Simulationsunterstützte funktionale Grenzlagenabsicherung

Die simulationsunterstützte Toleranzrechnung (engl. Computer-Aided Tolerancing, CAT) hat sich neben der klassischen Bauteil- und Baugruppentolerierung in den letzten Jahren zu einer unverzichtbaren Ingenieursdisziplin entwickelt – gerade im Kontext der Serienfertigung eines Produktes. Durch eine Berücksichtigung von 3D-Geometrien, einhergehenden Hebelverhältnissen, Fügefolgen und verschiedensten (Unter-)Bezugssystemen sowie unter Einbeziehung statistischer Ansätze ermöglicht es schon jetzt komplexe Toleranzbetrachtungen von Produkten, welche im Rahmen der Fertigung unsicheren Schwankungen, sowohl aus Produktions- als auch aus Prozesssicht, unterliegen. Eine wesentliche Prämisse, die bei derartigen Simulationen zugrunde gelegt wird, bezeichnet das angenommene ideal starre Verhalten aller Beitragsleister. Als direkte Folge jener Prämisse beschreibt diese Arbeit einen virtuellen Ansatz auf Basis einer schließmaßbasierten Toleranzbetrachtung, welcher sowohl Elastizitäten als auch ein mögliches nichtlineares Systemverhalten in der Toleranzsimulation berücksichtigt. Dieses Vorgehen zur Einbeziehung von Materialitäten und Interaktionen zwischen den abweichungsbehafteten Beitragsleistern erhöht die Prognosegüte der Toleranzsimulation in Richtung einer realitätsnäheren Vorhersage.
Basierend auf den Ergebnissen einer 3D-Toleranzanalyse, mit sich anschließender statistischer Versuchsplanung zur Steigerung des prozentualen Erfüllungsgrades (Verhältnis von untersuchter zu maximal möglicher Grenzlagenanzahl) bei minimalem Aufwand, werden die schließmaßbezogenen prognostizierten Grenzlagen einer Finite-Elemente-Simulation (engl. Finite Element Method, FEM) zur Verfügung gestellt. Durch Einbeziehung der Materialitäten und Kontaktrandbedingungen werden für das gewählte System, welches nichtlinearen Effekten unterliegt, korrespondierende respektive eindeutig zuordenbare elastische Grenzlagenaussagen an den betrachteten Qualitätsmerkmalen generiert. Eine geeignete Strategie zur Kopplung der starren und elastischen Grenzlagenergebnisse wird auf Grundlage bestehender Forschungsansätze abgeleitet und hinsichtlich einer Prognose korrigierter Grenzlagenaussagen angewendet. Zudem werden, basierend auf den FEM-Simulationsergebnissen, Robustheitsuntersuchungen hinsichtlich des probabilistischen Einflusses einzelner Beitragsleister auf das Grenzlagenergebnis vorgestellt. Finale Korrelationsuntersuchungen plausibilisieren die Ergebnisse des virtuellen Ansatzes durch einen Vergleich mit den Ergebnissen eines geeigneten Experiments in Bezug auf den gewählten Demonstrator