Simulationsunterstützte funktionale Grenzlagenabsicherung

Simulation-supported validation of functional limiting positions

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-145604
  • Die simulationsunterstützte Toleranzrechnung (engl. Computer-Aided Tolerancing, CAT) hat sich neben der klassischen Bauteil- und Baugruppentolerierung in den letzten Jahren zu einer unverzichtbaren Ingenieursdisziplin entwickelt - gerade im Kontext der Serienfertigung eines Produktes. Durch eine Berücksichtigung von 3D-Geometrien, einhergehenden Hebelverhältnissen, Fügefolgen und verschiedensten (Unter-)Bezugssystemen sowie unter Einbeziehung statistischer Ansätze ermöglicht es schon jetzt komplexe Toleranzbetrachtungen von Produkten, welche im Rahmen der Fertigung unsicheren Schwankungen, sowohl aus Produktions- als auch aus Prozesssicht, unterliegen. Eine wesentliche Prämisse, die beiDie simulationsunterstützte Toleranzrechnung (engl. Computer-Aided Tolerancing, CAT) hat sich neben der klassischen Bauteil- und Baugruppentolerierung in den letzten Jahren zu einer unverzichtbaren Ingenieursdisziplin entwickelt - gerade im Kontext der Serienfertigung eines Produktes. Durch eine Berücksichtigung von 3D-Geometrien, einhergehenden Hebelverhältnissen, Fügefolgen und verschiedensten (Unter-)Bezugssystemen sowie unter Einbeziehung statistischer Ansätze ermöglicht es schon jetzt komplexe Toleranzbetrachtungen von Produkten, welche im Rahmen der Fertigung unsicheren Schwankungen, sowohl aus Produktions- als auch aus Prozesssicht, unterliegen. Eine wesentliche Prämisse, die bei derartigen Simulationen zugrunde gelegt wird, bezeichnet das angenommene ideal starre Verhalten aller Beitragsleister. Als direkte Folge jener Prämisse beschreibt diese Arbeit einen virtuellen Ansatz auf Basis einer schließmaßbasierten Toleranzbetrachtung, welcher sowohl Elastizitäten als auch ein mögliches nichtlineares Systemverhalten in der Toleranzsimulation berücksichtigt. Dieses Vorgehen zur Einbeziehung von Materialitäten und Interaktionen zwischen den abweichungsbehafteten Beitragsleistern erhöht die Prognosegüte der Toleranzsimulation in Richtung einer realitätsnäheren Vorhersage. Basierend auf den Ergebnissen einer 3D-Toleranzanalyse, mit sich anschließender statistischer Versuchsplanung zur Steigerung des prozentualen Erfüllungsgrades (Verhältnis von untersuchter zu maximal möglicher Grenzlagenanzahl) bei minimalem Aufwand, werden die schließmaßbezogenen prognostizierten Grenzlagen einer Finite-Elemente-Simulation (engl. Finite Element Method, FEM) zur Verfügung gestellt. Durch Einbeziehung der Materialitäten und Kontaktrandbedingungen werden für das gewählte System, welches nichtlinearen Effekten unterliegt, korrespondierende respektive eindeutig zuordenbare elastische Grenzlagenaussagen an den betrachteten Qualitätsmerkmalen generiert. Eine geeignete Strategie zur Kopplung der starren und elastischen Grenzlagenergebnisse wird auf Grundlage bestehender Forschungsansätze abgeleitet und hinsichtlich einer Prognose korrigierter Grenzlagenaussagen angewendet. Zudem werden, basierend auf den FEM-Simulationsergebnissen, Robustheitsuntersuchungen hinsichtlich des probabilistischen Einflusses einzelner Beitragsleister auf das Grenzlagenergebnis vorgestellt. Finale Korrelationsuntersuchungen plausibilisieren die Ergebnisse des virtuellen Ansatzes durch einen Vergleich mit den Ergebnissen eines geeigneten Experiments in Bezug auf den gewählten Demonstrator.show moreshow less
  • In addition to a classical toleration of components and assemblies Computer-Aided Tolerancing (CAT) became an indispensable engineering discipline in recent years~-- especially in the context of a series manufacturing of a product. Taking 3D geometries, resulting lever ratios, assembly sequences and various reference systems as well as statistical approaches into account, it already enables complex tolerance calculations of products that are subject to variations arising from the manufacturing process. One of the main premises for these kinds of simulations refers to the presumed rigid behavior of all contributors. As a direct consequence of that assumption this thesis describes a virtualIn addition to a classical toleration of components and assemblies Computer-Aided Tolerancing (CAT) became an indispensable engineering discipline in recent years~-- especially in the context of a series manufacturing of a product. Taking 3D geometries, resulting lever ratios, assembly sequences and various reference systems as well as statistical approaches into account, it already enables complex tolerance calculations of products that are subject to variations arising from the manufacturing process. One of the main premises for these kinds of simulations refers to the presumed rigid behavior of all contributors. As a direct consequence of that assumption this thesis describes a virtual approach, based on specified Key Product Characteristics (KPCs) that takes both elasticities and a possible non-linear system behavior in the simulation into consideration. This proceeding to include materialities and interactions between tolerance affected components increases the forecast quality of the tolerance simulation in terms of a more realistic prediction. Based on the results of a 3D tolerance analysis with a subsequent Design of Experiments (DoE to increase the simulation effort) KPC-related predicted limiting positions will be made available to finite element simulations. By including materialities and contact conditions to the chosen system, which is subject to non-linear effects, corresponding elastic limiting positions occur regarding the specified KPCs. An appropriate strategy for coupling of the rigid limiting positions with their corresponding elastic counterparts will be derived from existing research approaches. This strategy will be applied in order to enable a better prognosis for overall limiting positions. Additionally, robustness evaluations that are based on the aforementioned finite element simulations will be presented regarding the probabilistic impact of the single contributors on the characteristics of the limiting positions. Finally, correlation studies are carried out to verify the plausibility of the results of that virtual approach. Therefore, with regard to the selected demonstrator, a comparison will be made with data from an experimental test rig.show moreshow less

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Metadaten
Author:Matthias Ehlert
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-145604
Persistent identifiers - DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-329-8
ISBN:978-3-96147-329-8
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (348)
Publisher:FAU University Press
Place:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Sandro Wartzack, Rainer Stark
Advisor:Sandro Wartzack
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2020
Date of online publication (Embargo Date):2020/09/13
Publishing Institution:FAU University Press
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2019/09/06
Release Date:2020/09/14
Tag:Absicherung; FEM; Grenzlagen; Toleranzmanagement
SWD-Keyword:Toleranz; Finite-Elemente-Methode; Simulation; Experiment; Validierung; Ingenieurwissenschaften; Maschinenbau; Produktionstechnik
Length/size:xvi, 300 Seiten
Notes:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-328-1
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International