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.

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

22. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 22
Verschiebung uz bei ux=16,7mm
ARAMIS ANSYS
,1
,2
34,0
23,8
z
z
u mm
u mm
=
=
,1
,2
34,8
24,5
z
z
u mm
u mm
=
=
ARAMIS – Auswertung & Vergleich

23. ANSYS Conference & 7. CADFEM Austria Users' Meeting, Wien 26.04.2012 23
Verschiebung uz bei ux=64,0mm
ARAMIS ANSYS
,1
,2
81,6
48,9
z
z
u mm
u mm
=
=
,1
,2
82,0
48,8
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!