ARAMIS / PONTOS vs. ANSYS - Experiment vs. Simulation

1. 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

2. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 Grundidee 2 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.

3. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 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 3

4. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 ARAMIS & PONTOS 4 An der Universität Innsbruck zur Material- & Bauteilprüfung PONTOS Dynamische 3D-Koordinaten ARAMIS Optische 3D-Deformationsanalyse

5. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 5 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

6. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 6 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

7. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 7 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

8. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 8 4. Auswertung Aus der Lageänderung der Kontrollpunkte (3D- Koordinaten) je Zeitschritt folgen die Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, … ARAMIS & PONTOS

9. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 9 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

10. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 10 VERIFIKATION VON ARAMIS - TRAGLASTVERSUCH ARAMIS – Versuche

11. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 11 100kN Prüfmaschine der TVFA Innsbruck ARAMIS – Versuche

12. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 12 Versuchsaufbau ARAMIS – Versuche

13. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 13 Versuchsgeschwindigkeit 1 mm/min ARAMIS – Versuche

14. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 14 Auswertung mit ARAMIS Verschiebungsfeld Dehnungsfeld ARAMIS – Versuche

15. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 15 Simulationsablauf ARAMIS – Simulation mit ANSYS Lineare Strukturanalyse Lineare Beulanalyse (Eigenwerte) GMNIA mit Imperfektionen (aus Eigenwerten)

16. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 16 Lineare Beulanalyse – exemplarisch die ersten 4 Eigenwerte ARAMIS – Simulation mit ANSYS

17. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 17 GMNIA Imperfektionen ARAMIS – Simulation mit ANSYS 0 200 min , 1,0 200 200 200 a b mm e mm   = = =    Quelle: Eurocode EN 1993-1-5, Anhang C, Ausgabe 2007-04-01

18. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 18 Materialverhalten aus Zugversuchen 2 2 87 95 o u N f mm N f mm = = ARAMIS – Simulation mit ANSYS

19. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 19 GMNIA - Randbedingungen ARAMIS – Simulation mit ANSYS „Backe oben“ Weggesteuert, analog zu Maschinenweg der Prüfmaschine

20. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 20 Auswertung mit ANSYS Verschiebungsfeld Dehnungsfeld ARAMIS – Simulation mit ANSYS

21. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 21 Verschiebung uz bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS ,1 ,2 21,4 16,5 z z u mm u mm = = ,1 ,2 21,5 16,6 z z u mm u mm = = ARAMIS – Auswertung & Vergleich

24. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 24 Dehnung bei ux=8,3mm ARAMIS ANSYS ARAMIS – Auswertung & Vergleich

25. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 25 Dehnung bei ux=16,7mm ARAMIS ANSYS Rissbildung ARAMIS – Auswertung & Vergleich

26. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 26 Dehnung bei ux=64,0mm ARAMIS ANSYS ARAMIS – Auswertung & Vergleich

27. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 27 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 Kraft[N] Weg [mm] ARAMIS – Auswertung & Vergleich max 3880F N= Rissbildung

28. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 28 VERIFIKATION VON PONTOS - SCHWINGUNGSMESSUNG PONTOS – Versuche Alublech ident mit Aramisversuchen

29. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 29 Anregung einer Biegeschwingung Durchgeführter Versuch PONTOS – Versuche

30. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 30 PONTOS - reine Biegeschwingung Anregung einer Biegeschwingung PONTOS – Versuche

31. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 31 Simulationsablauf Modalanalyse Transiente Strukturanalysen mittels Mode Superposition PONTOS – Simulation mit ANSYS Strukturanalyse zur Normierung der Anfangsauslenkung

32. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 32 Modalanalyse – exemplarisch die ersten 6 Eigenfrequenzen PONTOS – Simulation mit ANSYS

33. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 33 Dämpfung Beta Dämpfung für Transiente Analyse, geschätzt anhand der ersten Eigenfrequenz 1. Eigenfrequenz 13,3 Hz 2 2 0,008 0,0002 2 13,3 ξ β ω π ⋅ ⋅ = = = ⋅ ⋅ PONTOS – Simulation mit ANSYS

34. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 34 Transiente Analyse - Randbedingungen Simulation „Hammerschlag“ PONTOS – Simulation mit ANSYS

35. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 35 ANSYS - reine Biegeschwingung PONTOS – Simulation mit ANSYS

36. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 36 Auswertepunkt – PONTOS / ANSYS PONTOS – Auswertung & Vergleich

37. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 37 Vergleich PONTOS ANSYS 13f Hz 13f Hz 0sec 1sec 2sec 2sec0sec 1sec PONTOS – Auswertung & Vergleich

38. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 38 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

39. Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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