---

SPB_1.pdf

Hallo,
ich versuche mich derzeit an der Berechnung der Kontaktspannung zweier sphärischer Gleitflächen, wie sie z.B. in Gelenklagern auftreten (siehe Attachment).

Aufgrund der Symmetrien habe ich 1/4 von Außenring, Innenring und Welle modelliert. Die Kraft wird als Druck auf die Schnittfläche der Welle aufgebracht. Welle und Innenring sind fest verbunden. Innenring und Außenring haben einen Linienkontakt im unbelasteten Zustand. Durch Aufbringen der Kraft wird die Kontaktzone größer.
Details zu den Annahmen und ein paar Screenshots befinden sich im Attachment.

Ich habe dieselbe Berechnung mit einem 'empirischen' Berechnungsmodell gegen gerechnet, das eine deutlich größere Kontaktfläche angibt. Entsprechend ist die maximale Kontaktspannung geringer.

Ich habe mehrere Mechanica-Berechnungen mit unterschiedlichen Randbedingungen, Netzfeinheiten, max. Polynomgrad etc. durchgeführt, am prinzipiellen Ergebnis hat sich aber nichts geändert.

Meine Frage wäre nun, ob jemand eine Erklärung hat, warum die Kontaktzone so klein ist? Liegt das vielleicht an der Art und Weise, wie Mechanica Kontakte berechnet?

[Diese Nachricht wurde von DerSimulant am 10. Dez. 2009 editiert.]

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Attachment funktioniert leider nicht

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Ich bitte vielmals um Entschuldigung. Da hatte sich ein "ä" im Dateinamen verirrt. Jetzt funktioniert das Attachment.

Gruß
Albrecht Nestle

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hi,

im Bild des FE-Modells erkennt man da, wo die Lasteinleitung ist, eine RB, die eine Verschiebung nur in Z-Richtung erlaubt. Stimmt das?
Kann diese Fläche nicht breiter werden?

Gruß Paul

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Paul,
ich habe vier verschiedene Sätze Randbedinungen versucht und die Ergebnisse des aktuellen erscheinen mir am logischsten (wenigstens relativ betrachtet). Ich hatte bei den anderen RB immer das Problem, dass das Lager seitlich ausschwenkt - also so eine Bewegung macht, wie sie bei einer Winkelschiefstellung auftreten würde. Das ist leider unlogisch, da ich ja keine asymmetrischen Kräfte bzw. Momente einleite.

Die derzeitigen RB sehen so aus:
1) Die Fläche der Krafteinleitung kann sich nur in z-Richtung verschieben. Rotation um x,y,z und Verschiebung in x und y sind fixiert. In der Realität wird sich die Fläche sicher in x und y -Richtung ausdehnen, aber wahrscheinlich nur recht gering.
2) Die Mantelfläche des Außenrings ist in allen Rotations- und Translationsfreiheitsgraden fixiert. Soll eine feste Passung wiederspiegeln.
3) Sie Seitenflächen des Innenrings sind in in allen Rotationsfreiheitsgraden behindert (damit will ich das beschriebene Ausschwenken verhindern) und in x-Richtung (behindert quasi ein "Verbreitern" und damit auch Kippen des Rings) ist die Verschiebung behindert. Ich hab es zuerst nur mit der Rotationsbehinderung um x,y und z versucht, aber das reichte nicht aus.

Was hälst du von diesen RB? Nachvollziehbar und logisch? Hast du eine Idee, wie ich den Innenring am Kippen hindern kann?

Danke für die Unterstützung im Voraus!

Albrecht Nestle

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Einfach noch eine Symmetrie in der halben Dicke ausnutzen, dann erledigen sich viele Randbedingungen von selbst! 

Und wie so oft: Volumenelemente haben keine rotatorischen Freiheitsgrade! Entsprechende Randbedingungen bringen Dir da also nicht viel bis gar nix......

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Albrecht,

am besten das FE-Modell (gezippte Pro/E-Daten) hochladen, dann würde ich meinen Vorschlag einbauen. Volumenelemente haben in der Tat keine rotatorischen Freiheitsgrade.

Gruß Paul

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Gelenklager.zip

Hallo Paul,
vielen Dank für das Angebot! Hier sind die Dateien.

Gruß
Albrecht

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

vorschlag_rb_pakl.zip

Hallo Albrecht,

mein Vorschlag anbei.

Gruß Paul

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

PS: Den vorhandenen Halbschnitt im Pro/E-Modell habe ich gelassen, obwohl dort die Symmetrie nicht greift. Das Prinzip bleibt gleich.

[Diese Nachricht wurde von ToTacheles am 12. Dez. 2009 editiert.]

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Paul,
danke für den Vorschlag. Ich hab den ganzen Vormittag damit herumexperimentiert: Die Kontaktzone ist sicherlich realistischer (weil größer), aber die Krafteinleitung über den Außenring halte ich für nicht korrekt: In der Realität sitz der Außenring "passiv" in seiner Gehäusebohrung und wird durch den Innenring "gequetscht". Im Modell dagegen wird er "aktiv" gegen den Innenring gedrückt und schmiegt sich dadurch um diesen. Dadurch ergeben sich unrealistische Verformungen.

Deine Symmetriebedingungen finde ich allerdings sehr gut. Die Behinderung in z-Richtung des Punkts auf der Lasteinleitungsebene ("Contraint 3") ist mir allerdings unlogisch. Die Wellenachse kann sich schließlich in Z-Richtung verschieben. Was bezweckst du mit dieser Bedingung?

Kann es deiner Meinung nach sein, dass dich des gesamte Modell aufgrund der verwendeten P-Elemente "zu steif" verhält? Ich hab mit Ansys gegengerechnet und erhalte eine wesentlich größere Kontaktzone. Um meine Theorie zu prüfen habe ich auch schon ein relativ fein vernetztes Mechanica-Modell aufgebaut (11010 Elemente), das aber nicht rechnet, weil angeblich die Festplattenkapazität nicht ausreicht. Kann aber nicht sein, weil noch 25 Gb frei sind. Danach hab ich einfach mit der zehnfachen Last gerechnet und siehe da - die Lastzone war deutlich größer! Könnte es also ein Steifigkeitspoblem sein? 

Grüße
Albrecht

PS: Lustiger Zufall: Vergangene Woche hab ich mir bei amazon dein Buch bestellt (und am Donnerstag und Freitag durchgelesen bzw. durchgearbeitet) und jetzt 'trifft' man den Autor höchstpersönlich im Forum. 

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Albrecht,

mit der Punkt-RB ist es so gemeint:
Man stelle sich gedanklich vor, der Innenring bleibt vertikal nicht stehen sondern drückt gegen den Außenring und bewegt sich "nach unten", gleichzeitig denkt man sich, dass der Außenring stehen bleibt und durch den Innenring verformt wird. Diese Umkehrung der Randbedingungen nutzt man oft bei Gleichgewichtsmodellen. Hier müsste streng genommen die genaue Abstützung (etwa Lagerlast) des Außenrings als Lastreaktion berücksichtigt werden.

Die halbierte Fläche (wo der Lastangriff stattfindet) ist wohl so nicht zulässig.

Gruß Paul
PS: Danke für den Buchkauf 

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

spb_1_35.asm.zip

Hallo Paul,
basierend auf deinem Vorschlag hab ich nochmal die Randbedingungen geändert. Die Lasteinleitung erfolgt jetzt über den Außenring (cosinusförmige Lasteinleitung) und die Innenringbohrung ist in allen drei Freiheitsgraden fixiert. Dadurch ergibt sich eine wesentlich größere Lastzone als im anfänglichen Modell, was der Realität mehr entspricht. Die maximale Kontaktspannung liegt ca. 16 % unter der in Ansys berechneten (mit denselben Randbedingungen).

Was hälst du von dem neuen Modell? Hast du noch eine Idee, wie man es verbessern könnte?
Ich hab's mit "Single pass with local mesh refinement" gerechnet )was 11 h gedauert hat. Bringt mir hier eine Multi-pass-Rechnung überhaupt was?

Grüße
Albrecht

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

lagerlast_vorschau.jpg

Hallo Albrecht,

wenn die Lasteinleitung (Verteilung der Last) in der Form der Realität entspricht und auch die Randbedingungen mit ANSYS übereinstimmen, dann dürften keine 15% Abweichung da sein.

Ich würde als Erstes im ANSYS-Modell die Kontaktmethode von Lagrange auf Penalty (wie in MECHANICA) umstellen und nochmals vergleichen, vielleicht spielt die Kontaktsteifigkeit tatsächlich eine Rolle.
(sicherheitshalber die Materialeigenschaften nochmals gegenüberstellen / kontrollieren).

Die Netzverfeinerung würde ich in MECHANICA nur in den Kontaktflächen definieren, dort möglichst fein. Wenn schon die adaptive Einschritt-Konvergenz gerechnet wird, dann keine "Lokale Netzverfeinerung" anhaken, bringt hier nichts. Die Mehrfachkonvergenz ist jedoch zuverlässiger. Die Rechendauer solcher Kontaktanalysen in MECHANICA ist oftmals sehr, sehr lang.

Zur Info: Sehr wichtig sind im Modell die Einstellungen zur Genauigkeit: CAD-Genauigkeit auf absolut (hier 0,001mm) sowie entsprechend die AutoGEM-Toleranzen.

Gruß Paul

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

PS: Beispiel etwa für die Lagerlast als Bild im Anhang

[Diese Nachricht wurde von ToTacheles am 30. Dez. 2009 editiert.]

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

vorschlag_neu_pakl.zip kontakt_lager.jpg

Hallo Albrecht,

anbei ein etwas anderer Modellaufbau.
Dieses FE-Modell würde ich in ANSYS exakt so nachbauen und dann vergleichen.

Gruß Paul

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Lager.pdf

Hallo in die Runde,

habe auch einmal das Lager durchlaufen lassen...

Frohe Weihnahcten mit einem Gruß aus dem Norden... Hans

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Hans,
genau so sollte die Druckverteilung theoretisch aussehen! Darf ich fragen, welche Randbedingungen du verwendet hast und wie du die Last aufbringst?

Gruß
Albrecht

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Randbedingungen.PNG

Hallo,

ich habe auf die Schnelle ein paar Schnappschüsse eingefügt, die meine Vorgehensweise beschreiben.

Wenn Du weitere Fragen hast, ich antworte gerne.

Ich wünsche allen Simulanten eine gesundes und erfolgreiches neues Jahr.

Einen lieben Gruß aus dem Norden, Hans

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

lagerlast_modell.zip

Hi, frohes Neues Jahr allen!

Ich habe hier das schon paarmal angesprochen, aber wahrscheinlich liegt ein Denkfehler bei mir: Der Halbschnitt, auf dem der Lastangriff stattfindet (das erste Bild im vorigen Beitrag), ist doch nicht zulässig?!

Gruß Paul
PS: Ein Bild von meinem letzten Vorschlag nochmals anbei

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Gelenklager.PNG

Hallo Paul,

natürlich ist der Halbschnitt nicht korrekt wenn ich das Problem quantitativ betrachte... qualitativ kommt aber das gleiche Ergebnis heraus... wenn es um die Flächenpressung geht, es wurden ja schon kuriose Ergebnisse vorgestellt...

Einen Gruß aus dem verschneiten Norden, Hans

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Hans,

nun, das Interessante dabei ist eben die Lasteinleitung.

Mein erster Vorschlag (mit Innenteil) hier liefert die Ellipse in der Mitte, so wie erwartet. Bei dem zweiten Vorschlag wird eine Lagerlast (Cosinusverteilung) auf den gesamten Innenring aufgebracht, die Außenschale wird festgehalten, das Innenteil bleibt sozusagen "unbekannt", ansonsten Stahl / Messing-Kombination des Lagers. Die berechnete Druckverteilung ist nun "kurios", darum der vorgeschlagene Vergleich zu ANSYS, selbst habe ich leider keine Lizenz.

Gruß Paul

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

ErgebnisseVergleichSPB_1_37und1_38.pdf SPB_1_37.zip

Aufgrund eurer Ansätze für die Randbedingungen hab ich nochmal ein neues Modell gemacht. Ich denke, dass der Einfluss der Welle und des Gehäuses so groß ist, dass sie nicht vernachlässigt werden können. Die Ringe sind relativ dünn -  vermutlich führen deshalb Annahmen, die z.B. die Außenring-Mantelfläche oder die Innenring-Bohrung fixieren zu falschen Ergebnissen, weil sie das ganz "zu steif" machen.

Das neue Modell (siehe Attachments) hat deshalb eine Welle, die stirnseitig fest eingespannt ist. Die Kraft wird über das Gehäuse eingeleitet.
Dadurch ergibt sich eine wunderschöne Druckverteilung auf der Kontaktfläche von Innen- und Außenring. So soll's sein!
Aber: Wenn ich das Spiel (die sog. Lagerluft) zwischen den Ringen verändere, sollte sich auch die Größe der Lastzone sowie der maximale Druck verändern: Je kleiner das Spiel, desto größer die Lastzone, desto geringer der maximale Druck. Deshalb hab ich zur Überprüfung eine Berechnung mit 75 µm Lagerluft und eine mit 0 µm Lagerluft gemacht. Bei der Berechnung mit 0 µm sollte die Lastzone über 180° des Umfangs verlaufen - sie ist jedoch nur ca. 90 - 95°.

Sieht einer von euch einen Fehler in meinen Annahmen oder dem Modell? Ich hab es recht grob vernetzt, um die Rechenzeit klein zu halten (30 min), aber das sollte prinzipiell keinen so großen Einfluß haben.

Danke für Eure Ideen im Voraus!

Gruß
Albrecht

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Albrecht,

Kontaktdefinition muss in allen Fugen sein, hier kein freier oder haftender Kontakt, sonst sind die Ergebnisse falsch! Die Außenschale hat außerdem einen Schlitz, das war bis jetzt nicht ersichtlich, d. h. eine Symmetrieausnutzung ist nur teilweise zulässig (Halbmodell wäre OK)).

Gruß Paul

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Paul,
ich dachte bisher, der haftende Kontakt ("Bonded") wäre der richtige für eine feste Passung. Ich werd's gleich mal mit "Contact" rechnen. Das dürfte aber eine Weile dauern...
Der Schlitz im Außenring ist ein Versuch. In Realität haben die Lager einen Schlitz, um den Innenring motieren zu können. Da dieser Schlitz in Realität ein Riss ist (wird durch ansägen und aufbrechen hergestellt), passen die beiden Bruchkanten perfekt ineinander und können Kräfte in Umfangsrichtung übertragen, jedoch nicht in Querrichtung. Um aber nicht noch einen weiteren Kontakt rechnen zu müssen, hab ich das mit diesem Schlitz idealisiert.

Ich melde mich, sobald ich neue Ergebnisse hab.

Gruß
Albrecht

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

ANSYS_vs_Mechanica.jpg

Ich hab mit folgenden Randbedingungen nochmals meine Berechnungen durchgeführt:
- 2x Spiegelsymmetrie (in Mechanica, nicht in ANSYS)
- Last wird cosinusförmig auf den Außenringmantel aufgebracht
- Innenringbohrung ist fixiert in allen translatorischen Freiheitsgraden

Die berechneten maximalen Kontaktspannungen sind sehr ähnlich: 69 MPa (ANSYS) zu 65 MPa (Mechanica) -> siehe Attachment. Der einzige Unterschied ist, dass ANSYS noch den Einfluß der Presspassung des Innenrings als Verschiebungs-Randbedingung berücksichtigt. Das könnte der Grund sein für die etwas höhere Kontaktspannung. Bisher hab ich den Einfluss der Passung in meinem Mechanica-Modell noch nicht berücksichtigt. Entweder bring ich ihn als radialen Druck in der Innenringbohrung auf oder als Verschiebung. Dafür benötigt man aber vermutlich ein zylindrisches Koordinatensystem. Ich werd' mal recherchieren.

Jedenfalls sieht die Lastzone was Form und Größe des Maximaldrucks angeht sehr realsitisch aus und beide Programme liefern ähnliche Ergebnisse. Auf der Basis kann ich weiterarbeiten.

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hi,

der Einfluss der Presspassung am Innenring ist relativ einfach zu berücksichtigen, Dein Vorhaben ist schon OK (gute Näherung). Noch besser wäre das Modellieren einer tatsächlichen Durchdringung der Welle mit dem Innenring, mit Kontaktdefinition, damit kommt MECHANICA gut zurecht und schiebt die Teile auseinander, bis diese passen.
http://www.tu-chemnitz.de/mb/MHT/SAXSIM/AT_denc_ptc/index_2009.php
(sehr hilfreich ist die Präsentation von Dr. Jakel)

Frage: welche Kontaktmethode wurde bei ANSYS benutzt, Lagrange?

Gruß Paul

PS: Tipp: alle Pro/E-Modelle sollten für Kontaktanalysen auf absolute Genauigkeit gestellt werden, notfalls auf 0,001mm.

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

Hallo Paul,
wir haben mit der Lagrange-Methode gerechnet. Würdest du was anderes raten?

Gruß
Albrecht

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP

---

kontaktmodell_durchdr.zip farbplots_durchdr.zip

Hallo Albrecht,

falls die Modelle in ANSYS und MECHANICA exakt gleich aufgebaut sind, dann könnte man das Kontaktverfahren in ANSYS auf Penalty umstellen, zum (rein akademischen) Vergleich eben. Im Gegensatz zu ANSYS kann MECHANICA nur danach rechnen.

Gruß Paul
Nachtrag: FE-Modell mit Durchdringung / Innenring verpresst

------------------
Pro/MECHANICA® verstehen lernen

[Diese Nachricht wurde von ToTacheles am 20. Jan. 2010 editiert.]

Eine Antwort auf diesen Beitrag verfassen (mit Zitat/Zitat des Beitrags) IP