Finite Elemente Analyse einer Messerklinge

[HöKri]

Hallo liebe Forumskollegen!

eaute war es an der Zeit, mein kleines "Zwischenprojekt" fertig zu stellen. Es handelt sich dabei um eine Spannungsanalyse einer CAD-modellierten Steckangel-Messerklinge mittels Finiter Elemente Methode.

Die Situation: Es wird davon ausgegegangen, dass mit der Klinge etwas auf einer harten Unterlage durchtrennt wird (zB Auftreffen der Kinge auf einem Teller beim Schneiden von Speck o.ä). Da solche Klingen zumeist mit dem Griff verklebt sind, wird von einer festen Erl-Einspannung ausgegangen, dh, dass die Klinge zu 100% fest im Griff sitzt.


Hier die Ausgangsklinge:



Nun trifft das Messer auf die harte Unterlage (Die Kraft auf das Messer durch die Unterlage wird durch eine Einzelkraft vereinfacht dargestellt-kleiner gelber Pfeil):



Die Kraft der Unterlage auf das Messer erhöht sich und man erkennt erste Stellen an der Klinge mit erhöhter Spannung:



Zum Schluss wirkt die maximale Kraft, die durch den Kontakt zwischen Schneidunterlage und Messer entsteht. Auch die Verformung der Klinge ist nun maximal:


Das Spannungsspektrum geht von blau bis rot.
Rote Stellen - Spannungsmaximum ("gefährdete Stellen")
Blaue Stellen - Spannungsminimum


Ich hoffe, es war einigermaßen informativ und freue mich auf eure Kommentare!!

Liebe Grüße!

 

[alchemist]

Hallo HöKri,

schöne Analyse. Wie würde das ganze aussehen, wenn der Übergang von der Klinge zum Erl einen Radius hätte?

Servus

Manfred

 

[brr]

Ich tippe mal das es wohl nicht mehr ganz so hohe Spannungen werden, da die Kraftlinien harmonischer werden und die spannungen einem großerem Querschnitt gegenüber stehen.

Ein richtiger maschinenbauer wirds wohl besser erklären , ich bin nur e-Techniker .



gruß

brr

 

[HöKri]

Ich tippe mal das es wohl nicht mehr ganz so hohe Spannungen werden, da die Kraftlinien harmonischer werden

ziemlich gute erklärung für einen e-techniker

es stimmt, ein Radius würde positiv für die Kinge sein, denn ein Radius macht den Übergang harmonischer und vermindert scharfe Kerben, die sich negativ auf die Klingenfestigkeit auswirken

 

[alchemist]

Hallo,

dann zeig uns das mal als Bild.

Servus

Manfred

 

[typo]

Solch ein Thema, wenn ich morgen Prüfung drüber schreibe. Schrecklich.
Was noch interessant wäre: Schleifkerbe; was macht die Ricasso-Form aus.

Wieviel Elemente wurden den genutzt? (Oder: Bitte mal die Triangulierung zeigen.)

 

[braces]

Das Problem ist ja meist, dass die Netzgeneratoren so aufgebaut werden müssen, dass auch an den Innenecken Sinnvolle Werte herauskommen.
Meist ist da ja feineres Netz nicht gleichbedeutend mit genaueren Ergebnissen. Wenn ich mich recht erinnere kann man Spannungen in den Ecken bei sehr feiner Triangulierung bis ins unendliche treiben. Und das bei sehr moderater Belastung. Kommerzielle Netzgeneratoren haben da mehr oder weniger gute Schutzmechanismen eingebaut, bei selbst programmierten muss man halt von Hand auf Plausibilität prüfen.
Mit Sachverstand muss man in beiden Fällen arbeiten.
Ich hasse FE-Programmierungen! :teuflisch

stay rude
braces

 

[HöKri]

@ alchemist: Da ich die Software privat nicht besitze und nicht weiß, wann ich das nächste mal dazu komm, muss ich dir das Bild schuldig bleiben. Allerdings denke ich, dass der Unterschied Kerbe - Radius im Bereich Messer nicht allzu groß sein wird, da auch die Spannungen (Zug/Druck, Biegung) auf den diskutierten Übergang nicht wirklich hoch sind.

@ typo: Der Einfluss Ricasso-Übergangs kann man im letzten Bild als erhöhte Spannung erkennen. Oder?
Wegen der Elementeanzahl: Ich bin kein FE-Profi, aber diese Info hab ich mir zum Glück notiert:
Knoten: 55536
Elemente: 33651

liebe Grüße

 

[sanjuro]

Finite Element-Analyse einer Messerklinge

.....Es wird davon ausgegegangen, dass mit der Klinge etwas auf einer harten Unterlage durchtrennt wird (z.B. Auftreffen der Kinge auf einem Teller beim Schneiden von Speck o.ä).....

Das ist viel Aufwand und lobenswerte Mühe, aber der falsche Ansatz: Niemand, der etwas von Messern versteht, schneidet damit auf einem Teller! Zumindest niemand aus diesem Forum!

Gruß

sanjuro

 

[seng1]

AW: Finite Element-Analyse einer Messerklinge

Niemand, der etwas von Messern versteht, schneidet damit auf einem Teller! Zumindest niemand aus diesem Forum!

Schön, dass Du für alle Forenmitglieder sprichst, aber Deine Aussage ist falsch. Ich glaube nicht, dass alle im Forum ihre Teller weggeschmissen haben, nur weil sie sich für Messer interessieren.
Ich habe noch Teller im Haus und schneide auch drauf! Messer kann man ja zum Glück wieder schärfen.

Interessante Analyse, ich als Sesselpuper finde solche Sachen sehr informativ. Danke.

 

[Sven]

Hallo HöKri.

Sehr schöne Analyse. Welche Software hast du denn dafür nutzen können?

Jetzt wäre noch der Unterschied zum Optimum, kein Ricasso und gut abgerundeter Übergang zum Erl, interessant.
Gerade über diesen Übergang wird viel diskutiert.

Ich hab die Bilder nochmal zu einer Animation zusammengestellt.
Hat zwar keinen Nährwert, ist aber hübsch anzusehen

Ciao Sven

 

[Ookami]

Bei mir ist das nur eine .JPG Datei, keine animated .GIF.


Ookami

 

[HöKri]

AW: Finite Element-Analyse einer Messerklinge

Das ist viel Aufwand und lobenswerte Mühe, aber der falsche Ansatz: Niemand, der etwas von Messern versteht, schneidet damit auf einem Teller! Zumindest niemand aus diesem Forum!

sanjuro

Da hast du recht sanjuro, auch ich würde niemals mit meinen Messern auf Porzellan o.ä. schneiden. Trotzdem gibt es genug Beispiele, wo dies der Fall ist, wie zB im Restaurantbereich...


@ sven: tolle Animation!
wie schon beschrieben, ich werd schauen, dass ich solche Bilder bald einmal nachliefern kann

Liebe Grüße

 

[goldmull]

ist ja sehr interessant, solche Grundlagen, aber es ist eine Simulation?! schön wenn man sehen kann wo die kräfte auftreten, fragt sich nur welchen wert das gezeigte hat, als ich die Bilder als Animation sah dachte ich so etwas geht in Echt nicht oder wurde die Durchbiegung nur der Anschaulichkeit halber etwas übertrieben?

 

[seng1]

Die Durchbiegung wurde sicherlich übertrieben, aber es zeigt, wie von Dir geschrieben, schön wo die Kräfte auftreten. Auch beim normalen nutzen entstehen dort Kräfte, nur sind sie kleiner. Die tatsächliche Verformung beim Hacken wäre mal interessant, also bleibt das Messer starr oder bewegt sich da was und in welcher Größenordnung.


OT:
Habt Ihr wirklich keine Teller mehr im Haus?

 

[HankEr]

Hat die Klinge einen Anschliff?

 

[AchimW]

Allerdings denke ich, dass der Unterschied Kerbe - Radius im Bereich Messer nicht allzu groß sein wird, da auch die Spannungen (Zug/Druck, Biegung) auf den diskutierten Übergang nicht wirklich hoch sind.

Der Unterschied ist gewaltig, da gerade in diesem Bereich oft die höchsten Belastungen im Gebrauch auftreten. Allerdings nicht unbedingt bei Druck auf die Schneide, sondern meist eher bei seitlicher Belastung.

Von allen Messern mit im Gebrauch gebrochenen und ansonsten nicht fehlerhaften Klingen (also keine Härterisse oder ähnliches) die ich gesehen habe, waren die meisten gerade an dieser Stelle weggebrochen. Und immer war in so einem Fall der Übergang nicht abgerundet. Ich habe ein paar Freunde, mit denen ich solche Konstruktionsdetails des öfteren diskutiere und so eine scharfe Ecke im Übergang Klinge/Erl heißt bei uns "Sollbruchstelle"....

 

[pitter]

Ich hab die Bilder nochmal zu einer Animation zusammengestellt.
Hat zwar keinen Nährwert, ist aber hübsch anzusehen

Ich glaub die aber nicht. Schon klar, dass die Durchbiegung übertrieben ist. Aber wenn da Kräfte auftreten, die wenigstens in der gezeigten Größenordnung liegen, dann muss IMO auch weiter hinten am Erl noch was passieren. Und wenn das so ist, dann sieht auch der Kraftverlauf am Übergang anders aus.

Bin ja nun überhaupt kein Techniker, aber ich habe zur Prüfung der Plausibilität halt mal ein Messer in die Hand genommen. Hat aber auch nur drei Elemente, vielleicht liegts daran

Pitter

 

[pitter]

AW: Finite Element-Analyse einer Messerklinge

Das ist viel Aufwand und lobenswerte Mühe, aber der falsche Ansatz: Niemand, der etwas von Messern versteht, schneidet damit auf einem Teller! Zumindest niemand aus diesem Forum!

Ich kenne wenigstens einen, der ein Hennicke auf dem Keramikteller malträtiert - einfach deswegen weils im Restaurant halt nur Keramikteller gibt. Und der Jung auch dann ein hübsches Messer verwenden will Nein, ich bins nicht, mir tun nur immer die Augen weh, wenn ichs sehe.

Grundsätzlich ist aber dich die Schneidunterlage egal, oder? Ist sie weicher, wirkt die Kraft halt weniger punktuell. Der Verlauf wird etwas anders aussehen, aber bis die hinten am Erl ankömmt, dürfte sich IMO der Verlauf und auch die absoluten Werte nicht viel unterscheiden.

Und jetzt das ganze noch dynamisch bei Zugschnitt in drei Ebenen :lach:
Dann kommt irgendwann das raus, was Schmiede und Messerhersteller aus Erfahrung wissen

Ich find sowas ja schon interessant. Weniger, was den Messermacher, Schmied angeht. Aber bei Massenproduktion, wo jeder Millimeter auf dem Blech optimal genutzt werden soll, und man ans Limit ohne große Toleranzen geht, bringt so eine Analyse sicher was.

Pitter

 

[andr.stan]

Hallo,

Bunte Bilder, wie nett. Ich bin ja in gewisser Hinsicht ein Fan von FEM (studiere auch in diese Richtung) .

Was mich interessieren würde:
-) Verwendete Software
-) Berechnung in 2D oder 3D (die Klinge ist ja im ersten Beitrag u.a. als 3D zu sehen, die Berechnung sieht nach 2D aus)
-) vielleicht 2 Skalen (eine mit Farbe, die die Spannungen beziffert und eine, die die skalierte Verzerrung verständlicher macht)