Software: FEM - Tutorial - 2D-Bauteil - strukturiert - Z88Aurora-Symmetriemodell Lochrand fixiert
Import der Superstruktur und strukturierte Vernetzung
Die mittels AutoCAD beschriebene Superstruktur muss nun als DXF-Datei in Z88Aurora importiert und in ein Finite-Elemente-Modell transformiert werden:
- Neues Projekt "FEM1_Z88d_xx"
Um die bisherigen Z88-Analysen auf Grundlage der Tetraeder-Vernetzung nicht zu zerstören, müssen wir für die strukturierte Vernetzung wieder eine neue Projekt-Mappe anlegen! - Superstruktur-Import "Lasche_xx.dxf"
Nach Wahl der Funktion Datei > Import > AutoCAD DXF-Dateien (*.DXF) stehen verschiedene Möglichkeiten für diesen Import zur Verfügung:
Wir wählen die direkte Erzeugung eines Finite-Elemente-Netzes auf Grundlage der importierten Superstruktur "DXF-Super-Struktur nach Z88Aurora-Struktur":
- Die strukturierte Vernetzung erfolgt sehr homogen. Die Kreisbogen des Lochrandes wurden durch die Superelemente exakt nachgebildet.
- Bei den Abrundungen (4 mm) mit der auslaufenden Geraden (1 mm) des rechten Rands kann dagegen durch die Superlemente nicht so exakt nachgebildet werden:
- Die Knoten dieser Superelemente (zur Verdeutlichung in den Skizzen als blaue Punkte ergänzt) werden exakt "getroffen". Aber eine kubische Funktion kann einen mit einer Geraden auslaufenden Kreisbogen nur bedingt nachbilden, was sich in den kleinen Abweichungen zur realen Form zeigt.
- Die daraus resultierenden Fehler für die Belastungsanalyse sind in unserem Beispiel vernachlässigbar.
Hinweis:
In anderen Fällen können insbesondere "Knicke" im Konturverlauf stören! Dann muss man darauf achten, dass nur Konturabschnitte der Geometrie als Seite eines Superelements benutzt werden, welche durch die Ansatzfunktion des Superelements exakt nachbildbar sind.
Material-Zuweisung
Die Material-Eigenschaften wurden nicht importiert. Deshalb weisen wir als nächstes aus der Materialdatenbank allen Elementen den bereits vordefinierten "S235JR Baustahl mit der Nummer 1.0037" zu (Siehe: Vorgehensweise im 3D-Tetraeder-Modell).
Element-Dicke
Die 2D-Elemente des Netzes besitzen noch nicht den Wert für die Dicke der Lasche (1 mm):
- Nur über das Praeprozessor-Seitenmenü gelangt man in den Dialog für die Elementparameter (Dicke).
- Die Zuweisung der Geometrieeigenschaft erfolgt bezogen auf zuvor definierte Elementsets.
- Deshalb muss man dafür die Menge aller Elemente hinzufügen:
- Der Standardwert für die Dicke ist zufällig gleich 1 mm.
Knotenmengen für Randbedingungen (Picking)
Zusätzlich zu den zwei Randbedingungen (Lochwand-Fixierung und Stirnflächen-Kraft) muss eine Symmetrie-Randbedingung für die Symmetrie-Achse definiert werden.
Drei Knoten-Sets sind zu definieren:
- Lochwand
- Stirnflaeche
- Symmetrieachse
Für das "Picking" der Knoten muss man zuerst eine günstige Darstellung konfigurieren:
- Ansichten > Oberflächennetz zeigt für 2D-Netze nur die Picking-Punkte der Knoten auf den Netz-Kanten, so wie wir es für die Auswahl von Kanten-Knoten benötigen ("Ansichten > Netz" zeigt alle "Knoten" des Netzes).
- Umschaltung von Voll- auf Randdarstellung blendet zusätzlich noch die "Mittenknoten" der Elemente aus.
- Picking-Punkte verkleinern/vergrößern ist meist erforderlich:
- Die Auswahl von Knoten entlang einer Kante erfolgt analog zur Auswahl der Tetraeder-Knoten auf einer Fläche:
- Für die Bildung des Knoten-Sets für die Symmetrieachse müssen die beiden Teilkanten separat als Markierungen ausgewählt und dann zusammengefasst werden:
Constraints und Loads
1. Fixierung des Lochrandes
Die Vernetzung des Modells erfolgte mit dem Elementtyp "Scheibe Nr.7 mit 8 Knoten" (Siehe "Z88Aurora Theoriehandbuch" auf Seite 146):
- Die Knoten dieser 2D-Elemente besitzen jeweils nur 2 Freiheitsgrade (Verschiebung in X- und Y-Richtung)
- Es genügt deshalb, die Verschiebung für diese beiden Richtungen auf den Wert=0 zu begrenzen:
- Hinweis: Es bleibt ohne Auswirkung auf das Simulationsergebnis, wenn man mehr Freiheitsgrade einschränkt, als für die Elementknoten laut Theoriehandbuch definiert sind.
2. Zugkraft von 1000 N an der Stirnflaeche
Damit eine physikalisch richtige Aufteilung der Gesamtkraft auf die einzelnen Knoten erfolgt, benutzen wir diesmal die "Projizierte Linienlast":
- Da wir nur eine Symmetriehälfte verwenden, muss die Zugkraft entsprechend der Symmetriebedingung reduziert werden.
- Im Beispiel ist also nur der halbe Kraftwert erforderlich.
- Hinweis: Dieses Modell ist infolge seiner Reduktion nur für Kräfte in Richtung der Symmetrieachse gültig!
3. Symmetrie-Eigenschaften
Die betrachtete Symmetriehälfte verformt sich nicht unabhängig von der anderen Hälfte:
- Im Beispiel bedeutet das bei einer Kraft in Längsrichtung, dass sich die Knoten auf der Symmetrieachse nur entlang dieser Achse verschieben können.
- Verschiebungen in Y-Richtung müssen also auf den Wert=0 begrenzt werden.
Belastungsanalyse
Für die Berechnung des konfigurierten Modells verwenden wir wieder den "PARDISO"-Solver. Dieser ist für diese kleinen Modelle sehr gut geeignet und benötigt keine zusätzliche Konfiguration.
Mittels des Postprozessor-Seitenmenüs können wir nach erfolgreicher Berechnung die Ergebnisse analysieren.
- Eventuelle Fehler bei der Definition der Randbedingungen erkennt man meist schon in Inhomogenitäten des Spannungsverlaufs. Zusätzlich sollte man eine hochskalierte Darstellung der Verformung in Kombination mit der Ausgangsform verwenden, weil man physikalisch unsinnige Deformationen dort meist auf den ersten Blick erkennt:
- Für den Farbverlauf auf der verformten Darstellung wurden im Beispiel die Spannungswerte der Eckknoten benutzt. Deren Maximalwert liegt ca. 1% unter dem Maximalwert der Gaußpunkte.
Frage:
- Welche zulässige Zugkraft ergibt sich anhand dieses Modells bei einem Sicherheitsfaktor S ≥ 2?
- Mittels der Filter-Funktion ist zu überprüfen, dass in keinem Bauteilbereich die zulässige Belastung für diesen Sicherheitsfaktor überschritten wird!
