Die Finite Elemente Analyse (FEA) ist aus heutiger Sicht aus dem Produktentwicklungsprozess nicht mehr wegzudenken. Zur Sicherstellung einer kontinuierlich wachsenden Innovationskraft sind viele kleine und mittelständische Unternehmen auf einen wirtschaftlichen Einsatz der FEA angewiesen, weshalb diese vermehrt auf Freeware Programme (z.B. Z88Aurora) zurückgreifen. Die dabei meist verwendete, linear statische Analyse von Einzelkomponenten gehört deshalb bei heutigen Simulationsaufgaben längst zum Tagesgeschäft. Diese isolierte Betrachtung von einzelnen Bauteilen ist allerdings oftmals aufgrund der fehlenden Interaktion mit benachbarten Komponenten nicht realitätsnah, weshalb komplexe numerische Simulationen von Baugruppen herangezogen werden müssen. Die Abbildung der gegenseitigen Wechselwirkung entspricht dabei einer nichtlinearen Randbedingung, da sich der Zustand zwischen den Kontaktzonen (offen oder geschlossen) während des Rechenlaufes ändern kann. Dieser technisch-physikalische Effekt lässt sich in nahezu jedem technischen System – beispielsweise einer Zahnradpaarung, einem Kettentrieb, usw. – beobachten, weshalb dessen Berücksichtigung für die Ergebnisgüte eine große Rolle spielt. Das hierfür in Z88Aurora implementierte Kontaktmodul erlaubt dem Anwender ebendiese Anbindung des elastischen Umfeldes sowie eine Detailbetrachtung der Verbindungsstelle (Kontaktdruck). Die für den industriellen Einsatz essentielle Validität der Berechnungsergebnisse wird anhand analytisch berechenbarer Geometrien, wie etwa einem Zugstab, nachgewiesen. Zusätzlich werden die Benchmark-Tests von der National Agency for Finite Element Methods and Standards (NAFEMS) sowie der Kontakt Patch-Test nach Bathe herangezogen, um die Leistungsfähigkeit und Stabilität des Z88-Kontaktalgorithmus zu erproben. Hierbei wird unabhängig von der Ausprägung des Kontaktabstands und der Oberflächenvernetzung der Bauteile die korrekte Finite-Elemente-Kontaktanalyse anhand der Homogenität der Kontaktdruckverteilung bewertet. Auf Basis dieser Benchmark-Tests und weiterführender Vergleichsrechnungen mit kommerziellen FE-Systemen zeigt sich, dass die Ergebnisse des Kontaktmoduls von Z88Aurora valide sind und die Software für den produktiven Einsatz in der Industrie geeignet ist.

The procedure of joining flexible or nonrigid parts using applied loads is called compliant assembly, and it is widely used in automotive, aerospace, electronics, and appliance manufacturing. Uncontrolled assembly processes may produce geometric errors that can exceed design tolerances and induce an increment of elastic energy in the structure due to the accumulation of internal stresses. This condition might create unexpected deformations and residual stress distributions across the structure that compromise product functionality. This thesis presents a method based on nonlinear Finite Element Analysis (FEA), metamodelling, and optimization techniques to provide accurate and on-time shimming strategies to support the definition of optimum assembly strategies. An example of the method on a typical aerospace wing box structure is demonstrated in the present study. The delivered outputs intend to support the production line by anticipating the response of the structure under a specific assembly condition and presenting alternative assembly strategies that can be applied to address eventual predicted issues on product requirements. / Graduate