Moderne Straßenbeleuchtung ist für jede Stadt sehr wichtig, denn ihre Funktion sorgt für mehr Sicherheit von Fußgängern, Fahrern und anderen Nutzern öffentlicher Flächen. Es gibt immer mehr moderne LED-Lampen im Einsatz, die mit ihrem Design und niedrigem Energieverbrauch den Ruf von noch so kleinen Städten erhöhen. Jedoch unterliegt jede Straßenlampe einer Anzahl von Natur- und Witterungseinflüssen, in denen sie ordnungsgemäß funktionieren und ihre Funktion sicherstellen muss.
Bei TECOS haben wir mit Hilfe von Computersimulationen für den Kunden statische Berechnungen der Straßenlampe im Abaqus CAE Softwarepaket durchgeführt. Der Kunde wollte die Tragfähigkeit der Lampe für verschiedene Lastfälle und unterschiedliche Temperaturen überprüfen.
Abb. 1: CAD-Modell der Lampe
Betrachtete Problematik
- Die Straßenlampe ist einer breiten Palette von Temperaturbelastungen ausgesetzt, bei denen sie mechanischen Belastungen durchhalten und Funktion gewährleisten muss.
- Wegen unterschiedlicher Witterungsbedingungen muss die Lampe mechanischen Belastungen durch den Einfluss von Wind, Schnee usw. widerstehen.
- Bei erhöhten Temperaturen und verlängerten Belastungen kann auch das Problem des Kriechens des Materials auftreten.
Lösung
Wir haben folgende Schritte für den Kunden ausgeführt:
- die Definition von fünf verschiedenen Lastfällen,
- die Bestimmung von temperaturabhängigen nichtlinearen Materialdaten,
- die Vorbereitung eines numerischen Modells und parametrische Berechnung von Lastfällen,
- die Darstellung von Verschiebungen, Spannungen und Verformungen an einzelnen Komponenten der Lampe und Analyse vom Kriechen des Materials.
Aufgrund den Ergebnissen parametrischer Computeranalysen war es möglich, die Spannungen an einzelnen Komponenten zu bestimmen, kritische Standorte und den ungünstigsten Lastfall vorzusehen. Leider können wir aufgrund der Vertraulichkeit des Projektes keine bestimmten Zahlen angeben, wofür wir uns aufrichtig entschuldigen.
Zweck und Nutzen für Endkunden
- Auf dem Produkt können bereits in der Entwicklungsphase kritische Stellen vorgesehen werden.
- Die Optimierung der Form mit der Absicht, das Gewicht zu reduzieren und die Lebensdauer des Produktes zu verlängern.
- Geringeres Risiko beim Konstruieren und der Sicherstellung geeigneter Produktfunktionalität.
Bestimmung der Lastfälle
Aufgrund der Standards haben wir zunächst fünf Lastfälle identifiziert, mit denen die Lampe belastet werden kann, wobei wir sie in Winter- und Sommerfälle unterschieden haben. In allen Fällen ist die Hauptlast die Folge des Windes, und in der Winterzeit kann auch zur Belastung wegen des Schneegewichts kommen. Für jeden Lastfall wird die Größe und Richtung der Windkraft geändert, die aufgrund der vorgesehenen geografischen Position der Lampe bestimmt wird. Besonders wurde der Lastfall des Kriechens betrachtet, wo die Dauerbelastungen bei erhöhten Temperaturen vorgesehen wurden.
Verschiedene Materialien, sowohl Metall- als auch Polymermaterialien, wurden für Komponenten der Lampe vorgesehen. Für jedes Material wurden die Materialeigenschaften bei -10 °C und bei 60 °C angegeben. Die Eigenschaften bei Zwischentemperaturen wurden auf der Basis der Interpolation bestimmt. Die Abbildung zeigt temperaturabhängige Materialeigenschaften für das ausgewählte Polymermaterial.
Abb. 2: Die Ingenieurkurven der Spannung in der Abhängigkeit von der Verformung für das ausgewählte Material
Aufgrund von parametrischen Computersimulationen im Abaqus CAE Softwarepaket hat sich erwiesen, dass die größten Verschiebungen und Spannungen auf der Lampe im Winterlastfall auftreten, wobei die Kombination von Eigengewicht, Seitenwind und Schnee berücksichtigt wird. Bei dieser Belastung überschritt der Durchhangwert am äußersten Rand der Lampe den zulässigen Wert, der die Funktionalität der Lampe gewährleistet; auch die Spannungen überschritten an einigen Stellen die maximal zulässigen Spannungen, was zu einer dauerhaften Beschädigung oder Zerstörung einzelner Komponenten führen kann. Mittels numerischen Ergebnissen haben wir die vorgesehene Konstruktion der Lampe ausgewertet.
Abb. 3: Darstellung von Verschiebungen im Winterlastfall
In der Analyse vom Kriechen des Materials wurden zusätzliche Materialdaten verwendet, welche die Entspannung oder die Zunahme der Verformung bei konstanter Belastung in der Abhängigkeit von der Zeit veranschaulichen. Die Abbildung zeigt die Kriechkurven für das ausgewählte Material bei verschiedenen Spannungen.
Bild 4: Kriechkurven für das ausgewählte Material
Aufgrund der Analyse des Kriechens ist es möglich, die Zunahme der Verformung bei einer konstanten Belastung über einen langen Zeitraum vorzusehen. Es stellte sich heraus, dass bei der Berücksichtigung des eigenen Gewichts und der zusätzlichen vertikalen Belastung der Durchhangswert der Lampe in zehn Jahren nicht so viel ansteigt, dass dieser Wert einen kritischen Unterschied darstellen würde.
Bild 5: Darstellung von Verschiebungen durch das Kriechen
Schluss
Mit fortgeschrittenen parametrischen Computersimulationen im Abaqus CAE Softwarepaket ist es uns gelungen, die Durchhänge, Deformationen und Spannungen an einzelnen Komponenten der Lampe in verschiedenen Lastfällen vorzusehen. Ein solcher Ansatz ist in der modernen Ingenieurpraxis sehr wichtig, da der Kunde bereits während der Entwicklungsphase des Produktes auf kritische Stellen aufmerksam gemacht wurde und wir einige Konstruktionslösungen vorgeschlagen haben, die das reibungslose Funktionieren des Produkts gewährleisten würden. Wenn Sie an konkreten Werten und ausgewählten Lastfällen interessiert sind, können wir Sie direkt mit dem Kunden in Verbindung stellen.