Gitterrohramenbau lernen

[Senvo]

Hi,
ich Interessiere mich extrem für den Bau und die Berechnung von Gitterrohramen für Automobile und wollte fragen, ob ihr Lektüre, Seminare oder auch Tipps kennt, wie man das ganze Konstrukt aufbaut. Im Grunde ist ein Gitterrohrrahmen ein 3D Fachbau und wie man das berechnet bekomme ich aktuell in der HS gezeigt, jedoch kann das ja nicht alles sein.

Ich bedanke mich für eure Antworten,

MfG Senvo

 

[Khaotik]

Geh doch mal in die Bib der HS und schau dich da im Bereich Konstruktion und Co. um. Da sollte es sicher einiges dazu geben. Elementar dazu werden auch Festigkeitsanalysen mit FEM-Modellen sein. Also ggf. auch mit dem Thema beschäftigen wenn noch nicht passiert.

 

[Senvo]

Danke für deine Antwort. In der Bib war ich bereits und es gibt auch Konstruktionsbücher, allerdings beschäftigen diese sich mit Fachbauwerken an Häusern bzw bei Brücken. Meinst du das kann mir helfen?

Die Festigkeitsanalyse werde ich mir anschauen, danke für die Information :-)

 

[Khaotik]

Meinst du das kann mir helfen?

Ich würde sagen bedingt ja. Das Grundprinzip ist erstmal das Gleiche: Verhindern von Knicken durch aussteifen. In Automobilbereich geht es aber um andere (Komplexere) Formen auf kleinerem Raum. Wobei auch durchaus heutige Bauprojekte (v.a. Brücken und Dachkonstruktionen wie z.B. Allianzarena oder die großen Dächer von NFL-Stadien in den USA) im gleichen Gitterrohrstil gebaut sind.

Die grundsätzlichen Designregeln für solche Konstruktionen kannst du auch hier finden. Die lassen sich dann (ggf. mit gewissen Einschränkungen durch Skalierungseffekte) auch auf die Konstruktion von Karosserieteilen anwenden.

Bei nahezu planaren 2D-Geometrien oder vielen rechtwinklig aufeinanderstehenen Achsen ist eine händische Berechnung noch zu stämmen. (Klassische Fachwerkrechnungen von Dachstühlen; Gibt’s oft als Übungsaufgaben im Bereich Statik und Festigkeit) Bei Geometrien wie im Karosseriebau ist das aber seltenst der Fall. Da hilft nur auf Software zurückzugreifen Allein die Schub- und Scherspannungen und die Wechselwirkungen mit den elastischen Verformungen zu berechnen ist manuell quasi nicht machbar. Das wird dann je nach Modellgröße sogar mit dem heimischen PC mehr als abitioniert. Da ist dann ein fundiertes Wissen über die Gitternetzmodellierung essentiell, um die Berechnungslaufzeiten irgendwie im Zaum zu halten.

 

[Senvo]

Danke Khaotik für deinen ausführlichen Text. Welche Programme gibt es denn die solche Kräfteberechnungen durchführen können? Kann das jedes "größere" CAD Programm wie Solid Works oder nur spezielle Programme wie z.B. Autodesk Inventor?

 

[Khaotik]

Also für FEM-Simulationen gibt es verschiedene Programme mit unterschiedlichem Programmumfang.
Ich muss aber zugeben, dass ich mich damit nicht allzugut auskenne.
Wir haben die Themen im Studium angeschnitten, ich habe in der Folge aber eine andere Vertiefungsrichtung gewählt.
SolidWorks ist aber sicherlich nicht schlecht dafür.
Ich kann dir aber nur empfehlen, nicht einfach mal drauf los zu simulieren. Da kommt wsl nicht viel dabei rum. Vorher muss dir immer klar sein, wo sind die kritischen Punkte in deiner Konstruktion. Über dein gesamtes Gitterrohrmodell ein gleichmaschiges Netz zu legen wird dein Programm killen.

FEM ist ein relativ komplexes Thema. Wir haben selbst in einem Semseter dazu lediglich die theoretischen Grundlagen dahinter und einfachste Simulationen durchgeführt. (Punktbelasteter Balken, Belastung eines rohres auf Torsion etc.)

 

[t4ub3]

Kann das jedes "größere" CAD Programm wie Solid Works oder nur spezielle Programme wie z.B. Autodesk Inventor?

Ich klinke mich hier mal mit etwas Halbwissen ein In meiner Ausbildung vor einigen Jahren habe wir Strömungs- und Belastungssimulationen für Spritzgussteile durchgeführt. Das war aber alles über Plugins zu CAD-Software (in der Firma damals Catia und Creo) bzw eigenständige Software realisiert. Ich vermute, dass das im normalen Funktionsumfang von gängigen CAD-Lösungen nicht drin ist.
Aber das ist jetzt nur so aus meiner (begrenzten) Erfahrung heraus, muss nicht allgemeingültig sein.

 

[simpsonsfan]

Wenn man was Anständiges will, dann nimmt man da keine Plug-Ins für CAD-Software, sondern gescheite FEM-Solver (und natürlich vorgelagert Vernetzer). Gängige Programme (mit verschiedenen Anwendungsschwerpunkten) wären bspw. Ansys (Classic/Mechanical), LS-Dyna, Abaqus, Pamcrash, evtl. Nastran u.a.
Du musst dir bewusst sein, dass die FE-Methode eine diskrete Gleichungslösungmethode ist, das verträgt sich somit eigentlich inhärent nicht mit einem klassischen CAD-Ansatz, wo Flächen analytisch beschrieben werden.
Wahrscheinlich gibt es auch noch speziellere Tools für Stab-/Fachwerke, wobei die ja idealisiert relativ wenige Freiheitsgrade haben.

 

[Müs Lee]

Für die meisten kleineren Sachen reicht das FEM-Modul der kostenlosen Studentenversion von Inventor vollkommen aus. Dabei muss man weder die FEM verstehen noch eine Diskretisierung händisch vornehmen. Für erste Gehversuche ohne Vorkenntnisse für so ein Projekt wäre ein Kaliber wie Abaqus mit vorgeschaltetem Präprozessor wie Hypermesh totaler Overkill.

 

[Senvo]

Das Stichwort FEM scheint wichtig für mich zu sein. Da lese ich mich mal über die Weihnachtsferien ein wenig ein und schaue was ich da so mitnehmen kann

@Khaotik Danke für den Tipp mit den im Gitterrohstil gebauten Gebäuden, da hab ich tatsächlich was gefunden

 

[Necrol]

Die CAD-Programme wachsen ja auch immer mehr, in den jeweiligen Suiten (so schimpft sich das aktuell bei Autodesk) ist je nach Funktionsumfang den man Lizensiert hat mal mehr mal weniger drin. Das klassische 3D-CAD-System ohne irgendwelchen Extras verkauft keiner mehr. Wird bei SolidWorks nicht anders sein.
Seit der 2020 (?) Version von Inventor trommeln die auch mit Nastran als Solver, kleiner Überblick was man damit alles 'abschätzen' kann steht hier: https://www.autodesk.de/products/inventor-nastran/overview#scroll-to-features

Ich schreibe hier ganz bewusst abschätzen, da es hierbei in meinen Augen auch nur um genau das geht: Während des Konstruktionsprozesses abzuschätzen ob das so klappen könnte oder nicht. Die Lösungen mit automatisch generierten Netzen sind speziell bei dünnwandigen Elementen (Rohre, Blechkonstruktionen) immer mit etwas Vorsicht zu genießen.
Im Zuge meiner Arbeit benutze ich das bei größeren Vorrichtungen aber auch um abzuschätzen in wie weit sich das Teil verbiegt und verwirft. Idealisierte Nachrechnungen von Hand und praktische Überprüfungen in der Praxis zeigen: Passt für meine Zwecke, nen Zehntel mehr oder weniger Durchbiegung oder Verdrehung kann ich in den allermeisten locker Tolerieren. Und es geht halt sehr flott von der Hand.

Ein Formengenerator für Designoptimierung nach bionischen Grundsätzen ist auch enthalten. Damit kann mit ein wenig Fantasie in der Bedienung auch ein Fachwerk generieren. Im Fall Käfig für das Auto: Einfach einen an die Karosserie angenäherten Klotz modellieren, überall wo bei einem Schadensfall Belastungen auftreten diese an den Klotz heften und dann rechnen lassen. Alles Material was nicht gebraucht wird schmeißt der Solver raus, den so enstandenen Körper kannst mit in deinen Modellierungsumgebung nehmen und drum herum konstruieren. Im Vollausbau heißt das Modul dann Autodesk Within.

@Senvo: Schau mal ob eure HS bei SpringerLink mitmacht. Falls dem So ist kommst du über den Weg an digitale Versionen von deren Büchern. Schau da mal Richtung Fahrzeugentwicklung ob es da spezifischer wird.

 

[simpsonsfan]

...

Für erste Gehversuche reicht Inventor wahrscheinlich schon aus. Ich schrieb ja, "wenn man was 'Anständiges' will". Und ich bin dennoch der Meinung, das man für die Anwendung der FEM deren mathematische Funktionsweise verstehen sollte. Also, zumindest abseits von ersten Gehversuchen. (Wenn man halt was Anständiges will...)

 

[Necrol]

Wenn man anständige Ergebnisse in der FEM haben möchte, dann lässt das jemanden machen der damit, und fast ausschließlich damit, seinen Lebensunterhalt verdient. Das sollte jedem klar sein der sich damit beschäftigt.

Im Studium haben wir 2007 mit Nastran mal den "Tritt auf die leere Cola-Dose" simuliert - zumindest haben wir das versucht. Der Prof hatte mit Drittmitteln gerade neue Rechner für das Labor angeschafft, den ganzen Aufbau mit einem sparsamen Netz versehen und dann Dienstags morgens die Simulation angeschmissen, in der Hoffnung Donnertags nachmittags ein Ergebnis zu haben. Wir hatten auf 14/14 Rechnern das Ergebnis: 80 GB Festplatten reicht nicht für die temporären Daten die dabei anfallen .

Da behelfen sich die CAD-Lösungen heutzutage natürlich auch ein Stück weit damit, das auf den entsprechenden Workstations in aller Regel doch sehr viel Rechenleistung verfügbar ist und man entsprechend fehlende Sorgfalt bei der Netzgenerierung einfach mit Leistung und ein paar Minuten mehr Zeit erschlägt.

Vor Jahren hatte mich meine Geschäftsführung irgendwo gehört das es FEM gibt und man damit tolle Sachen berechnen kann. Ich hatte daraus resultierend ein paar tolle Tage auf Messen und habe mich mit Herstellern verschiedener Software darüber unterhalten, in wie weit man Schweißverzug bei sehr komplexen Blechbaugruppen mittels FEM berechnen kann. Als ich dann mit Preisen für Software, Hardware, Schulung, Zeitaufwand für Modellerstellung usw zurück kam war das Thema recht schnell vom Tisch.
Ansys hatte sich an meiner Musterbaugruppe versucht und da ein paar Tage arbeitet reingesteckt, das Ergebnis war auch recht ernüchternd. Die betrachtete Baugruppe schrumpft beim Roboterschweißen (vergleichsweise geringe Schwankungen in der Streckenenergie) in der Breite um 4,2 -4,5mm, laut Ansys nur um 2mm.

 

[Duke711]

Das kann ja nichts werden:

• unbekannter Wärmeübergangskoeffizient
• vermutlich vereinfachtes Schweißmodell in dem man einfach einen Wärmestrom und Temperatur als Randbedingung setzt. Ohne Messdaten kann man sowas vergessen. Wenn keine konkreten Messdaten bekannt sind, bleibt nur noch CFD als letzte Option.
• Materialdaten, da lagen wohl keine genauen Messdaten vom Ausdehnungskoeffizienten in Abhängigkeit der Temperatur vor, der bei vielen Metallen ein Polynom höheren Grades und keine Gerade ist.

Klar das sowas in die Hose geht. Beim Computer gibt es eine einfache Regel:

Müll rein = Müll raus, fertig.

 

[Müs Lee]

Müll rein = Müll raus

Ah, mein Lieblingsprinzip! Auf so viele Beispiele toll anwendbar

 

[Necrol]

Klar das sowas in die Hose geht. Beim Computer gibt es eine einfache Regel:

Müll rein = Müll raus, fertig.

Schon klar. War im Prinzip auch das Ergebnis was ich damals erwartet hatte. Unabhängig von der Qualität des erzielten Ergebnisses (mit welchen Randbedingungen und Modellen Ansys gearbeitet hat kann ich nicht mehr sagen) waren die Kosten einfach derart Hoch das wir noch das ein oder andere Jahrzehnt einfach Versuche fahren und unsere Teile entsprechend anpassen.

 

[Duke711]

Ich glaube bei der Demo ging es auch nicht darum die Messergebnisse wiedezuspiegeln, ansonsten hätte man Euch konkret um Messdaten gebeten.

 

[Senvo]

Ui, da kam ja eine Informationsflut
Die ganzen Computerprogramme klingen im Grunde ja echt interessant, aber so wie sich das anhört sind sie aufgrund der Kosten ja garnicht wirklich wirtschaftlich, habe ich das richtig verstanden?
Sind Rohre tatsächlich so schwer zu berechnen? Man sollte ja meinen das Dickwandigere Rohre sich bis zu einem gewissen (hohen Kraft)Punkt wie ein Stab verhält. Ist das nicht der Fall?

 

[Müs Lee]

Wenn du dir eine Lizenz für das Projekt kaufen willst, lohnt sich das nie im Leben. Ein Jahr Abaqus mit ganzen 8 Kernen kostet dich gut 20k - keine Ahnung, was die anderen verlangen. Wie gesagt, schnapp dir eine Studentenversion eines CAD-Programms, das ein FEM-Modul beinhaltet und leg los.

Rohre/Stäbe sind tatsächlich mit die einfachsten Elemente. Wenn du dich im linear elastischen Bereich ohne Knicken befindest, wird es da keine großen Überraschungen geben. Anders sieht es aus, wenn du an den Verbindungspunkten bspw. Verstärkungsbleche anbringen willst, das kann komplexer werden.

 

[Necrol]

Ich glaube bei der Demo ging es auch nicht darum die Messergebnisse wiedezuspiegeln, ansonsten hätte man Euch konkret um Messdaten gebeten.

Nene, falsch verstanden. Das war keine Messevorführung. Das war schon von Seiten Ansys viel Arbeit und von unserer Seite auch ne mittlere vierstellige Summe für eine entsprechende Analyse.
Wir hatten die Musterbaugruppe in digitaler Form, einmal die fertige Baugruppe auf Nennmaß und einmal die Rohteile. Dazu die Toleranzen der vom Verzug betroffenen relevanten Maße aus 50 Stück und die Schweißparameter und Reihenfolge aus dem Roboter. Zusätzlich Musterschweißung aus dem Material mit den entsprechenden Nahtparametern um die freie Schrumpfung der jeweiligen Nähte als Referenz zu haben.
Unser Ziel war es mit diesen Daten, also Baugruppengeometrie, Nahtform, Nahtlage und Größe sowie der jeweiligen Schweißparameter, die zu erwartende Schrumpfung berechnen. Letzten Endes war das Ergebnis wenig berauschend, Modellaufbau hat den erfahrenen Anwender wohl 4 Tage voll gekostet und Rechenzeit waren auch noch mal 2 Tage.

War interessant, leider nicht das Ergebnis was man sich erhofft/gewünscht hat. Aber selbst wenn das Ergebnis deutlich näher an der Realität gelegen hätte, wäre es für uns immer noch zu teuer gewesen. Ist mittlerweile auch knapp 8 Jahre her, ich denke da hat sich viel getan. Zum Beispiel tut sich mein Bauch deutlich leichter damit entsprechende Schrumpfungen abzuschätzen - zumindest bei Stahl, mit Alu bin ich vor ner Weile noch ordentlich baden gegangen was das angeht