FEM: Software • Schulung Entwicklung • Berechnung ... - CADFEM.CH

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Statik, Magnetfeld, Optimierung:
ANSYS in der Uhrenentwicklung bei IWC
Unverwechselbare Originale der Zeitmessung, das ist unbestritten
die Spezialität der nordostschweizerischen Uhrenmanufaktur IWC
Schaffhausen: Die berühmte „Da Vinci“ mit ewigem Kalendarium
zählt ebenso dazu, wie die „Grande Complication“, wohlgemerkt
die Erste fürs Handgelenk. Aber auch die super-antimagnetische
„Ingenieur“ oder Taucheruhren, die sogar dem Druck von 2000
Meter Wassertiefe standhalten und die einzige Taucheruhr
mit mechanischem Tiefenmesser seien hier genannt. Von IWC
kommen seit Jahrzehnten professionelle „Fliegeruhren“. Und
seit dem Gründungsjahr 1868: Die unübertroffenen, hochfeinen
Taschenuhren von IWC. (Quelle: www.iwc.com)
Die Synthese aus Tradition und Moderne zieht sich durch das
ganze Unternehmen und fi ndet sich somit auch bei Entwicklung
und Konstruktion der Produkte wieder. Wie eh und je werden
neue Uhrenmodelle von hochspezialisierten Ingenieuren erdacht
und mit viel Sinn für Details entworfen. Mittels computerunterstützter
Berechnungen werden diese dann auf Machbarkeit
untersucht und die optimale unter verschiedenen möglichen
Varianten ermittelt.
IWC setzt dafür ANSYS ein und erweitert das eigene Know-how,
indem bei Bedarf zusätzlich hochspezialisierte Berechnungsdienstleister
wie die VT GmbH in Schaffhausen oder die CADFEM
AG in Aadorf und Lausanne engagiert werden. Die „zeitgemäße“
Anwendung von ANSYS wird in diesem Beitrag anhand von drei
verschiedenen Einsatzbeispielen dargestellt.
Strukturmechanische Berechnungen
Bei der Entwicklung von Uhrwerken sind die meisten Fragestellungen,
die mit einer FEM-Berechnung gelöst werden können,
strukturmechanischer Art. Ein Uhrwerk ist
eine komplexe Baugruppe, die sowohl Starrkörper
enthält als auch Komponenten, die
fl exibel sind, also Deformationen unterliegen.
Eine herausragende Bedeutung kommt
zudem der Defi nition von Kontakten beim
Zusammenspiel der Komponenten zu.
Alle Bauteile, die einer Deformation unterliegen,
sollten grundsätzlich als fl exibel betrachtet
werden. In den meisten Fällen reicht es
dabei aus, ein zweidimensionales Modell des
Bauteils zu generieren. Dadurch kann nicht
nur erheblich Rechenzeit gespart, sondern
auch die Ergebnisgenauigkeit erhöht werden.
Viele Zahnräder, Bolzen und Lager unterliegen
dagegen keiner nennenswerten Deformation.
Case Studies
CADFEM GmbH INFOPLANER 2/2005
Rigid-
Element
Geometrie 2D
Diese können
damit auch
im Modell
als beliebig starr nachgebildet
werden. Auch damit lässt sich die Rechenzeit und das
Konvergenzverhalten des Modells wesentlich verbessern.
Zahlreiche Bauteile im Uhrwerk haben keine feste Verbindung.
Die FEM-Berechnung solcher Konstellationen war bis vor wenigen
Jahren nur äußert versierten Berechnungsspezialisten möglich,
unter großem Zeitaufwand und trotzdem nicht immer mit
einem zufriedenstellenden Ergebnis. Aktuelle ANSYS Versionen
enthalten eine Auswahl an unterschiedlichen Kontaktelementen,
durch die die Modellierung noch lange nicht trivial wird, die aber
erheblich zu einer adäquaten Problemlösung beitragen. (Bild 1).
Weil die vielfältigen Funktionen einer Uhr in unterschiedlichen
Ebenen stattfi nden, können bei der Simulation meist 2D-Elemente
wie plane82, target169 oder contact172 verwendet werden. Die
Rechenzeiten liegen aufgrund der zu berücksichtigenden großen
Deformationen im Bereich von einigen Minuten.
Die Ergebnisse können in zwei Kategorien unterschieden werden:
Zum einen die sehr anschauliche Darstellung einer Animation, die
den gesamten Bewegungsablauf des Ensembles wiedergibt. Da
die auftretenden Spannungen dabei bereits im Bauteil visualisiert
sind, erhält der Ingenieur ein sehr aussagekräftiges Gesamtbild.
Zum anderen sind alle physikalischen Grössen, beispielsweise
Reaktionskräfte, maximale Belastungen oder Geschwindigkeiten
auch in numerischer Form darstellbar. Hier profi tiert der Entwickler
von einer besonders detaillierten Anzeige der verschiedenen
zu untersuchenden Bereiche.
Kontakt
Bild 1: Strukturmechanische Auslegung des Uhrwerks: FEM-Modell, verschiedene Darstellungen
der Spannungsverläufe.