Ultralleichtbau bei mobilen Arbeitsmaschinen (ULMA) Methoden zur Modellierung und rechnergestützen Simulation des Stabilitäts- und Festigkeitsverhaltens spezieller Leichtbaukonstruktionen (Numerische Simulation im Ultraleichtbau) Arbeitstreffen am 12.11.2003, Gründau Forschungsgesellschaft für Technische Mechanik FEMCOS - Ingenieurbüro mbH Hans Baumgarten, Michael Diehr, Ralph Jungbluth

Arbeitspakete – Zeit- und Meilensteinplanung ULMA Arbeitspakete – Zeit- und Meilensteinplanung AP5: Gesamtkonzept Modellierung/Simulation Auslegekriterien Verifikation von Softwarewerkzeugen Optimierung der Substruktur-/Superelement-technik Test und Verifikation von Softwarewerk-zeugen Numerische Simulation für prototypische Anwendungen

Bisherige Untersuchungen: ULMA Bisherige Untersuchungen: Rohr mit Alu-Schaum: - FE-Untersuchungen vorgestellt im April 2002 in Aichtal Teststruktur Kastenprofil: - Orientierung am Arm 2 der Putzmeister-Betonpumpe M52 - Untersuchung des Schaum-Einflusses auf das Stabilitätsverhalten - FE-Analysen und experimentelle Untersuchungen - Ergebnisse vorgestellt in den Arbeitsberatungen Baden-Baden bzw. Paderborn Aktuelle Untersuchungen: Arm 5 bzw. Arm 4 der Putzmeister-Betonpumpe M46: FE-Untersuchungen: Schaum-Einflusses auf das Stabilitätsverhalten Schnellwechsler Lehnhoff: effektiver Datenaustausch von berechnungsrelevanten CAD-Daten Aufbau eines FE-Geometrie-Modells FE-Analysen (Ist-Stand)

ULMA Weitere FEM-Berechnungen am Kastenprofil: Einsatz von Metallschaum-Schotten Geprüft wurde, ob eventuell eine andere Anordnung des Schaums Verbesserungen des Stabilitätsverhaltens (Beulen) bringt. Masse-Bilanz muss geringer sein Grenzfall: Blechdicke minimal 3 mm Maximallast < 100 kN elastischer Bereich darf nicht überschritten werden Variantenuntersuchungen: - Variation der Position der Schotte

ULMA Weitere FEM-Berechnungen am Kastenprofil: Einsatz von Metallschaum-Schotten Ausgangs-Variante: Ohne Schott Zielgröße: Lastbeiwert soll auf 60 erhöht werden.

ULMA Weitere FEM-Berechnungen am Kastenprofil: Einsatz von Metallschaum-Schotten Variante: 1 Schott im Berg des 1. Lastbeiwertes Lastbeiwert: ca. 28,5

ULMA Weitere FEM-Berechnungen am Kastenprofil: Einsatz von Metallschaum-Schotten Variante: 1 Schott im Berg des 1. Lastbeiwertes und 1 Schott im Tal des 1. LBW Lastbeiwert: ca. 36

ULMA Weitere FEM-Berechnungen am Kastenprofil: Einsatz von Metallschaum-Schotten Fazit: Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Lastbeiwerte zu beobachten ist. Allerdings ist der Einfluss der Metallschaum-Schotte im Vergleich zu bislang untersuchten Variante „Metallschaum-Platte auf Gurt“ viel weniger signifikant. Der Effekt verstärkt sich bei 2 Schotten, allerdings ergibt sich dann überhaupt kein Massevorteil mehr !

Metallschaumplatten im Beulbereich ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Ziel: Durch das Aufbringen von Metallschaum-Platten soll für den Arm 5 mit durchgängig 3 mm Blechdicke der krit. Lastbeiwert von 1,25 auf ca. 1,8 erhöht werden. Das entspricht dem krit. Lastbeiwert des Arm 5 mit 4 mm Blechdicke. Dabei soll Masse reduziert werden. Variation: der Schaumdicke der Schaumlänge Metallschaumplatten im Beulbereich

Dickensprünge und daher Blechstöße ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Ausgangsgeometrie mit höhere Blechdicken (4 mm): Blechdickenverteilung Masse m = 152,2 kg Dickensprünge und daher Blechstöße

Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Ausgangsgeometrie mit höhere Blechdicken (4 mm): Berechnung der kritischen Last Lastfall: Gelenklasten + Eigengewicht Arm + Gewicht Förderleitung + Seitenlasten aus Wind + Beschleunigungslasten Kritischer Lastbeiwert: LBW_6 = 1,83

Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Arm mit verminderten Blechdicken (fast durchgängig 3 mm) Masse: m = 147,8 kg (ca. 3 % weniger Masse) Jetzt weniger Dickensprünge und Blechstöße !

Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Arm mit verminderten Blechdicken: Berechnung der kritischen Last Kritischer Lastbeiwert: LBW_6 = 1,251

Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Arm mit verminderten Blechdicken: Verstärkung mit Metallschaum Schaumposition 1 2252 221 2441

Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Arm mit verminderten Blechdicken: Verstärkung mit Metallschaum Schaumposition 2 2252 221 2099

Optimale Variante: Massendifferenz ist nahezu bedeutungslos ! ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Berechnung der Lastbeiwerte für verschiedene Schaumpositionen und -dicken Optimale Variante: Massendifferenz ist nahezu bedeutungslos !

Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Berechnung des Stabilitätsverhalten für Variante 4 („optimale Variante“)

Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 ULMA Putzmeister-Betonpumpe M46: Einsatz von Metallschaum-Platten am Arm 5 Zusammenfassung: Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass mit den festgelegten Schaumpositionen keine signifikante Erhöhung der Lastbeiwerte zu beobachten ist. Das Beulen der Gurte hat sich nur aus dem verstärkten Bereich heraus verschoben. Ein Vorteil des Einbringens von Metallschaum ist, dass Blechstöße entfallen. Mit dem Verkürzen des verstärkten Bereiches auf ca. 1 m (zur Massereduktion) wird keine ausreichende Erhöhung des kritischen Lastbeiwertes erreicht. Eine Möglichkeit zur Massereduktion über dieses Verfahren besteht darin, die Schaumverstärkung schmaler zu gestalten.

Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. : Schnellwechsler HS80 ULMA Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. : Schnellwechsler HS80 Gehäuse des Schnellwechslers mit Aufnahmekrallen und Aufhängung Elementzahl: ca. 34.000 Knoten: ca. 44.000 Strukturen: 18 Adapterrahmen Elementzahl: ca. 25.000 Knoten: ca. 30.000 Strukturen: 8

Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. : Schnellwechsler HS80 ULMA Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. : Schnellwechsler HS80 Zielstellung der Untersuchung Optimierung des gesamten Bauteils oder einzelner Baugruppen hinsichtlich Gewichtseinsparung Darstellung von Beanspruchungsreserven Vorgehensweise Ableitung eines FE-Modells (3D, Schale bzw. kombinierte Modelle) Definition der für die Auslegung relevanten Lastfälle und Lastfallkombinationen in enger Zusammenarbeit mit dem Ing.-Büro Dr. Güner Verifikation der Berechnungsmodelle: Untersuchung von Schnellwechsler und Adapterrahmen getrennt ausführen Berücksichtigung weiterer Anbauteile (Deckel) - genauere Erfassung der Belastungssituation (Vorspannung aus der Wirkung des inneren Verschlussmechanismus) -   vollständiges Modell beide Baugruppen (  Kontaktanalyse)

Ergebnisse Schnellwechsler HS80 mit Aufhängung/ Adapterrahmen ULMA Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. : Schnellwechsler HS80 Ergebnisse Schnellwechsler HS80 mit Aufhängung/ Adapterrahmen Das der ersten Analyse zugrunde gelegte FE-Modell weist Vereinfachungen auf, deren Einfluss auf die Ergebnisse nur abgeschätzt werden kann: Vernachlässigung der Deckel auf Deck- und Bodenblech Diese Bauteile würden durch die zusätzliche Versteifung die Verwindung der Bleche vermindern, die eine Ursache für die hohen Spannungen in den Ecken der Öffnungen in diesen Blechen sind. Trennung der Baugruppe Schnellwechsler / Adapterrahmen Modell lässt Verformungen im Bereich der Riegelplatte zu, die sich durch die versteifende Wirkung des Adapterrahmens verringern würden.