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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting Wien, 26.04.2012 ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS oder „Experiment“ vs. „Simulation“ DI Ralph Timmers AB Stahlbau und Mischbautechnologie Fakultät für Bauingenieurwissenschaften Leopold-Franzens-Universität Innsbruck

ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS - Experiment vs. Simulation

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Fakten zum AB Stahlbau der Universität Innsbruck: •Anwendung der numerischen Software ANSYS, •Seit kurzem Einführung neuer optischer Messsysteme ARAMIS und PONTOS. Grundidee: Anwendungsmöglichkeiten der Messsyteme ARAMIS und PONTOS testen und mit den numerischen Möglichkeiten von ANSYS vergleichen. Ziel: Erkennen der Vor- und Nachteile der Systeme für einen optimalen Einsatz.

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ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting

Wien, 26.04.2012

ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS oder

„Experiment“ vs. „Simulation“

DI Ralph Timmers

AB Stahlbau und Mischbautechnologie Fakultät für Bauingenieurwissenschaften Leopold-Franzens-Universität Innsbruck

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Grundidee

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Fakten zum AB Stahlbau der Universität Innsbruck: • Anwendung der numerischen Software ANSYS,

• Seit kurzem Einführung neuer optischer Messsysteme ARAMIS und PONTOS. Grundidee: Anwendungsmöglichkeiten der Messsyteme ARAMIS und PONTOS testen und mit den numerischen Möglichkeiten von ANSYS vergleichen. Ziel: Erkennen der Vor- und Nachteile der Systeme für einen optimalen Einsatz.

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Inhalt

Optische Messsysteme ARAMIS & PONTOS

Verifikation von ARAMIS • Versuche mit ARAMIS • Numerische Simulation mit ANSYS • Auswertung und Vergleich

Verifikation von PONTOS

• Versuche mit PONTOS • Numerische Simulation mit ANSYS • Auswertung und Vergleich

Zusammenfassung

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ARAMIS & PONTOS

4

An der Universität Innsbruck zur Material- & Bauteilprüfung

PONTOS Dynamische 3D-Koordinaten

ARAMIS Optische 3D-Deformationsanalyse

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Exemplarischer Ablauf einer Messung mit ARAMIS

1. Messbereich definieren

2. Referenzmuster aufbringen (aufsprühen)

3. Messung = Aufzeichnung der Verformung des

Referenzmusters mit High-Speed-Kameras

ARAMIS & PONTOS

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4. Auswertung

Aus der Veränderung des Referenz-musters je Zeitschritt (3D-Koordinaten) folgt die Relativverschiebung jeder Facette zueinander (Dehnungen, Dehnraten, … ).

Loadstep_01 - Referenzstufe

Loadstep_40

Loadstep_70

ARAMIS & PONTOS

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Exemplarischer Ablauf einer Messung mit PONTOS

1. Messbereich definieren

2. Kontrollpunkte aufbringen (kleben)

3. Messung = Aufzeichnung der Lageänderung der

Kontrollpunkte mit High-Speed-Kameras

ARAMIS & PONTOS

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4. Auswertung

Aus der Lageänderung der Kontrollpunkte (3D-Koordinaten) je Zeitschritt folgen die Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, …

ARAMIS & PONTOS

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Typische Anwendungsgebiete

Berührungsloses und materialunabhängiges Messen

Erfassen der realen Bauteilgeometrie und besseres

Verstehen des 3D-Bauteilverhaltens

Anwendungsgebiete

Statisch z.B. Festigkeitsanalysen, Beulformen, …

Dynamisch z.B. Schwingungsanalysen, Crashtest, …

Bruchmechanisch z.B. Rissentwicklung, Rissverfolgung, …

Verifikation von FE-Modellen

ARAMIS & PONTOS

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VERIFIKATION VON ARAMIS - TRAGLASTVERSUCH

ARAMIS – Versuche

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100kN Prüfmaschine der TVFA Innsbruck

ARAMIS – Versuche

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Versuchsaufbau

ARAMIS – Versuche

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Versuchsgeschwindigkeit 1 mm/min

ARAMIS – Versuche

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Auswertung mit ARAMIS

Verschiebungsfeld Dehnungsfeld

ARAMIS – Versuche

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Simulationsablauf

ARAMIS – Simulation mit ANSYS

Lineare Strukturanalyse

Lineare Beulanalyse (Eigenwerte)

GMNIA mit Imperfektionen (aus Eigenwerten)

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Lineare Beulanalyse – exemplarisch die ersten 4 Eigenwerte

ARAMIS – Simulation mit ANSYS

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GMNIA Imperfektionen

ARAMIS – Simulation mit ANSYS

0200min , 1,0

200 200 200a b mme mm = = =

Quelle: Eurocode EN 1993-1-5, Anhang C, Ausgabe 2007-04-01

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Materialverhalten aus Zugversuchen

2

2

87

95

o

u

Nfmm

Nfmm

=

=

ARAMIS – Simulation mit ANSYS

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GMNIA - Randbedingungen

ARAMIS – Simulation mit ANSYS

„Backe oben“ Weggesteuert, analog zu Maschinenweg der Prüfmaschine

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Auswertung mit ANSYS

Verschiebungsfeld Dehnungsfeld

ARAMIS – Simulation mit ANSYS

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Verschiebung uz bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS

,1

,2

21,416,5

z

z

u mmu mm

=

=,1

,2

21,516,6

z

z

u mmu mm

=

=

ARAMIS – Auswertung & Vergleich

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Verschiebung uz bei ux=16,7mm ARAMIS ANSYS

,1

,2

34,023,8

z

z

u mmu mm

=

=,1

,2

34,824,5

z

z

u mmu mm

=

=

ARAMIS – Auswertung & Vergleich

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Verschiebung uz bei ux=64,0mm ARAMIS ANSYS

,1

,2

81,648,9

z

z

u mmu mm

=

=,1

,2

82,048,8

z

z

u mmu mm

=

=

ARAMIS – Auswertung & Vergleich

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Dehnung bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS

ARAMIS – Auswertung & Vergleich

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Dehnung bei ux=16,7mm ARAMIS ANSYS

Rissbildung

ARAMIS – Auswertung & Vergleich

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Dehnung bei ux=64,0mm ARAMIS ANSYS

ARAMIS – Auswertung & Vergleich

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Traglastkurve (Kraft-Weg-Diagramm) ARAMIS ANSYS

max 3604F N=

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 10 20 30 40 50 60

Kraf

t [N

]

Weg [mm]

ARAMIS – Auswertung & Vergleich

max 3880F N=

Rissbildung

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VERIFIKATION VON PONTOS - SCHWINGUNGSMESSUNG

PONTOS – Versuche

Alublech ident mit Aramisversuchen

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Anregung einer Biegeschwingung

Durchgeführter Versuch

PONTOS – Versuche

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PONTOS - reine Biegeschwingung

Anregung einer Biegeschwingung

PONTOS – Versuche

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Simulationsablauf

Modalanalyse Transiente Strukturanalysen mittels Mode Superposition

PONTOS – Simulation mit ANSYS

Strukturanalyse zur Normierung der Anfangsauslenkung

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Modalanalyse – exemplarisch die ersten 6 Eigenfrequenzen

PONTOS – Simulation mit ANSYS

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Dämpfung Beta Dämpfung für Transiente Analyse, geschätzt anhand der ersten Eigenfrequenz

1. Eigenfrequenz 13,3 Hz

2 2 0,008 0,00022 13,3

ξβω π⋅ ⋅

= = =⋅ ⋅

PONTOS – Simulation mit ANSYS

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Transiente Analyse - Randbedingungen

Simulation „Hammerschlag“

PONTOS – Simulation mit ANSYS

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ANSYS - reine Biegeschwingung

PONTOS – Simulation mit ANSYS

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Auswertepunkt – PONTOS / ANSYS

PONTOS – Auswertung & Vergleich

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Vergleich PONTOS ANSYS

13f Hz 13f Hz

0sec 1sec 2sec 2sec0sec 1sec

PONTOS – Auswertung & Vergleich

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Zusammenfassung

Experiment - ARAMIS & PONTOS + Messung kann komplexe Effekte sichtbar machen (z.B.: Rissentwicklung) + Messung liefert reale Daten - Messung beschränkt auf definiertes Messvolumen - Messungen meist aufwändig in der Versuchsdurchführung

Simulation - ANSYS

+ Grundsätzlich sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse (Abweichungen nur durch getroffene Annahmen wie Materialfestigkeiten, Randbedingungen, Dämpfung, …) + Keine aufwändigen Versuche notwendig - Komplexe Effekte nur schwer zu erfassen (z.B.: Rissentwicklung) - Ergebnisse hängen stark von der Qualität der Berechnung (Konvergenz,

verwendete Elemente, …) und den Eingangsdaten (Material, …) ab

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!