Xu, Yang: Finite Elemente Modell zur Simulation des statischen und dynamischen mechanischen Verhaltens von Präzisionswägezellen

Abstract in Deutsch:

Die vorliegende Masterarbeit behandelt ein Finite Elemente Modell zur Simulation des statischen und dynamischen mechanischen Verhaltens von Präzisionswägezellen. Wägezellen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation sind hochempfindliche Kraftmessgeräte. Ein monolithisch aufgebauter Mechanismus mit konzentrierten Nachgiebigkeiten in Form von filigranen Festkörpergelenken bildet die mechanische Basis der Waage. Insbesondere für die transiente Analyse der Wägezelle ist ein effizientes Finite Elemente Modell zur Verringerung der Elementanzahl und zur Erhöhung der Lösungsgeschwindigkeit erforderlich. Im ersten Schritt wird das Modell eines einzelnen Festkörpergelenks untersucht, welches eine genaue Modellierung lediglich in der Kernzone der Dünnstelle vorsieht. Die mechanischen Eigenschaften dieses Signifikante-Region-Modells werden mit einem, die gesamte Geometrie umfassenden, Referenzmodell verglichen. Basierend auf dem Signifikante-Region-Modell des Einzelgelenks wird das Finite-Elemente-Modell der Wägezelle erstellt. Um die Richtigkeit abzusichern, wird ein Teilsystem der so modellierten Wägezelle mit einem analytischen Modell verglichen. Die statischen mechanischen Eigenschaften der Wägezelle werden daraufhin mit dem neuen Finite Elemente Modell ermittelt. Um das Modell weiter dem realen System anzunähern und die Simulation des transienten Verhaltens zu ermöglichen, wird ein Regler für die Wägezelle in ANSYS Mechanical implementiert. Die Überprüfung des geregelten Systems erfolgt zunächst am Beispiel eines einfachen mechanischen Pendels durch den Vergleich mit der analytisch berechneten Lösung in Matlab. Der Regler wird nachfolgend auf das Finite Elemente Modell der Wägezelle angewendet und das transiente Verhalten berechnet. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell stellt einen effizienten Modellierungsansatz für den nachgiebige Mechanismus einer Wägezelle dar. Auf Basis der erstellten Programme in ANSYS APDL kann ein großes Spektrum von Berechnungen an Wägezellen sowie an anderen nachgiebigen Mechanismen durchgeführt werden.