Federn Objektorientierte FEM-Anpassung beschleunigt Federgestaltung

Immer häufiger müssen Federn mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen. Die Folge ist eine komplexe Federgeometrie, die sich mit einem objektspezifischen FEM-System in deutlich kürzerer Zeit als bisher optimieren lässt – bei vereinfachtem Aufwand für den Konstrukteur. Das System ist bereits umgesetzt.

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Federn werden als Maschinenelemente in allen Bereichen der Technik zur Erfüllung unterschiedlichster Aufgaben eingesetzt. Hauptsächlich handelt es sich dabei um Metallfedern, die im Wesentlichen aus Halbzeugen wie Drähten, Bändern oder Stäben hergestellt werden. Die Gestaltung der Federn ist dabei ebenso vielfältig wie deren Anwendungsmöglichkeiten.

Der konstruktive Trend bei Federn geht zur komplexen Geometrie. Denn immer häufiger wird gefordert, mit einer Feder mehrere Aufgaben zu erfüllen (Bild 1). Dabei können die Koppelbedingungen zu den Anschlussbauteilen und die Belastungen sehr vielfältig sein. Das macht die Feder-Auswahl nicht gerade einfach.

Klassische Berechnung immer häufiger zu ungenau

Im Rahmen eines Federentwurfs ist die Federgeometrie festzulegen (Synthese) sowie ein Funktions- und ein Festigkeitsnachweis zu führen (Analyse). Klassische Berechnungsverfahren, die auf idealisierten Modellen und linearen Verformungsdifferentialgleichungen beruhen, versagen bei komplexen Geometrien. Sie stoßen aber auch bei den klassischen Grundformen der Federn – zum Beispiel den Schraubenfedern, Tellerfedern und Blattfedern – aufgrund der in der Regel gewollten großen Verformbarkeit und der steigenden Genauigkeitsforderungen zunehmend an Grenzen.

Aus diesem Grund ist der Federentwurf ist auch heute noch mit hohem experimentellem Aufwand verbunden. Dieser Aufwand verzögert oder erschwert die Produktkonstruktion. Von besonderem Interesse ist deshalb die Entwicklung geeigneter Simulationswerkzeuge, um die Produktentstehungszeiten in den der Fertigung vorausgehenden Berei-chen Planung und Entwurf zu verkürzen.

Ein leistungsfähiges und allgemein akzeptiertes Werkzeug zur Analyse und Simulation komplexer technischer Systeme, das die Grenzen klassischer Berechnungsverfahren überwinden kann, ist die Finite-Elemente-Methode (FEM). Dem Berechnungsingenieur stehen heute leistungsfähige Programmsysteme mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zur Verfügung. Nicht stattgefunden hat üblicherweise eine Anpassung an die Anforderungen des Konstrukteurs und des Konstruktionsprozesses. Objektorientierte Spezialprogramme für die FEM-Anwendung sind zwar vereinzelt bekannt, doch war bisher ein leistungsfähiges System für den Entwurf und die Analyse von Federn nicht vorhanden.

Finite-Elemente-Methode (FEM) mit Anpassungspotenzial

Im Produktentstehungsprozess gehört das Variieren funktionsbestimmender Gestaltungsparameter zum Prinzip des erfolgreichen Konstruierens. Dieses Verfahren macht ein mehrfaches Wechseln zwischen Synthese und Analyse erforderlich. Durch fehlende Kompatibilität oder Integration von Synthese- (CAD) und Analysewerkzeug (FEM) entstehen dabei jedoch erhebliche Schwierigkeiten. So führt die FEM-Anwendung aufgrund der Komplexität in der Praxis meist dazu, dass die Berechnungen nicht vom Konstrukteur, sondern vom Berechnungsingenieur ausgeführt werden.

Aus dieser unerwünschten Aufgabenteilung resultieren oft Informations- und Zeitverluste. Eine effiziente Nutzung von FEM im Federentwurf ist daher nicht durchgängig möglich. Die eingangs beschriebenen Anforderungen an den modernen Produktentwicklungsprozess setzen jedoch eine effektive Anwendung der FEM für den Federentwurf voraus. Dazu leistet das entwickelte Finite-Elemente-basierte Entwurfssystem für Federn und Federanordnungen, der „FEM-Federprozessor“, einen Beitrag.

Datenbank macht Federnberechnung möglich

Wesentliche Bestandteile sind eine Datenbank sowie speziell entwickelte Programmbausteine, die als zusätzliche Pre- und Postprozessoren ein offenes FEM-System – im vorliegenden Falle das System Ansys – so ergänzen, dass es eine durchgängige Federberechnung in der Gestaltungsphase möglich macht. Dabei kann der Konstrukteur ohne spezielle FEM-Kenntnisse das System effektiv nutzen und aus der Abstraktion einer Federanwendung direkt zu einem optimierten FEM-Modell und über dessen Variation zu einem optimierten Produkt kommen (Bild 2).

Enthalten sind Komplettmodule für typische Federn unter typischen Belastungsbedingungen sowie ein featurebasierter Programmteil für die Modellierung von Formfedern, dessen Anwendung am einfachen Beispiel einer Gleichkraftfeder (unterschienenfest) zur Längsverstellung von Sitzen in Automobilen (Bild 3) vorgestellt wird. Anhand der Festlegung der Materialdaten, Geometrie, Last, Randbedingungen, des Kontakts und der Analysemethode mittels einer einfach bedienbaren grafischen Benutzeroberfläche entsteht ein FEM-Modell.

Dabei wird zum Beispiel die Geometrie über einfache Features – in diesem Fall ein gerades und sechs gebogene Bandstücke – beschrieben, deren Parameter über Eingabemasken festgelegt werden. Zusammenbau und Vernetzung mit finiten Elementen erfolgen dann automatisch. Daran schließt sich unter anderem die Berechnung der Federkennlinie an. Nach eventuell notwendiger Änderung der Federparameter kann durch wiederholte Modellierung und Analyse eine optimale Auslegung der Feder erreicht werden. Am Ende lassen sich die Ergebnisse als Diagramm, Spannungsplot oder als Animation am Computerbildschirm darstellen, als Grafik speichern oder ausdrucken. Dazu sind entsprechende Funktionen im Postprozessor vorhanden.

FEM-Analysen sind machbar ohne Spezialkenntnisse

Der FEM-Federprozessor ermöglicht produktbezogenes Arbeiten durch objektorientierte Erweiterung eines handelsüblichen FEM-Systems. Ziel bei der Entwicklung war es daher, die FEM für den Konstrukteur ohne Spezialkenntnisse nutzbar zu machen. Folglich wird die Komplexität der „ersten Schritte“ eingeschränkt.

Das Programm wurde im Fachgebiet Maschinenelemente der Technischen Universität Ilmenau entwickelt. Es sind Module zur Berechnung von Schrauben-, Dreh-, Teller-, Well- und Blattfedern sowie der featurebasierte Programmteil zur Berechnung von Freiformfedern aus Draht- oder Bandmaterial vorhanden. Berechnet werden können unter anderem Kennlinien, Spannungen und Eigenfrequenzen. Der FEM-Federprozessor wurde im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts erarbeitet. Das System wird aktuell weiterentwickelt (weitere Federarten, Lebensdauermodul) und in eine CAD-Umgebung integriert. MM

Prof. Dr.-Ing. Ulf Kletzin ist Leiter des Fachgebiets Maschinenelemente der Fakultät Maschinenbau an der Technischen Universität Ilmenau, Tel. (0 36 77) 69-24 71, Fax (0 36 77) 69-12 59, ulf.kletzin@tu-ilmenau.de

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