügbaren Porositätsanalyse;
- ermöglicht nahtlose Arbeitsabläufe von der Segmentierung bis zur Struktursimulation in einer einzigen Software.
Spannungsanalyse auf einem bionisch optimierten Halter aus dem Flugzeugbau
Komprimierte Materialprobe eines offenen Aluminiumschaums
Spannungskonzentration bei einzelnen Poren in einer Komponente
Belasteter Giftzahn einer Schlange (Causus rhombeatus) mit visualisierten Kraftlinien, die die simulierte Beißkraft darstellen (Daten von du Plessis, A., le Roux, S. G., & Broeckhoven, C. (2016), Scan von Stellenbosch CT Scanner Facility)
Ergebnisse
Sie können Ihre Ergebnisse direkt auf dem Scan des Echtbauteils sehen:
- Berechnen und visualisieren Sie die Von-Mises-Spannung und -Vergleichsdehnung, die maximale Scherspannung und die maximale Hauptspannung zur Evaluierung der plastischen Streckgrenze oder zur Abschätzung der Bruchgefahr.
- Visualisieren Sie das Spannungstensorfeld als Kraftlinien. Die Kraftlinien geben die Richtung der Eigenvektoren des Spannungstensors an; ihre Länge entspricht der Größe des entsprechenden Eigenwerts.
- Lassen Sie sich den an jeder Stelle im berechneten Volumen farbkodierten Verschiebungsbetrag anzeigen, um die berechneten Deformationen zu sehen.
Spannungskonzentration bei Hotspots
Identifizieren Sie kritisch belastete Bereiche in Ihrem Bauteil:
- Detektieren und visualisieren Sie die lokalen Maxima der Von-Mises-Spannung, die maximale Scherspannung sowie die maximale Hauptspannung und detektieren Sie den Verschiebungsbetrag.
- Identifizieren und visualisieren Sie verbundene Bereiche, in denen die ausgewählte Spannungskomponente oder Verschiebung den von Ihnen festgelegten Schwellwert überschreitet.
Detektieren und visualisieren Sie die lokalen Maxima der Von-Mises-Spannung
Berechnen Sie den höchsten Wert (Hotspot) einer ausgewählten Spannungskomponente
Vergleich mit CAD-basierter Simulation
Vergleichen Sie die Simulationsergebnisse, die auf den CT-Daten Ihres Ist-Bauteils basieren, mit den Simulationen auf dem entsprechenden CAD-Modell:
- Simulieren Sie sowohl das CAD-Modell als auch das reale Bauteil mit all seinen Ungänzen und Formabweichungen.
- Vergleichen Sie automatisch die beiden Simulationsergebnisse für dasselbe oder ein ähnliches Objekt in Bezug auf die Von-Mises-Spannung, die maximale Hauptspannung, die maximale Scherspannung oder den Verschiebungsbetrag.
- Berechnen Sie den Unterschied der jeweiligen Werte auf jedem Punkt der Struktur und visualisieren Sie die farbkodierten Ergebnisse auf dem Bauteil.
Validierte Ergebnisse
Die Simulationsmethode im Modul Strukturmechanik-Simulation wurde gegen die Ergebnisse von konventionellen Finite-Elemente-Analysen numerisch validiert und zeigte eine gute Übereinstimmung. Sie wurde außerdem experimentell gegen mechanisch-physikalische Tests validiert, mit dem Ergebnis, dass sie die wahrscheinlichsten Fehlerstellen in einem Strukturbauteil identifizieren kann. (Predicting Failure in Additively Manufactured Parts Using X-Ray Computed Tomography and Simulation, Peer Reviewed Paper, 7th International Conference on Fatigue Design 2017)
Vorteile
Geringer Aufwand
- Keine Vernetzung erforderlich
- Keine Simulationserfahrung erforderlich
- Nahtlose Arbeitsabläufe von der Materialsegmentierung und Defekterkennung bis hin zur Simulation – alles in einer einzigen Software
Wirklichkeitsgetreu
- Alle mikrostrukturellen Einzelheiten werden durch die subvoxelgenaue Materialsegmentierung erfasst.
- Simulierte Spannungen können direkt mit der zugrunde liegenden Mikrostruktur des Materials in Beziehung gesetzt werden (z. B. Größe, Position und Form von Poren oder Stegdicken in offenzelligen Schäumen)
Validiert
- Vorhergesagte Bruchstellen und Zugfestigkeiten wurden in experimentellen Zugtests an 3D-gedruckten Komponenten mit Poren validiert
- Die effektiven elastischen Eigenschaften eines kubischen Gitters wurden gegen eine konventionelle FEM-Simulation validiert