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FEM-Simulation: Sicherheit erhöhen und Kosten einsparen

Merkle & Partner: optimiertes Prototyping bei Baumaschinen

merkle-partner-baustelle

Fahrerkabinen von Baumaschinen müssen bei Eintreten eines Sonderereignisses dem Baugeräteführer einen ausreichenden Schutz bieten. Der Überrollschutz (Roll Over Protective Structure) verhindert beispielsweise bei einem Überschlag das übermäßige Verformen der Kabine.

Um dieses Szenario zu überprüfen, werden aufwendige Tests durchgeführt. Merkle & Partner zeigt, wie solche Versuche mittels FEM-Simulation deutlich schneller und kostengünstiger durchgeführt werden können.

Ein Überrollschutz kommt in Baugeräten zum Einsatz, die überwiegend im Erdbau eingesetzt werden, da hier die Gefahr eines „Sonderereignisses“ besonders hoch ist. Im Normalfall wird vor der Zulassung eines Schutzaufbaus für Fahrerkabinen die Tauglichkeit mithilfe eines Prototyps und zwei definierten Tests überprüft. Beide Tests sind sehr kostenintensiv, da nach deren Durchführung die Kabine inklusive Überrollschutz keine weitere Verwendung findet. Wird ein Test nicht bestanden, muss die Kabine entsprechend verstärkt und erneut getestet werden.

Hier setzt die Simulation mit Hilfe eines FEM-Modells (Finite-Elemente-Methode) an. Die Ergebnisse der Simulation sind nicht nur sehr genau, sie zeigen gleichzeitig auch die Schwachstellen auf und helfen so diese gezielt durch schnell durchgeführte FEM-Variantenberechnungen zu optimieren.

Ein weiterer Vorteil der Simulationen: die Kosten für die Berechnungen fallen im Vergleich zu wiederholten Testings nur einmal an. Zudem wurde im Fall der Baumaschinen aus den Daten der FEM-Simulation und der folgenden Optimierung das Gewicht der Kabine inklusive des Überrollkäfigs stark reduziert. Ein weiterer Kostenvorteil in der Fertigung.

„Unsere Kunden sind oft noch überrascht, dass zwischen dem Test und der FEM-Simulation kaum Unterschiede zu erkennen sind“, so Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner GbR.

Ein ROPS-Test zur Kabinensicherheit nach DIN ISO 3471 überprüft beispielsweise, inwieweit die Kabinenstabilität bei einem Umsturz gegeben ist. Dabei müssen die Schutzaufbauten so ausgelegt sein, dass ein definierter Überlebensraum (Deflection-Limiting-Volume) erhalten bleibt. Zusätzlich wird mittels eines FOPS-Tests (Falling Object Protective Structure) überprüft, inwieweit das Kabinendach gegenüber herabfallenden Gegenständen gesichert ist. Letzterer bedeutet eine Erweiterung des Überrollschutzes (ROPS), da hierbei in die Kabinen zusätzliche Rahmen- und Gitterelemente eingesetzt werden müssen.

Beide Testings konnten über die FEM-Simulation realitätstreu nachgestellt werden. Durch die gewonnenen Daten und Erkenntnisse aus der FEM-Simulation wurden die Kabinen nur so stabil konstruktiert, wie sie wirklich sein müssen. Dies wiederum spart erneut Kosten.

Merkle & Partner führen solche Simulationen bereits seit Jahrzehnten für unterschiedlichste Branchen erfolgreich durch und können daher genau auf die individuellen Kundenanforderungen eingehen. Egal, ob Baumaschinen, Landmaschinen oder Kabinen für Seilbahnen. 

Bild 1: Grader im Betrieb
Bild 2: Ein realer ROPS-Test einer Grader-Kabine

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