Schockberechnung und Lagerungsnachweis mit FEM

Stationäre vs. Dynamische FEM Simulation

Viele Problemstellungen können auf lineare und stationäre Berechnungen idealisiert werden. Allerdings treten bei hochdynamischen Prozessen Phänomene auf, die nur mit einer dynamischen FEM Simulation berücksichtigt werden können. Die Eigenfrequenz der einzelnen Komponenten, deren Lagerung sowie Anbindung sind von Bedeutung. Zudem hat die Dämpfung innerhalb der Struktur sowie in definierten Dämpferelementen einen signifikanten Einfluss.

Schockberechnung als dynamische FEM Simulation

Ein Beispiel für diese dynamischen FEM Simulationen ist die Schocksimulation. In diesem Artikel wird die marine Anwendung beschrieben. Bei dieser wird das Marineschiffe oder U-Boote einer Unterwasserexplosion ausgesetzt. Bei dieser Belastung wird das gesamte Boot durch die Druckeinwirkung um eine gewisse Distanz versetzt. Diese Verschiebung wirkt auch auf die Fußpunkte von aufgestellten Strukturen und Aggregaten und finden ihr Äquivalent in einer Schockbeschleunigung. Diese kann auch statisch simuliert werden, eine dynamische Betrachtung ist allerdings deutlich genauer.

Lagerungsnachweis elastisch aufgestellter Aggregate

Um die auf die Aggregate wirkende Beschleunigung zu reduzieren, wird eine elastische Lagerung vorgesehen. Diese besteht aus mehreren Lagerungselementen die sowohl eine federnde als auch eine dämpfende Wirkung haben. Somit wird die Dauer der Belastung erhöht, gleichzeitig aber die höhe der Belastung reduziert.

Durch die Abstimmung der Eigenfrequenzen der Aggregate lässt sich die Auswirkung des Schocks deutlich reduzieren. In der Auslegung der elastischen Lagerung müssen folglich die Steifigkeiten so gewählt werden, dass die gewünschte Eigenfrequenz getroffen wird. Zudem muss das Verhältnis die zulässige Verformung betrachtet werden. Eine weiche Lagerung führt zwar zu geringen Lasten aber auch zu hohen Verschiebungen.

In dem beigelegten Video ist die Reaktion zweier Komponenten zu sehen, die elastisch auf einer Plattform aufgestellt sind. Die Plattform selbst ist elastisch an die Bootsstruktur angebunden. Durch die Abstimmung der Eigenfrequenzen der Aggregate lässt sich die Auswirkung des Schocks deutlich reduzieren. Es ist erkennbar, dass die beiden Aggregate eine unterschiedliche Eigenfrequenz aufweisen. Zudem ist zu sehen wie schnell der Versatz der Fußpunkte erfolgt und wie verzögert die Reaktion der Struktur erfolgt. Nur so ist es möglich sensible Geräte gegen die Schockbelastung zu schützen.

Da die realen Strukturen selbstverständlich vertraulich sind, wurde hier eine fiktive Geometrie betrachtet. Die Anregung, die Dämpfung sowie die elastische Lagerung sind allerdings physikalisch realistisch.

Die Berechnung geschah mit ANSYS. Die Verformungen sind um den Faktor 5 skaliert.

 

Göttsche Verfasst von:

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