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Implementierung einer Methode zur automatischen 3D-FEM Modellerstellung und Festigkeitsrechnung für Vollhartmetall-Spiralbohrer: Unter Verwendung von nicht kommerzieller Matlab-Software

Unter Verwendung von nicht kommerzieller Matlab-Software

AutorBastian Kaiser
VerlagDiplomica Verlag GmbH
Erscheinungsjahr2011
Seitenanzahl182 Seiten
ISBN9783836642392
FormatPDF/ePUB
Kopierschutzkein Kopierschutz/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis29,99 EUR
Im Rahmen dieses Buches wird ein Programm zur vollautomatischen 3D-FEM-Berechnung von Spiralbohrern realisiert. Dies enthält auch die Modellerstellung. Ziel ist die Berechnung von verschiedenen Bohrergeometrien zur Optimierung von Vollhartmetall-Spiralbohrern. Dabei wird aus einem 2D-Querschnitt eines Bohrers sowie der Angabe verschiedener Parameter wie Länge, Verdrillung, etc. ein 3D-Modell erstellt und mittels FEM-Berechnung Zielgrößen ermittelt. Diese sind z.B. die Torsionsfestigkeit oder die Biegesteifigkeit.
Das Programm ist vollständig aus MATLAB heraus aufrufbar. Es werden die Programme OPENFEM als FEM-Programm, sowie GMSH als Mesher verwendet. Beide sind quelloffen und kostenlos verfügbar. Die Implementierung wird anhand von Parametervariationen auf Plausibilität getestet und durch Vergleichsberechnungen mit einem validierten FEM-Modell in ANSYS-FEM verifiziert.
Ziel ist es, die Verwendbarkeit von quelloffener Software im professionellen Bereich zu veranschaulichen und Anregungen zu geben, diese kostengünstige Alternative zu kommerziellen Produkten stärker zu nutzen.Bastian Kaiser wurde 1983 in Wertheim am Main geboren. Nach dem Abschluss des Technischen Gymnasium begann er 2003 ein Studium des Allgemeinen Maschinenbaus an der Technischen Universität Darmstadt. Dieses schloss er im Jahr 2009 erfolgreich ab. Im Laufe seines breit aufgestellten Studiums gewann er Kenntnisse in der Computertechnik, der Fertigungstechnik und der Arbeitswissenschaft. Diese konnte er in verschiedenen Praktika bei großen und mittelständischen Unternehmen, z.B. der Fahrzeugbranche, vertiefen. Sein großes Interesse an der Computertechnik und angewandter Informatik führte ihn auf das Thema der FEM-Analyse. Nach Abschluss seines Studiums blieb der Autor an der TU Darmstadt, um als Wissenschaftlicher Mitarbeiter seine Promotion zu vollenden.

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Leseprobe
Textprobe: Kapitel 3, Methodik: Als Ausgangspunkt der Arbeit liegt der Bohrerquerschnitt in einem bestimmten Format in MATLAB vor. Auf diesem müssen die einzelnen Schritte aufgebaut werden, die letztendlich die gewünschten Ergebnisse hervorbringen. Daher wird zunächst die allgemeine Vorgehensweise festgelegt und die Zielgrößen definiert, wie in Abb. 3.1 zu sehen ist. Darin sind Daten als Ellipsen und Vorgänge als Rechtecke dargestellt. Die Eingangsdaten sind rot und die Ausgabedaten grün gekennzeichnet. Als Zielgrößen werden die folgenden Berechnungsergebnisse definiert: Torsionsbelastbarkeit sagt aus, welche maximale Spannung im Bohrer bei einem definierten Torsionsmoment auftritt. Eine niedrige Torsionsbelastbarkeit bedeutet, dass der Bohrer eine höhere Torsionslast aufnehmen kann, bevor er bricht. Torsionssteifigkeit sagt aus, welches Drehmoment benötigt wird, um eine definierte Verdrehung des Bohrers zu erreichen. Biegesteifigkeit sagt aus, welche Biegelast benötigt wird, um eine definierte Durchbiegung zu erreichen. Die Daten, die zur Berechnung dieser Größen benötigt werden, können direkt oder indirekt aus der FEM-Berechnung ermittelt werden. Zunächst müssen jedoch die Programme, mit denen die Berechnung ausgeführt werden sollen, ausgewählt werden. Die Hauptentscheidung liegt dabei zwischen eigenständigen, ausführbaren Programmen und MATLAB-Toolboxes. Da beide Vor- und Nachteile haben, ist hier ein kleiner Überblick dargestellt: Rechengenauigkeit Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt in erster Linie von der Feinheit des Gitters ab. Generell gilt, je feiner das Gitter, desto genauer die Ergebnisse, wobei jedoch zu beachten ist, dass bei zu feinen Gittern numerische Fehler auftreten können . Die mathematischen Methoden der Gleichungslösung sind in allen Programmen ähnlich implementiert und die Fehleranfälligkeit dieser Methoden beziehen sich hauptsächlich auf numerische Rundungsfehler. Da diese von der Möglichkeit des Computers, Gleitkommaoperationen durchzuführen, bestimmt werden, ist kein nennenswerter Unterschied in der Genauigkeit verschiedener Solver zu erwarten. Der Schwerpunkt liegt daher für dieses Kriterium beim Mesher, der ein für FEM gut geeignetes Gitter erzeugen können muss. Fehleranfälligkeit Hier wird unterschieden in: Berechnungsfehler aufgrund der mathematischen Formulierung, zum Beispiel den verwendeten Lösungsalgorithmus für das LGS. Hier sind die Unterschiede zu vernachlässigen. Implementierungsfehler treten auf, wenn der Programmablauf inkorrekt programmiert wurde. Hier sind MATLABToolboxes anfälliger, da sie in der Regel eine Sammlung von Funktionen darstellen, aus denen sich der Anwender ein eigenes Programm schreibt. Eigenständige Programme sind hingegen geschlossene Systeme, die ordentlich getestet wurden. Hier können Implementierungsfehler höchstens in der Form auftreten, dass der Anwender falsche Parameter übergibt. Fehler bei der Datenübertragung können zwischen den einzelnen Abschnitten des Gesamtprogramms, beispielsweise bei der Übergabe des Modells vom Mesher an den Solver auftreten. Hier ist die Anfälligkeit bei externen Programmen größer, da die Daten zwischen den einzelnen Programmen transferiert werden müssen. Problematischer ist es, wenn die Berechnungsroutine auf ein anderes Computersystem übertragen werden muss, da es zu Schwierigkeiten bei der Angabe der Systempfade im Programm kommen kann. Berechnungsgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit, auch Performance genannt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Feinheit des Gitters ist eine entscheidende Größe, da feinere Gitter eine wesentlich größere Rechenzeit in Anspruch nehmen. Es gibt ebenfalls Unterschiede zwischen den Gleichungslösern. Wie bereits in Kapitel 2.2.4 dargelegt wurde, sind iterative Verfahren schneller und weniger speicherintensiv als direkte Verfahren. Generell kann behauptet werden, dass eigenständige Programme bei gleicher Vorgehensweise schneller sind als MATLAB-Toolboxes. Grund hierfür ist, dass die MATLABProgrammiersprache eine interpretierende Sprache ist. Der Code wird so, wie er geschrieben wird, abgespeichert und vom Interpreter Zeile für Zeile ausgeführt. Kompilierende Programmiersprachen, beispielsweise C++, schreiben den Quellcode erst um, wodurch er wesentlich schneller ausgeführt werden kann. Bei der Programmierung in MATLAB ist daher darauf zu achten, dass so viele Rechenoperationen wie möglich von den vorkompilierten MATLAB-Funktionen ausgeführt werden, da diese schneller ablaufen als ein selbst geschriebener Code [2]. DesWeiteren ist zu berücksichtigen, dass bei der Verwendung externer Programme die benötigte Zeit für den Datenim- und export beachtet werden muss. Moderne Computersysteme haben häufig mehrere Prozessorkerne, auf denen Berechnungen gleichzeitig ausgeführt werden können. Die Möglichkeiten, die MATLAB in dieser Richtung bietet, sind oft größer als die von eigenständiger OSS, daher kann durch Parallelisierung der Rechenoperationen die Geschwindigkeit einer MATLAB-Implementierung gesteigert werden. Als weitere Kriterien, nach denen eine Auswahl aus den in Kapitel 2.3 vorgestellten Programmen getroffen werden kann, werden die Verfügbarkeit und die Dokumentation der Software berücksichtigt. Die Verfügbarkeit bezieht sich dabei vor allem auf die Weiterentwicklung, da viele Programme zwar im Internet verfügbar sind, jedoch aufgrund fehlender Entwickler nicht mehr offiziell unterstützt werden. Die Dokumentation ist wichtig, um Fehler bei der Implementierung zu vermeiden. Der Anwender hat keine Verwendung für eine leistungsfähige Software, von der er nicht weiß wie er diese bedienen muss. Wie in Abb. 3.1 bereits gezeigt gibt es für die Erstellung des 3D-Modells zwei prinzipielle Vorgehensweisen. Da diese einen starken Einfluss auf die Auswahl des Meshers haben, werden sie hier kurz erläutert: Der 2D-Querschnitt wird mit einem Dreiecks- oder Vierecksgitter vernetzt. Danach wird dieses Gitter nach oben extrudiert und dabei verdreht, so dass die spiralförmige Gestalt des Bohrers entsteht. Dabei entstehen diskrete Ebenen, die untereinander so verbunden werden, dass sich dreidimensionale Prisma- oder Quaderelemente ergeben. Der 2D-Querschnitt wird zunächst extrudiert und dabei verdrillt. Anschließend werden die äußeren Punkte so verbunden, dass sie eine geschlossene Oberfläche bilden, die das gesamte Volumen des Bohrers einschließt. Dieses wird danach mit einem automatischem Mesher vernetzt, beispielsweise mit Tetraeder-Elementen. Für die erste Möglichkeit wird kein aufwendiger Mesher benötigt, da er nur zweidimensionale Gitter erzeugen können muss. Diese Variante ist vermutlich wesentlich schneller. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Vernetzung mit Prisma- oder Quaderelementen effizienter ist als mit Tetraederelementen.
Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis3
Abbildungsverzeichnis7
Tabellenverzeichnis11
Abkürzungsverzeichnis13
1. Einleitung15
2. Stand der Technik17
2.1. Der Bohrprozess17
2.1.1. Der Spiralbohrer17
2.1.2. Prozesskräfte20
2.1.3. Material21
2.2. Finite Element Methode26
2.2.1. Vorgehensweise der FEM-Analyse26
2.2.2. Mathematischer Hintergrund31
2.2.3. Vom Element- zum Gesamtgleichungssystem38
2.2.4. Lösung des Gleichungssystems40
2.3. OpenSource-Software für die FEM-Berechnung44
2.3.1. Eigenständige Software45
2.3.2. Matlab-Toolboxes47
3. Methodik51
3.1. Auswahl der Software54
3.2. Erstellung des 3D-FEM-Modells56
3.2.1. 2D-Meshing und Extrusion56
3.2.2. Extrusion und 3D-Meshing63
3.3. FEM-Berechnung63
3.3.1. Aufbereitung der Modelldaten64
3.3.2. Torsionsberechnung66
3.3.3. Biegeberechnung70
3.4. Post-Processing71
3.4.1. Torsionsbelastbarkeit72
3.4.2. Torsionssteifigkeit72
3.4.3. Biegesteifigkeit73
3.4.4. Berücksichtigung der Kernverjüngung74
3.4.5. Graphische Ausgabe76
3.5. Optimierung80
4. Ergebnisse83
4.1. Parametereinflüsse84
4.1.1. Dralllänge84
4.1.2. Drehmoment86
4.1.3. Ebenenabstand87
4.1.4. Elementgröße89
4.1.5. Länge des Biegemodells90
4.1.6. Länge des Torsionsmodells92
4.1.7. Biegelast93
4.1.8. Anzahl der ausgeblendeten Ebenen95
4.2. Stabilität und Robustheit96
4.3. Genauigkeit der Berechnungsergebnisse101
4.4. Performance103
5. Zusammenfassung107
6. Ausblick109
Literaturverzeichnis111
Literatur111
Internetquellen112
A. Quellcode der Matlab-Funktionen115
A.1. fitness_openfem.m (Hauptfunktion)115
A.2. meshgeneration.m129
A.3. verdrillung.m138
A.4. start_ofem_torsion.m140
A.5. start_ofem_biegung.m152
B. gmsh-Definitionsdateien159
B.1. bohrer.geo (Geometriedefinition)159
B.2. bohrer.msh (Gitterdefinition)162
C. Lizenzen173
C.1. GNU Lesser General Public License173
C.2. GNU Lesser General Public License (detusche Übersetzung)177

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