Kraftgesteuert

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Aktuelle Version vom 17. Dezember 2015, 15:15 Uhr

engl: force controlled          Kategorie: Level 2 Theorie Mechanik

Eine kraftgesteuerte Randbedingung ist eine Last, die mit dem gegebenen Wert wirksam ist, ohne von anderen Größen abhängig zu sein. Es ist eine Last, die unabhängig von der entstehenden Verschiebung ist.

Zu den typischen Belastungsanteilen, die kraftgesteuerte Beanspruchungen ergeben, gehören Gewichtslasten. Ein Beispiel dafür ist der Sockel eines Hauses, der das Gewicht des Hauses trägt.

Typisch für die kraftgesteuerte Randbedingung ist, dass bei einem Nachgeben des Bauteils (des Sockels beim Haus) die Last (das Gewicht des Hauses) ungeändert wirksam bleibt. Dafür sind deutliche Verschiebungen erkennbar.

Wenn sich das Material zeitabhängig verhält (visko..), dann gibt das Bauteil langsam der weiterhin wirkenden Last (bei der kraftgesteuerten Belastung) nach. Diese zeitlich zunehmende Verschiebung wird als Kriechen bezeichnet.

"Kraftgesteuert" klingt zwar so, als würde dies nur für Anwendungen der Strukturmechanik zutreffen. Prinzipiell sind die Anmerkungen hier aber ebenso anwendbar für andere physikalische Disziplinen. Ein kraftgesteuerter Fall liegt zum Beispiel bei einem stationären Temperaturfeld vor, wenn ein Wärmestrom in das Modell eingeleitet wird. Die Temperaturen (Freiheitsgrade) ergeben sich dann so, dass auf jeden Fall dieser Wärmestrom im Modell bis zum Gegen-Potential (Temperatur-Festhaltung) weitergeleitet wird, egal wie sich die Temperaturen einstellen.

Tips und Tricks

Eine numerische Simulation von nichtlinearen Aufgabenstellungen erreicht im allgemeinen schneller die Konvergenz, wenn die Randbedingungen weggesteuert sind.

Am Support-Telefon ist oft die Anfrage zu hören: „Ich habe eine strukturmechanische Berechnung mit Kontakt und es konvergiert nicht. Warum? Und was kann ich tun?“

Der Unterschied zwischen kraftgesteuerter oder weggesteuerter Belastung kann bei der Kontaktsimulation eine wichtige Rolle spielen. Natürlich ist Kontaktsimulation trotz aller Automatismen eng mit einem vertieften Wissen um die technologischen Zusammenhänge verknüpt. Ein häufig auftretender Fall, der auch einfach zu lösen ist, ist Folgender:

Bei einer FEM-Simulation der Strukturmechanik für ein Bauteil, bei dem zwischen einzelnen Parts Anfangs-Spalte bzw. -Abstände vorhanden sind, bewirkt eine kraftgesteuerte Belastung, dass das Verschiebungsfeld nicht sauber bestimmt wird, weil sich vorher schon eine Starrkörperbewegung einstellt. Diese kann mit FEM nicht gerechnet werden. Man bekommt eine entsprechende Fehlermeldung, die etwa lautet: "Eine Lösungsgröße (die Verschiebung) hat einen sehr großen Wert überschritten." Oft konvergiert die Rechnung schon vorher nicht.

Lösung:

Eine der Möglichkeiten, dies zu vermeiden, besteht darin, am Anfang die Belastung weggesteuert aufzugeben, also eine vorgegebene Verschiebung aufzubringen. Sie sollte gerade die Anfangs-Spalte bzw. -Abstände überbrücken und zur Berührung zwischen den Parts führen. Dann kann diese Verschiebung freigegeben werden und gleichzeitig durch eine kraftgesteuerte Belastung ersetzt werden, bei der genau die Kräfte aufgebracht werden, die vorher an den vorgegebenen Verschiebungen als Reaktionen berechnet wurden. Damit ergibt sich ein mechanisch identisch belasteter Zustand der Parts. Die Berührungszone der Parts stellt nun die Lagerung dar, es tritt keine Starrkörperbewegung auf.

Diesem Problem der Starrkörperbewegung kann man auch dadurch begegnen, dass man die Bauteile mit weichen Federn festhält, die die Systemsteifigkeit nicht nennenswert beeinflussen. Dies zusammen mit sehr sehr geringen Anfangs-Belastungen kann zu lösbaren und akzeptablen Anfangsbedingungen führen. Die Idee ist einfach und wird oftmals automatisch von der FEM-Software ausgeführt. Wenn man die Federsteifigkeit dieser weichen Federn direkt eingeben kann, hat das einen entscheidenden Vorteil, denn aus dem Zusammenspiel von Pinball, Substep-Setting und den weichen Federn kann man sich im Grunde eine Einstellung überlegen, die die Starrkörperbewegung garantiert verhindern kann.

Sonstige Begriffe

Wenn eine Randbedingung nicht kraftgesteuert ist, ist sie meistens weggesteuert.