Der vorliegende Bericht beinhaltet die FEM-Analyse eines elastisch gebetteten Betonpflastersteines mit der Finite-Elements-Software MEANS.
Es soll ein Betonpflasterstein mit den Abmessungen 300 mm * 300 mm * 100 mm mit einer kreisförmigen Flächenlast von 1.375 N/mm2 belastet werden. Der Stein wird auf sandigem Untergrund mit einer Bettungszahl von 3000 N/m*m*m elastisch gebettet. Es gilt zu ermitteln, wie groß die zulässigen Biegespannungen sind.
Aus dem Inhalt:
Layout von Leiterplatte im 3er-Nutzen;
FEM-Berechnungsmodell;
Auflager, Niederhalter und Einspannungen;
Testpunkte;
Ergebnisauswertung
Inhaltsverzeichnis
FEM-Analyse eines elastisch gebetteten Betonpflastersteines
Erzeugung des Linienmodells
Netzgenerierung
Einkerbungen erzeugen
1.) Elemente löschen
2.) Knotenpunkte verschieben
Elastische Bettung erzeugen
Kreisförmige Flächenlast erzeugen
Materialdaten eingeben
FEM-Analyse
FE-Solver einstellen
Ergebnisauswertung
Verformungen
Biegespannungen
Vergleich der Mises-Biegespannung mit der zulässigen Streckgrenze von B25
Berechnung der elastischen Bettung mit 3D-Volumenelementen
Anmerkung:
Elastische Bettung für HEX8-Volumenelemente
Flächenlast für HEX8-Volumenelemente
Umwandlung der Flächenlast in eine Knotenlast
Materialdaten für HEX8-Volumenelement
Ergebnisauswertung für Volumenelemente
Verformungen
Mises-Vergleichsspannung
Vergleich der Mises-Vergleichsspannung mit der zulässigen Streckgrenze von B25
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Durchführung einer Finite-Elemente-Methode (FEM)-Analyse für einen elastisch gebetteten Betonpflasterstein. Es wird untersucht, wie sich definierte Belastungen auf das Verformungsverhalten und die auftretenden Biegespannungen auswirken, um zu prüfen, ob die resultierenden Spannungen unterhalb der zulässigen Streckgrenze des verwendeten Materials Beton B25 liegen.
- Modellierung eines 2D-Linien- und Netzmodells eines Betonpflastersteines.
- Anwendung einer elastischen Bettung zur Simulation des sandigen Untergrundes.
- Implementierung kreisförmiger Flächenlasten und deren Umwandlung in Knotenlasten.
- Vergleich der Ergebnisse zwischen 2D-Plattenelementen (PLA4S) und 3D-Volumenelementen (HEX8).
- Validierung der strukturellen Integrität durch Spannungsanalyse gegen die Materialstreckgrenze.
Auszug aus dem Buch
Elastische Bettung erzeugen
Der Betonpflasterstein wird auf sandigem Untergrund in z-Richtung elastisch gebettet.
Bodenart Bettungsmodul N/m*m*m Sand 3000 – 10 000 Lehmboden (nass – trocken) 20 000 – 100 000 Kiese mit Sand (fein – grob) 80 000 – 200 000 Grober Kies, sehr fest gelagert 200 000 – 250 000
Aus der Tabelle wird eine Bettungszahl von 3000 N/m*m*m gewählt.
Wählen Sie jetzt mit dem Icon aus der Ansichtsleiste die RB-Iconleiste an.
Klicken Sie in der RB-Iconleiste zuerst das Icon für eine elastische Bettung in z-Richtung an dannach auf "Erzeugen".
In der nächsten Dialogbox klicken Sie bitte zuerst die Option „Typ=4: Bettungszahl“ an und geben den Wert von 3000 ein, dannach klicken Sie auf „Markieren Sie einen Ausschnitt".
Ziehen Sie nun über das gesamte Modell einen Rechteckrahmen auf damit alle Knotenpunkte in der Select-Box angezeigt werden. Bestätigen Sie mit „Erzeugen“ in der Select-Box um die Randbedingungen zu erzeugen.
Zusammenfassung der Kapitel
FEM-Analyse eines elastisch gebetteten Betonpflastersteines: Definition der geometrischen Abmessungen und der Lastparameter für den Betonstein auf sandigem Untergrund.
Erzeugung des Linienmodells: Beschreibung der Schritte zur Eingabe der Start- und Endpunkte zur Konturerstellung des Modells im CAD-System.
Netzgenerierung: Anleitung zur Erstellung des FEM-Netzes unter Verwendung des Elementtyps PLA4S und Festlegung der Elementdichte.
Einkerbungen erzeugen: Prozess der geometrischen Anpassung des Modells durch Löschen von Elementen und Verschieben von Knotenpunkten.
Elastische Bettung erzeugen: Festlegung des Bettungsmoduls basierend auf der Bodenart und Zuweisung der Randbedingungen an das Modell.
Kreisförmige Flächenlast erzeugen: Konfiguration der Krafteinwirkung unter Berücksichtigung von Innen- und Außenradien.
Materialdaten eingeben: Hinterlegung der physikalischen Materialwerte für Beton B25, wie E-Modul und Poisson-Zahl.
FEM-Analyse: Durchführung der Berechnung und Auswahl der gewünschten Ergebnisgrößen wie Verschiebungen und Spannungen.
FE-Solver einstellen: Auswahl des geeigneten Lösungsalgorithmus für die Schalen- oder Volumenstruktur.
Ergebnisauswertung: Visualisierung und Analyse der maximalen Verformungen und der Biegespannungen.
Berechnung der elastischen Bettung mit 3D-Volumenelementen: Erweiterung des 2D-Netzes in eine dreidimensionale Struktur unter Verwendung von HEX8-Elementen.
Anmerkung:: Erläuterung zur Wahl der Netzdichte unter Berücksichtigung von Software-Limits.
Elastische Bettung für HEX8-Volumenelemente: Übertragung der Bettungsparameter auf das 3D-Volumenmodell.
Flächenlast für HEX8-Volumenelemente: Spezifikation der 3D-Tiefe und Lastapplikation auf die Volumenstruktur.
Umwandlung der Flächenlast in eine Knotenlast: notwendige Anpassung für den FE-Solver bei der Verwendung von Volumenelementen.
Materialdaten für HEX8-Volumenelement: Konfiguration der Materialeigenschaften spezifisch für das HEX8-Element.
Ergebnisauswertung für Volumenelemente: Vergleich und Validierung der 3D-Ergebnisse mit den 2D-Berechnungen.
Schlüsselwörter
FEM-Analyse, Betonpflasterstein, Elastische Bettung, Biegespannung, PLA4S, HEX8, Volumenelemente, Netzgenerierung, Flächenlast, Knotenlast, Beton B25, Verformung, Statik, Mises-Vergleichsspannung, CAD-Modell.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Publikation grundsätzlich?
Die Arbeit bietet eine schrittweise Anleitung zur Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse (FEM) an einem Betonpflasterstein, um dessen mechanisches Verhalten unter Last zu simulieren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Analyse?
Die Schwerpunkte liegen auf der Netzgenerierung, der Simulation von Untergrundbedingungen durch elastische Bettung sowie der Vergleichsanalyse zwischen 2D-Flächenmodellen und 3D-Volumenmodellen.
Welches Ziel verfolgt die Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Berechnung der auftretenden Verformungen und Biegespannungen, um sicherzustellen, dass diese innerhalb der zulässigen Belastungsgrenzen des Betonmaterials liegen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet, bei der das Bauteil diskretisiert wird, um physikalische Feldgrößen mittels numerischer Solver zu bestimmen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Modellvorbereitung, die Definition von Material- und Lastdaten, die Solver-Konfiguration und die anschließende Auswertung der Simulationsergebnisse.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem FEM-Analyse, elastische Bettung, HEX8-Volumenelemente, Mises-Spannungen und die Streckgrenze von Beton.
Warum wurde für die 3D-Analyse eine Umwandlung der Flächenlast erforderlich?
Der verwendete FE-Solver für Bettungen kann bei der Anwendung auf 3D-Volumenelemente keine direkten Flächenlasten verarbeiten, weshalb diese in äquivalente Knotenlasten transformiert werden müssen.
Welche Rolle spielt die gewählte Netzdichte bei der Analyse?
Die Netzdichte beeinflusst die Genauigkeit des Modells; während eine niedrigere Dichte Rechenzeit spart, ist für präzisere Ergebnisse laut Autoren ein höherer Wert (mindestens 4) empfohlen.
- Arbeit zitieren
- Roland Schmidt (Autor:in), 2016, Elastische Bettung eines Betonpflastersteines. FEM-Berechnung mit 2D-Platten- und 3D-Volumenelementen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/344407
