Rieg, Frank

Viebahn, Felix

Wehmann, Christoph

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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 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Z88Aurora Einführung 2 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  • 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!  Dipl.-Ing. Felix Viebahn Zielsetzung 3 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  Verformungssimulation eines  geometrisch komplexen Bauteils mit Z88Aurora und Validierung der Ergebnisse mittels Bildkorrelation  Auswahl Prüfkörper:  Flügel einer Windkraftanlage • Vollkörper aus Aluminium gefräst 400 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Parameter für Simulation und Messung Versuchsaufbau 4 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  Kraft F Feste Einspannung Auswertung der Biegelinie mittels  1. FEA und  2. Bildkorrelation Dipl.-Ing. Felix Viebahn Prüfstand Versuchsaufbau 5 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  • Stereokamerasystem [LIM13]  • Verfahrweg Spindel: 50 mm  • Kraftmessdose: 500 N   • Anpassbarkeit an unterschiedliche Prüfkörpergeometrien Prüfkörperhalter Prüfkörper Kraftmessdose Linearführung/Kurbel Kamerasystem 650 230 500 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Bildkorrelation Versuchsaufbau 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  Prüfkraft F Kraftmessdose Auswertungs- bereich Prüfkörper Kamera 1 Messverstärker LIMESS Kamera 2 Kamerasignale Einspannung PC Messsignal Schematischer Aufbau 6 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Bildkorrelation Versuchsaufbau 7 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  Präparation des Prüfkörpers 1. Säubern und Entfetten des  Aluminium-Rohlings 2. weiße Grundierung zur Erhöhung des Kontrastes  3. Auftragen eines unregelmäßigen, schwarzen Punktemusters Dipl.-Ing. Felix Viebahn Bildkorrelation Versuchsdurchführung 8 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  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 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Finite-Elemente-Analyse Versuchsdurchführung 9 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  FEA-Model: ~ 37.000 Knoten ~ 22.000 Tetraeder (quadratisch/10 Knoten)   Feste Einspannung: Verschiebungen in x, y, z = 0 Kraftaufgabe: 100 N [RHA12] Dipl.-Ing. Felix Viebahn Simulation Auswertung 10 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  Gesamtverschiebungen  Verformtes Modell  Unverformtes Modell Skalierung: 4 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 00/20 Auswertung 11 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 00Gemessene Biegelinie, Step 000204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation) Biegelinie Kraftangriffspunkt Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 01/20 Auswertung 12 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 01Gemessene Biegelinie, Step 010204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 02/20 Auswertung 02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 02Gemessene Biegelinie, Step 020204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  13 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 03/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 03Gemessene Biegelinie, Step 030204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)14 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 04/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 04Gemessene Biegelinie, Step 040204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)15 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 05/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 05Gemessene Biegelinie, Step 050204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)16 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 06/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 06Gemessene Biegelinie, Step 060204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)17 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 07/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 07Gemessene Biegelinie, Step 070204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)18 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 08/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 08Gemessene Biegelinie, Step 080204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)19 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 09/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 09Gemessene Biegelinie, Step 090204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)20 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 10/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 10Gemessene Biegelinie, Step 100204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)21 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 11/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  0204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 11Gemessene Biegelinie, Step 1122 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 12/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 12Gemessene Biegelinie, Step 120204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)23 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 13/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 13Gemessene Biegelinie, Step 130204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)24 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 14/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 14Gemessene Biegelinie, Step 140204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)Zunehmende Anzahl von Erkennungsfehlern 25 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 15/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 15Gemessene Biegelinie, Step 150204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)26 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 16/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 16Gemessene Biegelinie, Step 160204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)27 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 17/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 17Gemessene Biegelinie, Step 170204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)28 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 18/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 18Gemessene Biegelinie, Step 180204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)29 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 19/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 19Gemessene Biegelinie, Step 190204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)30 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Lastschritt 20/20  Auswertung 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  02468101214290,0 300,0 310,0 320,0 330,0Durchbiegung w(x) / mm x-Koordinate x / mm Biegelinien Berechnete Biegelinie, Step 20Gemessene Biegelinie, Step 200204060801001200,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0Kraft F / N Verschiebung s / mm Kraft-Weg-Kennlinie am Kraftangriffspunkt Berechnete Kennlinie (Z88Aurora V2a)Gemessene Kennlinie (Bildkorrelation)max. Abweichung der Verschiebung bei gleicher Kraft: 3,6% Große Anzahl von Erkennungsfehlern 31 Dipl.-Ing. Felix Viebahn Zusammenfassung und Ausblick 32 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD  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   Dipl.-Ing. Felix Viebahn Literatur Anhang 33 15. Bayreuther 3D-Konstrukteurstag, 18. September 2013 Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD   [Dan13]  Dantec Dynamics, Homepage des Herstellers:      http://www.dantecdynamics.com [LIM13]  LIMESS GmbH, Homepage des Herstellers: www.limess.com,2013 [RHA12]   F. Rieg, R. Hackenschmidt, B. Alber-Laukant: Finite Elemente Analyse    für Ingenieure, 4. Ausgabe, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2012   

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

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