Bildkorrelation zur Validierung der Finite-Elemente-Analyse mit Z88Aurora anhand einer Windkraftflügelstruktur

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Bildkorrelation zur Validierung der Finite-Elemente-Analyse mit Z88Aurora

anhand einer Windkraftflügelstruktur

Dipl.-Ing. Felix Viebahn

Dipl.-Ing. Christoph Wehmann Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg

15. Bayreuther 3D-Konstruktuerstag

18. September 2013

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Z88Aurora

Einführung

2 • Rechenkerne werden seit 1986 von Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg entwickelt

• neueste Open-Source Version: Z88V14 OS

• seit 2009 Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD: Z88Aurora

• neueste Version: V2a (nicht Open-Source)

• Vollständiges FEA-Paket

• Import von CAD-Dateien

• 24 Elementtypen

• 2 Free-Meshing Tools (Tetraedervernetzer)

• Präprozessor (Randbedingungsaufgabe über GUI)

• lineare, nichtlineare, thermische und Eigenschwingungssolver

• Postprozessor und Exportfunktion

Entwicklung von Berechnungssoftware erfordert Validierung!

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Zielsetzung

3 Verformungssimulation eines geometrisch komplexen Bauteils mit Z88Aurora und Validierung der Ergebnisse mittels Bildkorrelation

Auswahl Prüfkörper:

Flügel einer Windkraftanlage

• Vollkörper aus Aluminium gefräst

400

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Parameter für Simulation und Messung

Versuchsaufbau

4 Kraft F

Feste Einspannung Auswertung der

Biegelinie mittels 1. FEA und

2. Bildkorrelation

(5)

Prüfstand

Versuchsaufbau

5 • Stereokamerasystem [LIM13]

• Verfahrweg Spindel: 50 mm

• Kraftmessdose: 500 N

• Anpassbarkeit an unterschiedliche Prüfkörpergeometrien

Prüfkörperhalter Prüfkörper

Kraftmessdose

Linearführung/Kurbel Kamerasystem

650 230

500

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Bildkorrelation

Versuchsaufbau

Prüfkraft F

Kraftmessdose Auswertungs- bereich

Prüfkörper

Kamera 1

Messverstärker

LIMESS Kamera 2

Kamerasignale Einspannung

PC Messsignal

Schematischer Aufbau

6

(7)

Bildkorrelation

Versuchsaufbau

7 Präparation des Prüfkörpers 1. Säubern und Entfetten des

Aluminium-Rohlings

2. weiße Grundierung zur Erhöhung des Kontrastes

3. Auftragen eines unregelmäßigen,

schwarzen Punktemusters

(8)

Bildkorrelation

Versuchsdurchführung

8 Durchführung

1. Aufnehmen von Stereobild und zugehörigem Kraftwert für jeden Lastschritt

2. Auswertungssoftware

Istra4D [Dan13] berechnet aus dem Stereobild für jeden Lastschritt die

Verschiebung innerhalb des Auswertebereichs

Kamera 1 Kamera 2 Lastschritt

Kraftwert

Lastschritte

Auswertemaske

Startpunkt

(9)

Finite-Elemente-Analyse

Versuchsdurchführung

9 FEA-Model:

~ 37.000 Knoten

~ 22.000 Tetraeder (quadratisch/10 Knoten)

Feste Einspannung:

Verschiebungen in x, y, z = 0

Kraftaufgabe: 100 N

[RHA12]

(10)

Simulation

Auswertung

10 Gesamtverschiebungen

Verformtes Modell

Unverformtes Modell

Skalierung: 4

(11)

Lastschritt 00/20

Auswertung

11

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Durchbiegung w(x) / mm

x-Koordinate x / mm

Biegelinien

Berechnete Biegelinie, Step 00 Gemessene Biegelinie, Step 00

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Verschiebung s / mm

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a) Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)

Biegelinie

Kraftangriffspunkt

(12)

Lastschritt 01/20

Auswertung

12

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

(13)

Lastschritt 02/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

13

(14)

Lastschritt 03/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

14

(15)

Lastschritt 04/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

15

(16)

Lastschritt 05/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

16

(17)

Lastschritt 06/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

17

(18)

Lastschritt 07/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

18

(19)

Lastschritt 08/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

19

(20)

Lastschritt 09/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

20

(21)

Lastschritt 10/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

21

(22)

Lastschritt 11/20

Auswertung

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

22

(23)

Lastschritt 12/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

23

(24)

Lastschritt 13/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

24

(25)

Lastschritt 14/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

Zunehmende Anzahl von Erkennungsfehlern

25

(26)

Lastschritt 15/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

26

(27)

Lastschritt 16/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

27

(28)

Lastschritt 17/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

28

(29)

Lastschritt 18/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

29

(30)

Lastschritt 19/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

30

(31)

Lastschritt 20/20

Auswertung

0 2 4 6 8 10 12 14

290,0 300,0 310,0 320,0 330,0

Biegelinien

0 20 40 60 80 100 120

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Kraft F / N

Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt

max. Abweichung der Verschiebung bei gleicher

Kraft: 3,6%

Große Anzahl von Erkennungsfehlern

31

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Zusammenfassung und Ausblick

32 Zusammenfassung

• Die Bildkorrelation eignet sich sehr gut für die flächige Auswertung von Verformungen.

• Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse mit Z88Aurora konnten mittels der Bildkorrelation mit einer Abweichung von 3,6% abgebildet werden.

Ausblick

• nichtlineare Berechnung unter sonst gleichen Bedingungen

• weitere Validierungsversuche mit anderen Materialien/Randbedingungen

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