Einführung in die lineare Finite Elemente Methode: Simulation mit
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Einführung in die lineare Finite Elemente Methode: Simulation mit
Einführung in die lineare Finite Elemente Methode: Simulation mit ANSYS Numerische Simulation praxisrelevanter Probleme mit ANSYS Skriptum zum Studiengang BSc Bauingenieurwesen Franz-Joseph Barthold, Steffen Gerke, Nikolai Gerzen und Wojciech Kijanski Ausgabe Sommersemester 2013 ˇ -Version vom 10. April 2013 Numerische Methoden und Informationsverarbeitung Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen Technische Universität Dortmund Numerische Methoden und Informationsverarbeitung Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen Technische Universität Dortmund August-Schmidt-Straße 8 D-44221 Dortmund Internet: www.bauwesen.tu-dortmund.de/nmi Professor Dr.-Ing. habil. Franz-Joseph Barthold E-Mail: [email protected] Dipl.-Ing. Steffen Gerke E-Mail: [email protected] Dipl.-Ing. Nikolai Gerzen E-Mail: [email protected] Dipl.-Ing. Wojciech Kijanski E-Mail: [email protected] Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Ohne Genehmigung der Autoren ist es nicht gestattet, dieses Manuskript ganz oder teilweise auf fotomechanischen Wegen (Fotokopie, Mikrokopie, Digitalisierung) zu vervielfältigen. Wer fragt, der lernt – wer lernt, hat Fragen Fjodor Dostojewski Autoren und Mitwirkende Franz-Joseph Barthold ist seit Herbst 2003 Professor an der Fakultät Architektur und Bauingenieur- wesen der TU Dortmund für das Fachgebiet Numerische Methoden und Informationsverarbeitung (NMI). Davor war er an der Universität Hannover (Promotion 1993), der TU Braunschweig (Habilitation 2002) und der Universität Kassel tätig. Steffen Gerke hat Bauingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund studiert und begleitend hierzu am Lehrstuhl Baumechanik/Statik und im Fachgebiet NMI als studentische Hilfskraft gearbeitet. Derzeit arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität der Bundeswehr in München. Nikolai Gerzen hat an der TU Dortmund Bauingenieurwesen studiert und in dieser Zeit als studentische Hilfskraft am Fachgebiet NMI gearbeitet. Seit 2009 ist er dort als wissenschaftlicher Mitarbeiter beschäftigt. Wojciech Kijanski hat Bauingenieurwesen an der TU Dortmund studiert und ist nach einigen Jahren als studentische Hilfskraft am Fachgebiet NMI seit Januar 2013 dort als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig. Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ix Tabellenverzeichnis xiii Danksagung xvii Einleitung xix I Workshop zur Einführung in ANSYS Professional 1 1 Grundlagen von ANSYS 1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Erste Schritte mit ANSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Hinweise zur Handhabung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 7 12 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle 2.1 Grundlagen der direkten Generierung . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Lineare Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Beispiel Halbrahmen unter Einzellast . . . . . . . . 2.1.3 Beispiel Halbrahmen unter Streckenlast . . . . . . . 2.2 Verschiedene Elementtypen, Materialien und Real Constants 2.2.1 Parametrisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Zugscheibe aus Bimaterial . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Scheibe mit Kragarm . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Kragarm aus Bimaterial und Fachwerk-Auskragung 2.3 Elementformulierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Cook’s Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 15 17 17 20 22 22 23 24 26 28 28 . . . . . . 31 31 32 33 36 38 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle 3.1 Grundlagen der geometriebasierten oder indirekten Generierung 3.1.1 Der *get-Befehl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Halbrahmen mit schiefer Lagerung . . . . . . . . . . . 3.1.3 Selektionsbefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Scheibe aus zwei Materialien . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5 Stabwerkmodell mit schiefem Gelenk und Streckenlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi Inhaltsverzeichnis 3.2 3.3 Boolesche Operatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Platte mit geometrischem Defekt . . . . . . . . . . . 3.2.2 Erzeugung vierseitig berandeter Flächen beim L-Profil 3.2.3 Scheibe mit Loch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelmäßige Vernetzung von Flächen . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Das Vernetzen eines Dreiecks . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Vernetzung von zwei sich überlappenden Rechtecken . 3.3.3 Vernetzung einer Scheibe mit Loch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Elemente der Programmierung in APDL 4.1 Schreibbefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Halbrahmen mit unterschiedlichen Gelenken . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Direkte Generierung einer 1D-Struktur über Schleifen . . . . . . . . . . 4.4 Direkte Generierung einer 2D-Struktur mittels verschachtelter Schleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Hinweise zur Modellbildung 5.1 Modellierung mit Volumenelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Arbeitsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Wärmeleitung am Beispiel einer Balkonplatte . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Modellierung eines Rahmens mit 3D-Elementen . . . . . . . . . . . 5.2 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Kragarm eines L-Profils mit Volumenelementen und Balkenelementen 5.2.2 Kragarm mit veränderlicher Höhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Einführung General Postprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium 6.1 Elastische Bettung mit Federn . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Übersichtsbeispiel mit direkter Generierung . 6.1.2 Verschachtelte Schleifenstruktur . . . . . . . 6.1.3 Parameterstudie an einem Streifenfundament 6.2 Einflüsse der Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Weitere Einflüsse der Lagerung . . . . . . . . . . . 6.4 Lastaufbringung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Öffnungen in Scheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 41 44 46 47 47 48 48 . . . . 51 51 53 56 57 . . . . . . . . 59 59 59 59 62 64 64 66 67 . . . . . . . . 71 71 71 72 74 77 82 84 88 7 Aufbau der Studienleistung 89 II 91 Fortgeschrittene Anwendung von ANSYS 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen 8.1 Thermische Simulation von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 2D-Modellierung einer Gebäudeecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 2D-Modellierung einer Metallständerwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ -Version vom 10. April 2013 93 94 94 99 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Inhaltsverzeichnis 8.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 105 109 113 117 117 123 137 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen 9.1 Geometrische Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Physikalische Nichtlinearität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Kontaktprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.1 Streckziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Druckprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.3 Bolzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 9.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.2 Formoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.3 Topologieoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 140 142 147 147 149 151 154 154 155 166 8.3 Stabilitätsprobleme im Stahlbau 8.2.1 Knickberechnung . . . 8.2.2 Biegedrillknicken . . . 8.2.3 Beulen . . . . . . . . . Strukturdynamik . . . . . . . . 8.3.1 Modalanalyse . . . . . 8.3.2 Transiente Anlyse . . . 8.3.3 Frequenzganganalyse . vii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Ergänzende Hinweise zur Modellierung mit ANSYS 173 10.1 Kill and reanimate Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 10.2 P-Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 11 Workbench 177 Literatur 181 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 Abbildungsverzeichnis 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 ANSYS Product Launcher starten . . . . . . . . . . ANSYS Product Launcher konfigurieren . . . ANSYS Benutzeroberfläche . . . . . . . . . . . . . Löschen der Datenbasis und Einlesen einer Textdatei Session Editor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8 9 10 11 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 Beispiel direkte Generierung 2D-Struktur . . . . . . . . Ergebnisse der FE-Berechnung . . . . . . . . . . . . . Uebung direkte Generierung 2D-Struktur . . . . . . . . Zugscheibe aus zwei Materialien . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der FE-Berechnung (bezogen auf die Knoten) Kragarm mit mehreren Elementtypen . . . . . . . . . . Deformierte Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kragarm (Bimaterial / mehrere Elementtypen) . . . . . . Cook’s membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvergenzkurven der Vergleichslösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 19 20 23 24 25 26 27 28 30 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 Hierarchie des Geometriemodells (Abb. aus [5]) . Halbrahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Generierung des Modells . . . . . . . Deformierte Struktur . . . . . . . . . . . . . . . Zugscheibe aus zwei Materialien . . . . . . . . Ergebnisse der FE-Berechnung . . . . . . . . . Halbrahmen mit schiefem Gelenk . . . . . . . . 2D-Struktur, Platte . . . . . . . . . . . . . . . . FE-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FE-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flächengenerierung zur Vernetzung des L-Profils FE-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Platte mit Loch . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiecksfläche regelmäßig vernetzt . . . . . . . Rechtecke die sich überlappen . . . . . . . . . . Scheibe mit Loch . . . . . . . . . . . . . . . . Regelmäßige Vernetzung der Scheibe mit Loch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 33 35 36 38 39 40 42 43 44 44 45 46 47 48 49 49 4.1 4.2 4.3 Beispiel für die Verwendung von Schleifen und If-Anweisungen . . . . . . . . . . . . Loop 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Loop 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 56 57 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x Abbildungsverzeichnis 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Lastfälle die berücksichtigt werden müssen . . . Ergebnisse der FE-Berechnung . . . . . . . . . Rahmen mit mittiger Belastung . . . . . . . . . Flächengenerierung zur Vernetzung des L-Profils Systemskizze Kragarm . . . . . . . . . . . . . . Balken mit veränderlicher Höhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 62 62 64 64 66 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 Elastische Bettung mit direkter Generierung . . . . . . . . . . Elastische Bettung, direkte Generierung mit Schleifenstruktur . Fundament mit elastischer Bettung . . . . . . . . . . . . . . Knotenkräfte bei verschiedenen Federsteifigkeiten . . . . . . Geometrien zur Balkenstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungen x in Balkenmitte . . . . . . . . . . . . . . . . Wandartiger Träger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Möglichkeiten der Modellierung des Detail A . . . . . . . . . Wandartiger Träger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Varianten der Strukturbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . Wandartiger Träger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 73 74 75 77 81 82 83 84 85 88 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14 8.15 8.16 8.17 8.18 8.19 8.20 8.21 8.22 Schnitt der Außenecke (WDV-gedämmte Außenwand aus Stahlbeton) . . . . . . . Außenecke als Isothermendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Außenecke als Wärmestromdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schnitt der Metallständerwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ständerwerk als Isothermendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ständerwerk als Wärmestromdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Belasteter HEB 400 Träger aus S 235 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biegedrillknickgefährtdeter IPE 500 Träger, S 235 mit Randmomenten . . . . . . . Biegedrillknickgefährtdeter IPE 500 Träger, S 235 mit zusätzlicher Lastexzentrizität Beulgefährdete Stütze aus S 235 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einmassenschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balken mit Punktmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweimassenschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kragarm mit homogener Massenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gedämpfte Einmassenschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balken mit Punktmasse, gedämpft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balken mit Punktmassen, Fusspunkterregung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserturm, Erdbeben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeit-Beschleunigungsverlauf vom Erdbeben in Roermont . . . . . . . . . . . . . . Zeit-Verschiebungsverlauf vom Erdbeben in Roermont . . . . . . . . . . . . . . . Ball trifft Wand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rahmen mit Punktmasse, Frequenzganganalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 98 98 99 103 104 105 109 109 114 117 119 120 122 125 126 127 129 129 129 133 137 9.1 9.2 9.3 9.4 Kragarm zur Betrachtung von geometrischen Nichtlinearitäten Zugprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines Zugversuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . Last-Verzerrungsdiagramm Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 143 144 144 ˇ -Version vom 10. April 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Abbildungsverzeichnis 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 9.13 9.14 9.15 9.16 9.17 9.18 Last-Verzerrungsdiagramm Zugversuch mit Rechenergebnissen Streckziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungs-Dehnungs-Diagramm Streckziehen . . . . . . . . Druckprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontakt Problem zwischen Bolzen und Blech . . . . . . . . . Beispielzielfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kragträger mit Einzellast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exakte Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvergenzkurven ’zero-order’ . . . . . . . . . . . . . . . . Konvergenzkurven ’zero-order’ . . . . . . . . . . . . . . . . Konvergenzkurven ’first-order’ . . . . . . . . . . . . . . . . Scheibe mit Loch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfeldträger mit zwei Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrträger mit zwei Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS xi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 147 147 149 151 154 157 158 160 160 161 163 167 169 ˇ -Version vom 10. April 2013 Tabellenverzeichnis 1.1 1.2 Ablauf einer FEM- Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . konsistente Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 13 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Beispiele für verschiedene Elementtypen . . Angaben zur Abbildung 2.1 . . . . . . . . . Diskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . Diskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . Angaben zur Abbildung 2.3 . . . . . . . . . Berechnungsparameter für das FE-Modell . . Berechnungsparameter für Cook’s membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 18 19 20 21 25 28 3.1 3.2 3.3 3.4 Ordnung der Objekte nach Modulen Selektionsbefehle . . . . . . . . . Selektionslogik . . . . . . . . . . Boolesche Operatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 37 37 41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 6.2 6.3 6.4 Geometrie- und Materialangaben zur Abbildung 6.5 . . . . . . . . . . . . Maximale Durchbiegung in Feldmitte bei verschiedenen Modellbildungen Berechnungsparameter für den wandartigen Träger . . . . . . . . . . . . Berechnungsparameter für den wandartigen Träger . . . . . . . . . . . . . . . . 77 81 83 85 8.1 8.2 Geometrie- und Materialparameter der Gebäudeaussenecke . . . . . . . . . . . . . . . Geometrie- und Materialparameter der Ständerwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 99 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 Materialparameter ANSYS Option BISO . . . . . . . . Geometriedaten der Zugprobe . . . . . . . . . . . . . . Datenpunkte ANSYS Option KINH . . . . . . . . . . . Materialparameter ANSYS Option BISO für Aluminium Geometriedaten des Kontaktproblems mit Bolzen . . . . Berechnungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 143 148 149 151 157 158 164 167 169 Vorwort Das Skript Einführung in die lineare Finite Elemente Methode – Simulation mit ANSYS dient zur Ergänzung der Vorlesungen der Grundlagenfächer Technische Mechanik, Statik und Dynamik sowie Numerische Methoden und Informationsverarbeitung der Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen der Technischen Universität Dortmund. Die vorliegende Version umfasst eine Darstellung, die sich an die Vorlesungen zur Thematik anlehnt. Trotzdem sind die Unterlagen kein vollständiger Ersatz für den Besuch der Veranstaltungen und sollen auch nicht vom begleitenden Studium der angegebenen Literatur abhalten. Den Mitarbeitern Dipl.-Ing. Monika Rotthaus und Dr.-Ing. Daniel Materna danken wir für ihre Unterstützung bei der Entwicklung der Lehrveranstaltung und der ersten Version dieses Skriptums. Der studentischen Hilfskräft Lukas Radau danken wir für die Unterstützung bei der Erstellung der Bilder, der Beispielaufgaben sowie der begleitenden Übungsunterlagen. Es wird weiterhin ausdrücklich um Kritik und Verbesserungsvorschläge gebeten. Für Hinweise auf Fehler sind wir dankbar. Diese können beispielsweise per E-Mail oder auf persönlichem Wege an die Mitarbeiter oder auch direkt übermittelt werden. Dortmund, im April 2013 Franz-Joseph Barthold Steffen Gerke Nikolai Gerzen Wojciech Kijanski Danksagung Wir danken den Lehrstühlen Stahlbau (Prof. Dr.-Ing. D. Ungermann), Tragkonstruktion (Prof. Dr.-Ing. A. Ötes) und Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung (Prof. Dr.-Ing. W. Willems) sowie Betonbau (Prof. Dr.-Ing. R. Maurer) und Baugrund - Grundbau (Prof. Dr.-Ing. A. Hettler) der Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen der TU Dortmund sowie dem Institut für Umformtechnik und Leichtbau (Prof. Dr.-Ing. M. Kleiner und Prof. Dr.-Ing. E. Tekkaya) der Fakultät für Maschinenbau der TU Dortmund für die Unterstützung beim Aufbau der praxisrelevanten Beispiele aus dem Bauwesen und dem Maschinenbau. Namentlich danken wir den nachfolgend genannten wissenschaftlichen Mitarbeitern für die konkreten Hinweise zur Modellbildung der einzelnen Beispielaufgaben: Dipl.-Ing. Georg Hellinger zur thermischen Simulation, Dipl.-Ing. Alex Wertenbroch zur Strukturdynamik, Dr.-Ing. Jens Kalamaya, Dipl.-Ing. Sebastian Lübke und Dipl.-Ing. Eva Preckwinkel zur Stabilität im Stablbau, Dipl.-Ing. Andres Weinrich zur Simulation von Umformprozessen. Einleitung Das vorliegende Skript Einführung in die lineare Finite Elemente Methode – Simulation mit ANSYS beschäftigt sich mit dem kommerziellen Simulationswerkzeug Ansys. Struktur und Lehrinhalte Das Skript gleidert sich in die beiden Teile zum Workshop zur Einführung in ANSYS Professional sowie zur Fortgeschrittenen Anwendung von ANSYS. Jedem Teil der vorliegenden Vorlesungsunterlagen ist sowohl ein fachlicher Inhalt als auch ein didaktisches Ziel zugeordnet. Darüberhinaus stellen die entsprechenden Abschnitte der einzelnen Kapitel ein Thema in steigender Komplexität dar. Workshop zur Einführung von ANSYS Professional. Das Ziel des Ansys-Workshops im ersten Teil ist es, einen Einblick in den praktischen Umgang mit dem FEM-Berechnungsprogramm Ansys zu erhalten. Theoretische Grundlagen werden als bekannt vorausgesetzt und somit nicht behandelt. Der Workshop besteht aus drei Phasen. Die erste Phase umfaßt die Kapitel 1 bis 5, die in der zugehörigen Lehrveranstaltung als eine 3-tägige Blockveranstaltung mit je vier 90-minütigen Einheiten organisiert ist. Thematisch werden hierbei nur solche Inhalte behandelt, die aus den NMI-Veranstaltungen im Bachelor bekannt sind. In der ersten Hälfte einer Einheit wird anhand von konkreten Beispielen der Ablauf einer Berechnung in ANSYS vorgestellt. Eine Vertiefung findet in der zweiten Hälfte an ähnlichen Übungsbeispielen statt. Die Übungsbeispiele werden von den Teilnehmern selbstständig oder in Gruppen bearbeitet. Hierbei geht es um die Handhabung der wesentlichen Tools in Ansys. Die Beispiele bauen auf einander auf, so dass jeweils nur einige wenige bis dahin neue Befehle erläutert werden müssen. Die zweite Phase besteht aus einem 2-tägigen Workshop. Am ersten Tag liegt der Schwerpunkt nicht mehr auf der Syntax und der Handhabung des Programms, es werden vielmehr Modellierungsfähigkeiten trainiert, siehe Kapitel 6. In diesem Zusammenhang werden von den Studierenden verschiedene größere Modelle selbstständig bearbeitet und diverse Studien (Knovergenz- und Parameterstudien) durchgeführt. Am Tag 2 der zweiten Phase wird Ansys-Workbench vorgestellt und die entsprechende Handhabung geübt, siehe Kapitel 11. Hiermit lassen sich zum Beispiel komplizierte Geometrien in wenigen Klicks mit Hilfe der graphischen Oberfläche erzeugen oder diverse Lastfälle mit sehr wenig Aufwand realisieren. Die dritte Phase entspricht der selbstständigen Bearbeitung einer Hausübung, die die Kenntnisse aller vorherigen Einheiten erfordert. Drei Korrekturtermine stehen den Studierenden hierbei zur Verfügung um mögliche Fragen und Details zu klären. Während der Phase 3 sind ausreichend viele PC-Stationen mit der benötigten Software im Cippool der Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen wöchentlich reserviert. Die Ergebnisse der Hausarbeiten werden bei einem Abschlusskolloquium präsentiert und entsprechend benotet. Der Aufbau dieser Phase ist in Kapitel 7 beschrieben. xx Fortgeschrittene Anwendung von Ansys. In diesem Teil werden Hinweise auf baupraktische Anwendungen von Ansys gegeben. Weiterhin wird ein Ausblick auf die Behandlung nichtlinearer Problemstellungen gegeben. Begleitende Übungen zum Selbstudium sowie Abschlußarbeiten Im Rahmen der Vorlesungen und Übungen sowie der Programmier- und Rechenpraktika werden weitere Unterlagen zur Verfügung gestellt. Hinweise für das aktuelle Semester finden sich auf den Internetseiten der Lehrveranstaltungen. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Abschlußarbeit im Bachelor-Studiengang Bauingenieurwesen auch mit Hilfe von Ansys zu erstellen. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, sich in dieser Arbeit intensiver mit den Möglichkeiten und den theoretischen Hintergründen von Ansys zu beschäftigen. Voraussetzungen aus den Grundvorlesungen Dieses Skript und die entsprechenden Lehrveranstaltungen bauen auf den Grundkenntnissen der Mathematik, Mechanik und Informatik des Bachelorstudiums auf. Mathematische Grundlagen und Grundlagen der Technischen Mechanik. Die Lehrinhalte zur Höheren Mathematik I-III an der TU Dortmund werden vorausgesetzt. Dieses bezieht sich insbesondere auf die Analysis, die Theorie der Differentialgleichungen sowie die Variationsrechnung. Ebenfalls wird die grundlegende Kenntnis der Technischen Mechanik in den Bereichen Festkörperstatik und Elastostatik der Stabtragwerke sowie der Flächentragwerke vorausgesetzt. Grundlagen der Programmierung. Die Grundlagen der Programmierung werden in weiteren Lehrveranstaltungen vorgetragen. Die praktische Einweisung wird am Beispiel von Matlab vorgenommen. Hinweise auf die zugehörigen Unterlagen sind auf den Internetseiten der jeweiligen Lehrveranstaltung zu finden. Die sichere Handhabung von Matlab ist für die begleitenden Übungen und das Selbststudium der numerischen Aspekte erforderlich. Grundlagen der Finite Elemente Methode. Die Kenntnis der linearen Finite Elemente Methode für Stab- und Flächentragwerke wird vorausgesetzt. Notation Die Notation ist kanonisch und aus den bisherigen Vorlesungen und Skripten bekannt. Die effektive numerische Umsetzung bedient sich der Matrizenrechnung, die ebenfalls aus den Grundvorlesungen als bekannt vorausgesetzt wird. Der Tafelanschrieb kennzeichnet Matrizen jeder Form mit einem Unterstrich x; E , während in diesem Skript die entsprechenden Größen als x; E geschrieben werden. Weitere Größen werden bei Bedarf eingeführt. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Teil I Workshop zur Einführung in ANSYS Professional Kapitel 1 Grundlagen von ANSYS 1.1 Einführung Im Ingenieurwesen ist es heutzutage unumgänglich, die mathematische Formulierung technischer Zusammenhänge auch mit den numerischen Algorithmen und der Hilfe von Computern zu behandeln. Auf dem Markt gibt es komplexe Software für den Einsatz im technisch-wissenschaftlichen Bereich. Eines dieser Programme ist ANSYS - kurz für ANalysis SYStem. Was ist ANSYS ? Das Unternehmen ANSYS INC entwickelt, vermarktet und unterstützt Ingenieur-Simulations-Software basierend auf der Finite-Elemente-Methode - um Vorhersagen treffen zu können, wie Strukturen sich in realer Umgebung verhalten. Die Simulationswerkzeuge werden kontinuierlich weiterentwickelt, um es dem Ingenieur zu ermöglichen auf effiziente Weise komplexe Aufgabenstellungen durch Simulationen aus vielen - oft interdisziplinären - Bereichen der Physik zu lösen. ANSYS wird klassischerweise über die eigene Skriptsprache ANSYS Parametric Design Language (APDL) gesteuert, es verfügt aber auch über einen graphischen Pre- und Postprocessor zur Beschreibung der Problemstellungen. ANSYS Workbench bietet dem User durch die hauptsächlich graphische Bedienbarkeit eine andere Art der Eingabe von Problemstellungen und leitet ihn per „drag-and-drop“ durch die Berechnung. Ebenfalls verfügt ANSYS Workbench über erweiterte CAD-Schnittstellen. Was kann ANSYS ? Es steht eine umfangreiche Elementbibliothek für diverse Aufgabenstellungen aus den Bereichen Strukturmechanik, Fluidmechanik, Akustik, Thermodynamik und des Elektromagnetismus zur Verfügung. Als Beispiele seien hier: lineare Festigkeit, Dynamik, nichtlinearen Problemstellungen mit großen Verformungen - zum Beispiel plastische Dehnungen - vielfältige Materialgesetze, Kontakt mit Reibung, Dämpfung und nichtlineare Stabilitätsbetrachtungen genannt. Vor- und Nachteile von ANSYS Vielfältige Einsatzmöglichkeiten 4 1 Grundlagen von ANSYS wird als kommerzielle Software laufend weiterentwickelt und den Nutzungsanforderungen angepasst. Wird zum Beispiel mit MATLAB oder in FORTRAN eine numerische Berechnung eigenständig programmiert, besteht der Großteil der Arbeit, den Lösungsprozess durch einen Algorithmus zu realisieren. Bei Berechnungen mit kommerziellen Simulations-Programmen wie ANSYS hat man lediglich den Aufwand von Dateneingabe (Preprocessing) und der Interpretation der Ergebnisse (Postprocessing). Den Lösungsweg bietet ANSYS , in den man dann als Nutzer allerdings auch keinen Einblick erhält. Die Ergebnisse müssen richtig interpretiert werden. Literatur und Informationsquellen Nachfolgend noch einige Hinweise zur Informationsbeschaffung. Eine Sammlung verschiedener Tutorials, zu denen auch die Eingabe-Datei zur Verfügung steht, werden auf der Homepage der University of Alberta (UofA) bereitgestellt: www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/index.html Eine deutschsprachige Sammlung mit Erläuterungen zu vielen Befehlen wird von der Fachhochschule Osnabrück bereitgestellt und findet sich unter: http://www.ecs.hs-osnabrueck.de/fileadmin/groups/158/Ansys.pdf Ein deutschsprachiges Forum zu CAD und FEM ist: www.cad.de Eine weitere gute Informationsquelle im Internet, ggf. für Fortgeschrittene: www.ansys.net Beispiele zu ANSYS und Workbench aus den Kursen der PennState. Auch Infos zum GeometrieDaten-Import: http://engr.bd.psu.edu/davej/ ANSYS - Tutorials die vom Hersteller bereitgestellt werden und nach der Installation der Software zur Verfügung stehen, finden sich über die ANSYS -Benutzeroberfläche unter: !Utility Menu !Help !ANSYS Tutorials Im ANSYS Verification Manual finden sich viele Beispiele, zu denen zum einen die Eingabe-Datei zur Verfügung steht und zum anderen eine wissenschaftliche Referenz angegeben ist. Hier sind veröffentliche Beispiele mit ANSYS zum Vergleich berechnet worden. Unter: Help !Help Topics !ANSYS, INC Release Notes !ICEM CFD !Documentation !Verification Manual Als deutschsprachige Literatur empfiehlt sich die aus vier Bänden bestehenede Reihe: „FEM für Praktiker“. Hier werden sowohl Grundlagen erläutert als auch Beispiele vorgestellt. - Band 1: Grundlagen, vgl. [5] - Band 2: Strukturdynamik, vgl. [9] - Band 3: Temperaturfelder, vgl. [6] - Band 4: Elektromagnetische Felder, vgl. [8] ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 1.1 Einführung 5 Simulations-Software - Ein kleiner Überblick Neben ANSYS bzw. Workbench sind noch viele FE- und CAD-Programme am Markt vertreten. Hier wird versucht, einen kurzen Überblick zu geben. Die nachfolgenden Listen sind in Anlehnung an [3] entstanden. FE-Programme: NASTRAN, PATRAN, MARC - MSC: Nastran ist das älteste FE- Programm mit dem sich praktisch alle FE-Analysen durchführen lassen. Hierzu kann als Pre- und Postprocessor Patran (oder auch Hypermesh) verwendet werden. Marc wird häufig bei nichtlinearen Aufgaben verwendet. ANSYS - ANSYS INC: Hier im Skript vorgestellt. Multi-Purpose-Programm mit Pre- und Postprocessor. ABAQUS - ABAQUS INC.: Bekannt als Solver bei nichtlinearen Aufgaben. Häufig bei komplexen Lösungen angewendet mit anderen Pre- und Postprozessoren. HYPERMESH - ALTAIR: Hauptsächlich als Pre- und Postprocessor eingesetzt. Bietet viele Möglichkeiten zur Geometrie Vor- und Nachbearbeitung sowie beim Vernetzen. COSMOS - SRAC: Komplett FE-Programm mit großer Verbreitung in Deutschland. Häufig in Verbindung mit dem CAD-Programm SolidWorks. PRO/MECHANICA - PTC (PRO/ENGINEER): Programm zur FE-Analyse, welches auf der pMethode basiert. Dadurch gut auch für nicht FE-Spezialisten zu verwenden. Zusätzlich finden sich viele Programme, die im Bauwesen üblich sind. Sehr weit verbreitet ist hier z.B. SOFISTIK. Ferner finden sich Programme für spezielle Anwendungen wie z.B. LS-DYNA oder MOLDFLOW. CAD-Programme: Neben den im Bauwesen üblichen CAD-Programmen sind im Ingenieurwesen verschiedene weitere Programme vorhanden. Mit diesen ist oft eine Anbindung an die oben beschriebenen FE-Programme leichter möglich. Hier eine kleine Auswahl: CATIA UNIGRAPHICS PRO/ENGINEER SOLIDWORKS Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 6 1 Grundlagen von ANSYS Ablauf einer Finite-Elemente-Methode Berechnung Grundsätzlich läuft jede FE-Berechnung - auch der oben genannten Programme - nach dem in Tabelle 1.1 dargestellten Schema ab und ist in diese Module zerlegbar. Nach Erfassen des Problems, müssen die notwendigen Informationen für die Berechnung bereitgestellt werden, z.B. Geometrie, Materialeigenschaften, Netz der finiten Elemente und Randbedingungen (Preprocessing). Jetzt wird das Problem gelöst (Solution-Teil). Im Rahmen des Postprocessing können die Ergebnisse ausgegeben und graphisch dargestellt werden, um diese dann auswerten zu können. Preprocessing Wird in ANSYS über ’/prep7’ gestartet: Geometrierzeugung Festlegen der Materialeigenschaften Vernetzen Auflager und Lasten Solution Wird in ANSYS über ’/solu’ gestartet: Lösungsprozess U.U. aufbringen von zusätzlichen Randbedingungen Postprocessing Wird in ANSYS über ’/post1’ gestartet: Ergebnisausgabe und Darstellung Tabelle 1.1: Ablauf einer FEM- Berechnung ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 1.2 Erste Schritte mit ANSYS 7 1.2 Erste Schritte mit ANSYS Voreinstellungen und erster Programmstart Anlegen eines Arbeitsverzeichnisses. Vor dem ersten Arbeiten mit ANSYS sollte zunächst ein Arbeitsverzeichnis angelegt werden. Erstellen Sie einen neuen Ordner, zum Beispiel mit dem Namen ’AnsysWorkshop’ in dem gewählten Arbeitsverzeichnis, sowie einen Unterordner, zum Beispiel ’Uebung1’, in dem Sie dann arbeiten. Bei Datei- und Ordnernamen sollten Sonderzeichen vermieden werden. ANSYS Product Launcher. Gestarter wird ANSYS - zumindest bei erster Verwendung - über den Product Launcher. Dieser kann unter Windows über: ! 1 Start ! 2 Programme ! 3 ANSYS ! 4 Mechanical APDL Product Launcher gestartet werden (siehe Abbildung 1.1). 3 4 2 1 Abbildung 1.1: ANSYS Product Launcher starten Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 8 1 Grundlagen von ANSYS ANSYS Product Launcher konfigurieren. Hier lassen sich grundsätzliche Einstellungen zu jedem Projekt anlegen (Siehe Abbildung 1.2). Wählen Sie das zuvor angelegte Arbeitsverzeichnis als Working Directory, sowie eine Bezeichnung für die Simulation als Job Name. Ebenfalls muss die Lizenzdatei gewählt werden, hier ANSYS Academic Teaching Advanced. Außerdem lässt sich im Product Launcher der für ANSYS bereitgestellte Speicherplatz verwalten. Für unsere Zwecke kann hier zuerst das Default Memory Model verwendet werden. 1 2 3 4 Abbildung 1.2: ANSYS Product Launcher konfigurieren 1 2 3 4 Lizenz: ANSYS Academic Teaching Advanced Arbeitsverzeichnis wählen: ../AnsysWorkshop/Uebung1 Job Name festlegen, zum Beispiel: ’Beispiel1’ Mit ’RUN’ bestätigen und ANSYS starten ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 1.2 Erste Schritte mit ANSYS 9 ANSYS Benutzeroberfläche Die ANSYS Benutzeroberfläche setzt sich wie folgt zusammen (vgl. Abbildung 1.3): 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Enthält graphische Schalter für ANSYS -Befehle. Enthält Schnellschalter für häufig benutzte Befehle. Hier können auch eigene Befehlsfolgen hinzugefügt werden. Main Menu: Enthält nach Prozessoren geordnete primäre Befehle. PREPROCESSOR, SOLUTION, GENERAL POSTPROC, etc. Statuszeile: Aktuelle Informationen zum Status und Stand der Analyse. Output- Fenster: Dieses wird direkt beim Start von ANSYS geöffnet. Beim Schließen dieses Fensters wird ANSYS beendet. Im Fenster wird angezeigt: - Alle eingegebenen Befehle - Warnungen und Fehlermeldungen - Informationen zum Modell in der Lösungsphase Um Fehlermeldungen im Blick zu haben, bietet es sich an, es einige Zeilen groß auf dem Bildschirm sichtbar zu haben. Utility Menu: Enthält programmsteuernde Befehle: Graphiksteuerung, Parameter, Selektieren. Eingabe Zeile: Eingabefeld für direkt Befehle (per Tastatur einzugeben). Graphik Fenster: Graphische Darstellung von Ergebnissen. Darstellungsleiste: Enthält Einstellungsmöglichkeiten für die Darstellung im Graphik Fenster. Standard- Toolbar: ANSYS- Toolbar: 1 6 2 7 3 8 9 4 5 Abbildung 1.3: ANSYS Benutzeroberfläche Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 10 1 Grundlagen von ANSYS ANSYS Datenbasis und Dateien Einerseits erzeugt ANSYS automatisch einige Dateien, andererseits lassen sich verschiedene Dateien erzeugen, die später verwendet werden können. Nachfolgend eine kompakte Zusammenstellung: jobname.db: Enthält die gesamte Datenbasis des Modells, die sich aktuell im Hauptspeicher befindet. !Save as Jobname.db jobname.cdb: Alle Informationen der Datenbasis bis auf die Geometriedaten jobname.igs: Nur die Geometriedaten der Datenbasis jobname.rxx: enthält die Ergebnisse einer Strukturanalyse. Bei anderen Berechnungsarten werden andere Endungen verwendet jobname.log: Datenbasiserzeugung, d.h. beinhaltet alle Kommandos jobname.err: Alle Fehlermeldungen jobname.out: Inhalte des Output-Fensters jobname.rst Zu beachten ist bei allen Dateien, dass diese aufwärtskompatibel sind, jedoch nicht abwärtskompatibel. Löschen der Datenbasis und Einlesen einer Textdatei. Wie in Abbildung 1.4 beschrieben, kann die Datenbasis über Utility Menu !File ! 1 Clear & Start New gelöscht werden. Hiermit wird gleichzeitig eine neue Berechnung gestartet. Eine Textdatei kann über Utility Menu !File ! 2 Read Input from eingelesen werden (siehe ebenfalls Abbildung 1.4). 1 2 Abbildung 1.4: Löschen der Datenbasis und Einlesen einer Textdatei ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 1.2 Erste Schritte mit ANSYS 11 1 Clear & Start New Löscht die Datenbasis und startet eine neue Berechnung; in APDL: /clear,start 2 Read Input from liest neue Datei ein Session Editor. Für den späteren praktischen Umgang mit ANSYS ist der Session Editor oft sehr praktisch. Wird die graphische Oberfläche verwendet, erzeugt ANSYS alle Befehle im Hintergrund. Diese so erzeugte Befehlsfolge wird im Session Editor gespeichert und kann nachträglich angezeigt werden. So können unbekannte Befehle gefunden und später verwendet werden. Der Session Editor kann im Main Menu aufgerufen werden. Abbildung 1.5: Session Editor Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 12 1 Grundlagen von ANSYS 1.3 Hinweise zur Handhabung Wurde beim Start von ANSYS kein Standardverzeichnis festgelegt, sollten direkt Jobname, Directory und Title kontrolliert werden und ggf. wie gewünscht gesetzt werden. Dies kann recht einfach über die graphische Oberfläche erfolgen: !Standard-Toolbar !file !Change Jobname... oder Change Directory... oder Change Title... Erstellen einer Textdatei. Öffnen Sie den Editor ihres Betriebssystems (Programme !Zubehör !Editor). Speichern Sie die neue Datei in Ihrem Arbeitsverzeichnis (Uebung1) unter ’Name’.txt. Zwischenspeichern. Hier sei kurz darauf aufmerksam gemacht, dass ANSYS über keinen Undo-Button verfügt. Von daher ist es sinnvoll, an geeigneten Stellen die aktuellen Daten zu speichern. Oft bieten sich hierzu unterschiedliche Arbeitsstände - zumindest für einen Zeitraum - an, z.B. nach Abschluss der Geometrieerzeugung, nach dem Vernetzen, vor dem Lösen sowie das gelöste Modell. Hierbei wird standardmäßig eine Jobname.db erzeugt. Gespeichert werden kann über die ANSYS Benutzeroberfläche: !Standard-Toolbar !file !Save as Jobname.db oder Save as... Befehlseingabe. Die Befehlseingabe ist bei ANSYS auf verschiedene Arten möglich. Hier im Skript werden im Wesentlichen drei Möglichkeiten vorgestellt: Eingabe über die Kommandozeile Einlesen einer Eingabe-Datei Über die graphische Oberfläche; hier wird im Hintergrund ein identischer Befehl erzeugt. Egal auf welche Weise gesteuert wird, ANSYS arbeitet mit Kommandos, die direkt eingegeben oder im Hintergrund erzeugt werden. Diese werden in der ANSYS - Kommandosprache APDL (ANSYS Programming Design Language) erzeugt. In diesem Skript wird besonderer Wert darauf gelegt, dass die Kommandos direkt in APDL erlernt werden. Eingabekonventionen. Werden Befehle direkt über die Kommandozeile oder in eine Eingabe-Datei geschrieben, sind hierbei einige Konventionen zu beachten: Die Eingabe der Befehle ist case-insensitiv, d.h. es besteht keine Unterscheidung zwischen Groß- und Kleinschreibung. Dies kann jedoch gut dazu genutzt werden die Eingabe-Datei zu strukturieren, z.B. alle Befehle klein und alle Variablen groß. Es ist klar zwischen Punkt und Komma zu unterscheiden. Punkte werden bei Zahlen zur Trennung des Vor- und Nachkommabereiches benutzt; Kommata stehen in Befehlen zur Trennung der Eingabeparameter und Befehlsoptionen. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 1.3 Hinweise zur Handhabung 13 Zahlen können im wissenschaftlichen Format eingegeben werden, d.h. die Eingabe von ZehnerPotenzen erfolgt in der Art (Zahl)*10**(Potenz) oder in der Art (Zahl)E(Potenz). Beispiel: 5.87E03 und 5.87*10**3 stehen für 5; 87 103 . Zeilen, die mit einem ! beginnen werden nicht eingelesen, d.h. es handelt sich um Kommentarzeilen. Wird im Laufe einer Zeile ein ! gesetzt, so ist der Text danach ebenfalls Kommentar. Wird ein Befehl nicht vollständig ausgeschrieben, bzw. Materialparameter nicht komplett definiert, werden oft automatisch Default-Werte angenommen. Dies ist oft recht praktisch, da die Eingabe kürzer wird, birgt aber die Gefahr, dass der Wert ungewollt auf einen voreingestellten Wert gesetzt wird. Einheiten. Bei der klassischen ANSYS Anwendung werden keine Einheiten definiert, d.h. es ist eine konsistente Verwendung der Einheiten erforderlich. Z.B. Eingabe in [N] und [m] liefert Ergebnisse u.a. auch in ŒN=m2 . Beispiele sind in Tabelle 1.2 gegeben. Länge Zeit Masse Kraft E-Mod. Stahl Dichte Stahl Fließ-Sp. Stahl Erdbeschl. Œm Œmm Œmm Œs Œs Œms Œkg Œt Œkg ŒN ŒN ŒkN 2 2 210E9 ŒN=m 210E3 ŒN=mm 210 ŒkN=mm2 7.9E3 Œkg=m3 7.9E-9 Œt =mm3 7.9E-6 Œkg=mm3 200E6 ŒN=m2 200 ŒN=mm2 0.2 ŒkN=mm2 9.81 Œm=s 2 9.81E3 Œmm=s 2 9.81E-3 Œmm=ms 2 Tabelle 1.2: konsistente Einheiten Hilfe Funktion: ANSYS verfügt über eine ausführliche Hilfe Funktion. Diese kann auf verschiedene Arten aufgerufen werden. Ist der Befehl bekannt, kann direkt die Befehlszeile verwendet werden. SYNTAX: help, Befehl Alternativ kann die ANSYS Hilfe über die Benutzeroberfläche: !Utility Menu !Help !Help Topics aufgerufen werden. ANSYS - Tutorials die vom Herstellers bereitgestellt werden und nach der Installation der Software zur Verfügung stehen, finden sich über die ANSYS Benutzeroberfläche unter: !Utility Menu !Help ! ANSYS Tutorials Im ANSYS Verification Manual finden sich viele Beispiele, zu denen zum einen die Eingabe-Datei zur Verfügung steht und zum anderen eine wissenschaftliche Referenz angegeben ist. Hier sind veröffentliche Beispiele mit ANSYS zum Vergleich berechnet worden. Über ANSYS Benutzeroberfläche: !Utility Menu !Help !Contents !ANSYS Help System !Mechanical APDL !Verification Manual for the Mechanical APDL Apl. Befindet man sich auf der Hilfe-Seite zu einem Befehl, sind in der oberen rechten Ecke Verknüpfungen zu verwandten Befehlen. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 Kapitel 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle Die hier zusammengestellten Beispiele sind so ausgerichtet, dass diese in einer Arbeitseinheit von 90 Minuten bearbeitet werden können. Hierbei ist die erste Problemstellung jeweils als vorgestelltes Beispiel zu sehen, die nachfolgenden als Übungsbeispiele. Die Einheiten bauen systematisch aufeinander auf. 2.1 Grundlagen der direkten Generierung In diesen einführenden Beispielen werden bewusst nur die wirklich grundlegenden FE-Größen zur Durchführung einer Finite-Elemente-Berechnung erzeugt, ohne vorherige Geometrieerstellung. Man spricht daher von direkter Generierung. Diese Methode ist für kleinere Proberechnungen, die mit einer exakten Elementgeometrie gerechnet werden sollen, oder Teile einer größeren Geometrie, die exakt vernetzt werden sollen, oft sehr hilfreich. Später eingeführte Geometriegrößen dienen nur als ’Hilfsgrößen’ zur Vorbereitung der FE-Berechnung. Auch auf Geometriegrößen aufgebrachte Randbedingungen werden ’intern’ - für den Anwender nicht sichtbar - auf die angrenzenden Knoten ’umgelegt’. Daher werden in diesem Abschnitt die Randbedingungen auch direkt auf die Knoten aufgebracht. Knoten. Diese können auf ganz unterschiedliche Weise erzeugt werden. In diesem Abschnitt wird jedoch jeder Knoten direkt mit dem Befehl n erzeugt. Hierbei ordnet man dem Knoten manuell eine Knotennummer zu. Beim automatischem Vernetzen sind die Knotennummern in der Regel nicht bekannt. Ein Knoten bekommt die Freiheitsgrade der angrenzenden Elemente. Elemente entstehen zwischen Knoten. Hierbei wird durch den Befehl et neben dem Elementtyp auch die Elementtypnummer und ggf. weitere elementabhängige Key-Options definiert. Die Elementtypnummer wird benötigt, wenn mehrere Elementtypen verwendet werden (siehe Pointer). In diesem Abschnitt werden die Elemente direkt über den Befehl e, mit Hilfe der zuvor festgelegten Knotennummern, erzeugt. Alle Elemente erhalten automatisch eine Nummer. Werden Elemente erzeugt, geschieht dies mit dem aktiven Elementtyp (et), den aktiven Material (mat) und oft auch mit dem aktiven ’Real-Constant-Set’ (r). Wird nur ein Elementtyp, Material und ’Real-Constant-Set’ erzeugt, ist dieses automatisch aktiv. 16 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle Real-Constant-Set. Jeder Elementtyp benötigt einen bestimmten Satz an Konstanten. Es ist möglich verschiedene ’RealConstant-Sets’ für ein Element zu definieren, die dann entsprechend beim Vernetzen zu aktivieren sind. Besondere Aufmerksamkeit ist geboten, wenn verschiedene Elementtypen verwendet werden, es kann ohne Probleme von Seiten des Programms ein ’Real-Constant-Set’ für einen anderen Elementtyp verwendet werden. Elementtyp (et). Zur Behandlung unterschiedlicher Probleme werden entsprechende Vereinfachungen in der Modellbildung getroffen. Zum Beispiel werden lange stabförmige Gebilde oft als Fachwerkstäbe oder Balken vereinfacht. Dies spiegelt sich ebenfalls bei der Auswahl des Elementtyps wieder. In Tabelle 2.1 findet sich eine kleine Übersicht der im Kurs verwendeten Elementtypen zur Behandlung von Problemen in der Strukturmechanik. Bei der späteren Anwendung sollen bevorzugt die Elemente 18x verwendet werden, da diese auf überarbeiteten Elementtheorien basieren. Einige Beispiele für verschiedene Elementtypen befinden sich in Tabelle 2.1. Eine komplette Übersicht findet sich in der ANSYS -Hilfe unter: Contents !Mechanical APDL !Element Reference !Element Library. link1 beam3 2D Fachwerkelement Freiheitsgrade: ux , uy , 2D Balkenelement Freiheitsgrade: ux , uy , 'z combin14 1D, 2D oder 3D Feder und Dämpfer Freiheitsgrade je nach Verwendung mass21 3D Massenelement Freiheitsgrade je nach Verwendung plane42 2D Scheibenelement Freiheitsgrade: ux , uy , shell63 3D Schalenelement Freiheitsgrade: ux , uy , uz , 'x 'y 'z solid45 3D Volumenelement Freiheitsgrade: ux , uy , uz Tabelle 2.1: Beispiele für verschiedene Elementtypen Material (mat). Strukturen bestehen aus unterschiedlichen Materialien die entsprechend definiert werden müssen. Ein definiertes Material kann mit unterschiedlichen Elementtypen verwendet werden. In diesem Abschnitt werden zuerst nur die benötigten Eigenschaften, d.h. E-Modul und Querkontraktion, definiert. Später kommen weitere Eigenschaften, wie z.B. nichtlineares Materialverhalten oder thermische Eigenschaften hinzu. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 2.1 Grundlagen der direkten Generierung 17 Randbedingungen. Kräfte wie auch Verschiebungsrandbedingungen werden intern immer auf die beteiligten Knoten aufgebracht. Da in diesen ersten Beispielen nur FE-Größen erzeugt werden, werden Kräfte direkt mit dem Befehl f und Verschiebungen direkt mit dem Befehl d aufgebracht. Werden später Geometriegrößen hierzu verwendet, können direkt auf die FE-Größen aufgebrachte Randbedingungen überschrieben werden. Gelenke und Freiheitsgrade koppeln und entkoppeln Bei Elementen, die über einen gemeinsamen Knoten definiert sind, sind ’automatisch’ alle gemeinsamen Freiheitsgrade gekoppelt. Wie kann nun ein Freiheitsgrad, z.B. für ein Gelenk, entkoppelt werden? Hierzu müssen an der betreffenden Stelle zwei Knoten erzeugt werden, wobei ein Element mit einem Knoten verbunden wird und das zweite Element mit dem zweiten Knoten. Jetzt müssen die an diesem Knoten gekoppelten Freiheitsgrade verbunden werden. Dies kann z.B. durch den cp-Befehl erreicht werden. 2.1.1 Lineare Lösungen Für lineare Berechnungen besteht der Lösungsteil oft nur aus dem Befehl solve, der dann das erzeugte Gleichungssystem löst. etable Der Befehl etable definiert eine Tabelle mit Werten pro Element (element table) für die Nutzung im weiteren Processing. Die Zeilen dieser Tabelle repräsentieren die Elemente und in den Spalten werden die durch den Befehl abgefragten Ergebnisse hinterlegt. Jede Spalte mit Daten bekommt ein benutzerdefinierte Bezeichnung (Label), um später darauf zugreifen zu können. 2.1.2 Beispiel Halbrahmen unter Einzellast Die in Abbildung 2.1 gezeigte Struktur soll mit ANSYS berechnet werden. Hierzu sollen direkt, wie angegeben, pro Balken je zwei Elemente erzeugt werden, d.h. der Vernetzung sollen keine Geometriegrößen zu Grunde liegen. a FN ˛ b Abbildung 2.1: Beispiel direkte Generierung 2D-Struktur Da es sich hier um ein ebenes Problem handelt, können beam3-Elemente verwendet werden. Ferner sollen folgende Angaben gelten: Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 18 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle Tabelle 2.2: Angaben zur Abbildung 2.1 a b E A 3.0 Œm 2.0 Œm 210.0 kN=mm2 0.3 Œ 50.0 cm2 h FN Iy ˛ 10.0 Œcm 5ŒkN 3500.0 cm4 30ı Im folgenden wird der Quellcode zum Halbrahmen unter Einzellast angegeben. 1 2 3 4 5 6 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 1L ! Direkten Generierung einer 1D-Struktur ! Steffen Gerke, September 2008 ! Einheiten: m, s, kg, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 7 8 9 10 11 12 15 16 17 18 19 22 23 24 27 28 29 30 31 mp, prxy, 1, 0.3 ! Profileigenschaften r, 1, 5.0E-3, 35.0E-6, 0.1 ! Erzeugen der Elemente e, 1, 2 e, 2, 3 e, 3, 4 e, 4, 5 33 34 35 36 37 38 ! Erzeugen der Knoten n, 1, 0.0, 2.0 n, 2, 1.5, 2.0 n, 3, 3.0, 2.0 n, 4, 3.0, 1.0 n, 5, 3.0, 0.0 20 21 26 32 ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start ! Starten Preprozessor /prep7 13 14 25 39 40 ! Verschiebungsrandbedingungen d, 1, all d, 5, uy, 0 ! d, 5, rotz, 0 ! Kräfterandbedingungen f, 3, fx, -cos(3.1416/6)*5.0E3 f, 3, fy, -sin(3.1416/6)*5.0E3 41 42 43 44 ! Beenden Preproc. und starten Lösungsteil finish /solu 45 ! Elementtyp et,1,3 ! Materialeigenschaften mp, ex, 1, 210.0E9 46 47 48 ! Lösen solve finish Im Bild 2.2 sind die Ergebnisse der FE-Berechnung graphisch dargestellt. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 2.1 Grundlagen der direkten Generierung 19 Y Z Y X Z X -4330 -3923 -4127 (a) Verschiebungsverlauf -3110 -3313 -2703 -2907 -2500 (b) Normalkraftverlauf Y Z -3517 -3720 Y X Z X -.003889 -.003025 -.00216 -.001296 -.432E-03 -.003457 -.002593 -.001728 -.864E-03 .333E-15 -.011667 -.009074 -.006481 -.003889 -.001296 -.01037 -.007778 -.005185 -.002593 .153E-15 (c) Querkraftverlauf (d) Momentenverlauf Abbildung 2.2: Ergebnisse der FE-Berechnung Die beam3-Elemente haben kubische Ansatzfunktionen und daher ist der Verschiebungsverlauf kubisch im Element. Die erste Ableitung der Verschiebungsfunktion ist die Verdrehung und diese ist hier quadratisch im Element. Die zweite Ableitung der Verschiebungfunktion ist dann das Moment und somit ist dieser im Element linear. Und schließlich erhält man die Querkraft als die dritte Ableitung der Verschiebungsfunktion, die konstant im Element ist. Hiermit sind die Abweichungen der FE-Ergebnisse von denen der analytischen Lösung zu erklären. Die Tabelle 2.3 enthält die Informationen über die Diskretisierung des Modells. Elementnummer Anfangsknoten Endknoten 1 2 3 4 1 2 3 4 2 3 4 5 Tabelle 2.3: Diskretisierung Diese Informationen können mit dem Befehl elist ausgegeben werden. Die entsprechenden Knotenkoordinaten sind in der Tabelle 2.4 angegeben und können mit dem Befehel nlist angezeigt werden. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 20 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle Knotennummer x Koordinate y Koordinate 1 2 3 4 5 0.0000 1.5000 3.0000 3.0000 3.0000 2.0000 2.0000 2.0000 1.0000 0.0000 Tabelle 2.4: Diskretisierung Um genauere Ergebnisse zu erhalten, sollte das FE-Netz verfeinert werden, das heißt, die Anzahl der Elemente sollte vergrößert werden. Die nachfolgende Eingabedatei kann dazu verwendet werden, die Schnittgrößen einer 1D-Struktur bei Verwendung von beam3-Elementen auszugeben. 1 2 15 16 3 4 5 6 7 8 9 10 17 ! Schreiben Elementergebnisse in Tabelle etable,ni,smisc,1 etable,nj,smisc,7 etable,vi,smisc,2 etable,vj,smisc,8 etable,moi,smisc,6 etable,moj,smisc,12 18 13 ! Allgemeine plot-Optionen gplot 19 20 21 ! Ausgabe der Verformung, N,Q und M-Linien /gcmd,1,pldisp,1 /gcmd,3,plls,ni,nj /gcmd,2,plls,vi,vj /gcmd,4,plls,moi,moj /replot 22 23 24 11 12 /wind,1,ltop /wind,2,rtop /wind,3,lbot /wind,4,rbot 14 Quellcode ! Starten Postprocessor /post1 25 ! Definieren Fenster für Ergebnisausgabe /wind,all,off 26 27 2.1.3 Beispiel Halbrahmen unter Streckenlast Die beiden in Abbildung 2.3 dargestellten Systeme sollen mit den Angaben in Tabelle 2.5 gelöst werden. Hierbei soll wie in der Beispielaufgabe auch, direkt generiert werden und es können ebenfalls beam3Elemente verwendet werden. Zu beachten ist, dass die rechte Aufgabe ein Momentengelenk enthält. qN a qN a b b Abbildung 2.3: Uebung direkte Generierung 2D-Struktur ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 2.1 Grundlagen der direkten Generierung 21 Tabelle 2.5: Angaben zur Abbildung 2.3 a b E 6.0 Œm 3.0 Œm 75.0 kN=mm2 0.2 Œ Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS qN Iy h A 1ŒkN=m 8900.0 cm4 15.0 Œcm 78.0 cm2 ˇ -Version vom 10. April 2013 22 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle 2.2 Verschiedene Elementtypen, Materialien und Real Constants Pointer. Sind mehrere Elementtypen, Materialdaten oder ’Real-Constant-Sets’ definiert, müssen über den Pointer die entsprechenden Daten aktiviert werden, da die nachfolgend definierten Elemente die aktiven Werte zugewiesen bekommen. Der ANSYS - Befehl: mat, Materialnummer setzt den Materialpointer. Die nachfolgend definierten Elemente besitzen die unter Materialnummer hinterlegten Materialeigenschaften. Analog setzen type,Elementtypnummer und real,NSET den Pointer für den Elementtyp bzw. das ’Real-Constant-Set’(NSET=Nummer des ’Real-Constant-Sets’). Key-Options. Mit den Key-Options der Elemente lassen sich elementabhängig verschiedene Optionen definieren. Zum Beispiel kann für das 2D Scheibenelement plane182 der ebene Spannungszustand (ESZ) oder der ebene Verzerrungszustand (EVZ) angenommen werden, indem die Key-Option drei zu null bzw. zwei gesetzt wird. Die Einstellungen der Key-Options können mit der Bestimmung des Elementtyps oder nachträglich über keyopt festgelegt werden. 2.2.1 Parametrisierung Parameter sind vom Benutzer definierte Variablen. Jeder Parameter kann numerische oder alphanumerische Werte (character) annehmen. Ist einem Parameter ein numerischer Wert zugeordnet, kann dieser auch in ANSYS -Befehlen verwendet werden. Die Ausführung des Befehls erfolgt dann mit dem hinterlegten Wert. Die Zuweisung von Werten kann über *set, *get, oder intuitiv über „Parameter“=„Wert“ erfolgen. Hier sei kurz erwähnt, dass ebenfalls die Möglichkeit besteht Indexgrössen wie Tabellen und Matrizen zu definieren (*dim). Bei der Benennung der Parameter sind einige Einschränkungen zu beachten: Der Name muss mit einem Buchstaben beginnen Kann Buchstaben Zahlen und Unterstriche enthalten Darf nicht mehr als 8 zeichen besitzen Parameternamen, die mit von ANSYS verwendeten Bezeichnungen oder Befehlen sowie deren Kurzformen übereinstimmen sollten nicht vergeben werden. – z.B. Bezeichnungen von Freiheitsgraden: ux, uy, rotz – Datentypbezeichungen: char array – Befehle: elist, aplot ARG1-ARG9 und AR10-AR29 sind für lokale Paramter reserviert, die ANSYS in Makros nutzt Name ansonsten beliebig Parametrische Ausdrücke enthalten grundlegende mathematische Operationen zwischen Parametern und Zahlen (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Potenzrechnung). ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 2.2 Verschiedene Elementtypen, Materialien und Real Constants 23 Parametrische Funktionen sind zur Verfügung gestellte Folgen von mathematische Operationen, wie den trigonometrtischen Funktionen sin(x), cos(x), tan(x) oder die Berechnung der Quadratwurzen sqrt(x). 2.2.2 Zugscheibe aus Bimaterial Die Geometrie und Randbedingungen des Modells sind im Bild 2.4 dargestellt. Die Struktur hat die Länge b D 10 und die Höhe a D 5. Es wird ein linear isotropes Materialverhalten mit E1 D 210000, E2 D 21000 und D 0:3 angenommen. Die Last beträgt F D 25. Das Modell soll direkt generiert werden. F E2 2F a E1 F b Abbildung 2.4: Zugscheibe aus zwei Materialien 1 2 3 4 5 6 Quellcode !-------------------------------------------! 1N ! Zugscheibe aus Bimaterial ! Direkte Generierung ! Nikolai Gerzen Oktober 2008 !-------------------------------------------- 7 8 9 12 15 16 19 22 !Querkontraktion Material 1 !Querkontraktion Material 2 LNGX=10 LNGY=5 !Länge in X-Richtung !Länge in Y-Richtung LASTF=25 !Last F 29 !-------------------------------------------- 32 33 43 45 46 ! Elementtyp festlegen (Scheibenelement) et,1,182 ! Elementeigenschaften verändern ! Ebener Verzerrungszustand wird angenommen keyopt,1,3,2 48 49 50 ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE1 mp,prxy,1,MYNU1 52 53 mp,ex,2,MYE2 mp,prxy,2,MYNU2 55 56 58 ! Materialgebiet 1 vernetzen ! Material 1 aktiv schalten mat,1 60 61 ! Preprozessor starten /prep7 30 31 42 59 27 28 40 57 25 26 39 54 23 24 38 51 MYNU1=0.3 MYNU2=0.3 20 21 37 47 ! Eigene Parameter definieren MYE1=210000 !E-Modul Material 1 MYE2=21000 !E-Modul Material 2 17 18 36 n,3,LNGX,0 n,4,0,0.5*LNGY n,5,0.5*LNGX,0.5*LNGY n,6,LNGX,0.5*LNGY n,7,0,LNGY n,8,0.5*LNGX,LNGY n,9,LNGX,LNGY 44 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 13 14 35 41 ! Aktuellen Prozess beenden finish 10 11 34 62 63 ! Elemente direkt erzeugen e,1,2,5,4 e,2,3,6,5 64 ! Knoten erzeugen n,1,0,0 n,2,0.5*LNGX,0 65 66 ! Material 2 aktiv schalten mat,2 67 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 24 68 69 70 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle ! Elemente direkt erzeugen e,4,5,8,7 e,5,6,9,8 85 86 71 72 75 76 77 88 80 81 82 ! Lösungsteil starten /solu 89 ! Verschiebungsrandbedingungen berüksichtigen d,1,all,0 d,4,ux,0 d,7,ux,0 78 79 !-------------------------------------------- 87 ! Randbedingungen berüksichtigen 73 74 ! Preprozessor beenden finish 84 90 91 ! System lösen solve 92 93 94 ! Kräfte aufbringen f,3,fx,LASTF f,6,fx,LASTF*2 f,9,fx,LASTF ! Lösungsteil beenden finish 95 96 97 !-------------------------------------------- 98 83 Die Ergebnisse der FE-Berechnung sind im Bild 2.5 dargestellt. Die Verschiebungen können mit dem Befehl plnsol,u,sum und die Spannungen mit dem Befehl plnsol,s,x ausgegeben werden. Y Z Y X Z 0 .002095 .001048 .00419 .003143 .006286 .005238 .008381 .007333 (a) Summe der Verschiebungen X 7.795 .009428 15.635 11.715 23.474 19.554 31.313 27.394 39.153 35.233 43.073 (b) Spannungen in x Richtung Abbildung 2.5: Ergebnisse der FE-Berechnung (bezogen auf die Knoten) Man sieht, dass das Material im Obergurt deutlich weicher ist als im Untergurt. Dementsprechend sind auch die Spannungen in x Richtung in dem Untergurt viel größer als im Obergurt. Man stellt fest, dass die Scheibe sich trotz der Belastung in x Richtung auch in der y Richtung verformt. Mit feinerer Vernetzung würde man auch hier genauere Ergebnisse erzielen. 2.2.3 Scheibe mit Kragarm Das in der Abbildung 2.6 dargestellte System soll berechnet werden. Für die Modellierung sollen plane182 und beam3 Elemente verwendet werden. Eine ANSYS -Eingabedatei soll geschrieben werden. Dabei soll beachtet werden, dass die plane182-Elemente zwei Verschiebungsfreiheitsgrade und die beam3-Elemente zusätzlich noch einen Rotationsfreiheitsgrad haben (siehe hierzu die Elementdokumentation). ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 2.2 Verschiedene Elementtypen, Materialien und Real Constants plane182 25 beam3 F a b b Abbildung 2.6: Kragarm mit mehreren Elementtypen Ein besonderer Aspekt bei dieser Aufgabe ist, dass die Scheibe eine vorgeschriebene Dicke t haben soll. In der Elementdokumentation soll eine Möglichkeit die Dicke zu berücksichtigen gefunden werden. Die Parameter in der Tabelle 2.6 sollen bei der Lösung der Aufgabe verwendet werden. E-Modul Querkontraktion Länge Länge Dicke der Scheibe E D 21000 D 0:3 a D 100 b D 50 t D 0:5 Querschnittsfläche Stab Trägheitsmoment Stab Querschnittshöhe Stab Last A D 40 I D 3060 h D 22 F D 100 Tabelle 2.6: Berechnungsparameter für das FE-Modell 1 2 3 4 5 6 7 8 Quellcode !-------------------------------------------! 2N ! Kombination Scheiben- und Balkenelemente ! Beam3, PLANE182 ! Direkte Generierung ! Kopplung der Freiheitsgrade ! Nikolai Gerzen Oktober 2008 !-------------------------------------------- 9 10 11 14 17 18 19 20 21 22 LNGX1=100 LNGX2=100 LNGY=50 !Länge 1 in X-Richtung !Länge 2 in X-Richtung !Länge in Y-Richtung LASTF=100 !Last F 27 28 29 ASTAB=40 ISTAB=3060 HSTAB=22 DICKE=0.5 !Fläche des Stabes !Trägheitsmoment des Stb. !Höhe des Stabes !Dicke der Scheibe 39 40 41 43 44 ! Knoten erzeugen n,1,0,0 n,2,0.5*LNGX1,0 n,3,LNGX1,0 n,4,0,0.5*LNGY n,5,0.5*LNGX1,0.5*LNGY n,6,LNGX1,0.5*LNGY n,7,0,LNGY n,8,0.5*LNGX1,LNGY n,9,LNGX1,LNGY 46 47 49 n,10,LNGX1,0.5*LNGY n,11,(LNGX1+0.5*LNGX2),0.5*LNGY n,12,(LNGX1+LNGX2),0.5*LNGY 50 51 53 54 !-------------- 57 ! Elementeigenschaften verändern ! Ebener Spannungszustand wird angenommen keyopt,1,3,3 59 60 61 ! Elementkonstanten übergeben r,1,DICKE 62 63 !-------------------------------------------- ! Elementtyp festlegen (Scheibenelement) et,1,182 55 58 30 31 38 56 25 26 37 52 23 24 36 48 ! Eigene Parameter definieren MYE=21000 !E-Modul Material MYNU=0.3 !Querkontraktion Mat. 1 ! Preprozessor starten /prep7 35 45 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 15 16 34 42 ! Aktuellen Prozess beenden finish 12 13 33 !-------------- 64 32 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 26 65 66 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle ! Elementtyp festlegen (Balkenelement) et,2,3 67 68 69 101 ! Elementkonstanten übergeben r,2,ASTAB,ISTAB,HSTAB,0 70 71 74 75 78 81 84 85 86 87 ! Elementtyp 1 aktiv schalten type,1 90 93 96 97 109 111 ! Freiheitsgrade koppeln (Scheibe-Balken) cp,1,ux,6,10 !Verschiebungen x-Richtung cp,2,uy,6,10 !Verschiebungen y-Richtung 112 114 115 117 118 HW1=-1/LNGY !Hilfswert 1 HW2=1/LNGY !Hilfswert 2 ce,3,0,3,ux,HW1,9,ux,HW2,10,rotz,1 120 123 ! Lösungsteil starten /solu 124 126 ! System lösen solve 127 128 ! Elemente direkt erzeugen e,10,11 e,11,12 !-------------------------------------------- 121 125 ! Elementkonstantenset 2 aktiv schalten real,2 ! Preprozessor beenden finish 119 122 ! Elementtyp 2 aktiv schalten type,2 94 95 ! Kräfte aufbringen f,12,fy,-LASTF 116 ! Scheibenelemente direkt erzeugen e,1,2,5,4 e,2,3,6,5 e,4,5,8,7 e,5,6,9,8 91 92 ! Verschiebungsrandbedingungen berüksichtigen d,1,all,0 d,4,all,0 d,7,all,0 108 113 ! Elementkonstantenset 1 aktiv schalten real,1 88 89 107 110 82 83 103 106 ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE mp,prxy,1,MYNU 79 80 ! Randbedingungen berüksichtigen 105 76 77 102 104 !-------------- 72 73 99 100 129 ! Lösungsteil beenden finish 130 131 !-------------------------------------------- 98 Im Bild 2.7 ist die deformierte Struktur dargestellt. Diese kann mit Hilfe des Befehls pldisp,1 ausgegeben werden. Y Z X Abbildung 2.7: Deformierte Struktur Man stellt fest, dass der rechte Winkel zwischen der rechten Seite der Scheibe und den Balkenelementen bei der Deformation erhalten bleibt. Das heißt, dass die Bedingung, die an die Freiheitsgrade der Elemente gestellt wurde, erfüllt ist. 2.2.4 Kragarm aus Bimaterial und Fachwerk-Auskragung Der im Bild 2.8 dargestelltes Kragarm soll Modelliert werden. Die Längen von a D 5 und b D 6 sind vorgegeben. Die Materialeigenschaften, wie die E-Moduli E1 D 190000, E2 D 18000 und die Quer- ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 2.2 Verschiedene Elementtypen, Materialien und Real Constants 27 kontraktionszahl D 0:3 sind ebenfalls vorgegeben. Die Einzellast wird mit F D 50 angenommen. Die Querschnittsfäche der Stäbe beträgt A D 50. a a a F b=2 b=2 plane182 E1 link180 E2 Abbildung 2.8: Kragarm (Bimaterial / mehrere Elementtypen) Im Vorfeld soll geprüft werden ob die Elementfreiheitsgrade zu einander kompatibel sind (siehe hierzu die Elementdokumentation). Bei der Lösung der Aufgabe soll wie folgt vorgegangen werden: Schreiben Sie eine ANSYS -Eingabedatei, die im Kopf alle erforderlichen Parameter enthält. Erzeugen Sie die notwendigen Knoten des Systems. Definieren Sie die geforderten Elementtypen und Materialeigenschaften Vernetzen Sie das Modell. Aktivieren Sie vorher die entsprechenden Materialeigenschaften und Elementtypen. Verwenden Sie hierzu die ANSYS -Befehle mat und type. Bringen Sie die Verschiebungs- und Kräfterandbedingungen auf. Lösen Sie das System. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 28 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle 2.3 Elementformulierungen 2.3.1 Cook’s Membrane Materialien deren Querkontraktionszahl nahe 0:5 ist, werden als ’Inkompressible Materialien’ bezeichnet. Dies ist dadurch begründet das der Kompressibilitätsmodul mit E KD 3.1 2/ angegeben wird. Wie man sofort sieht, gilt lim K D 1 : !0:5 Insbesondere folgt daraus, dass ein Körper mit der Querkontraktion 0:5 nicht komprimiert werden kann. Das heißt, dass das Volumen des Körpers nicht verändert werden kann. In diesem Zusammenhang sollen die ANSYS -Elemente plane42 und plane182 auf Ihre Qualität bei Inkompressibilität untersucht werden. Bei einer geschickten Wahl der Elementeigenschaften entspricht diese Untersuchung dem klassischen Vergleich von reinem Verschiebungselement und dem BN -Element. Hierzu sollen die Elementeigenschaften bei den plane42-Elementen zu keyopt(3)=2, keyopt(2)=1 und bei den plane182-Elementen zu keyopt(3)=2, keyopt(1)=0 gesetzt werden. Ein in der Literatur sehr weit verbreitetes Beispiel hierzu ist die Cook’s membrane, sie ist im Bild 2.9 dargestellt. a). b). a F F b c Abbildung 2.9: Cook’s membrane Hierbei soll die Resultierende Last F entsprechend einer Gleichstreckenlast auf die Knoten verteilt werden. Die Berechnungsparameter zu diesem Beispiel sind in der Tabelle 2.7 angegeben. a D 16 E D 70 b D 44 D 0:33= D 0:49 F D 100 c D 48 Tabelle 2.7: Berechnungsparameter für Cook’s membrane Die Cook’s membrane soll erst mit einem und dann mit vier Elementen diskretisiert werden (siehe hierzu Bild 2.9 a und b). Folgende Schritte sind durchzuführen: ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 2.3 Elementformulierungen 29 Schreiben Sie für die Cook’s membrane zwei ANSYS -Eingabedateien (Beispiel a und Beispiel b), die im Kopf alle erforderlichen Parameter enthalten. Erzeugen Sie (jeweils) die notwendigen Knoten des Systems. Definieren Sie die geforderten Elementtypen und Materialeigenschaften Vernetzen Sie das Modell. Aktivieren Sie vorher die entsprechenden Elementeigenschaften. Verwenden Sie hierzu den ANSYS -Befehl keyopt. Bringen Sie die Verschiebungs- und Kräfterandbedingungen auf. Lösen Sie das System jeweils für D 0:33 und D 0:49 und schreiben Sie sich die Verschiebung in y Richtung am Knoten rechts oben auf. Überprüfen Sie die Ergebnisse mit Hilfe der Vergleichslösung im Bild 2.10. Deuten Sie die Konvergenzkurven im Bild 2.10 Im Bild 2.10 werden die Konvergenzkurven für die Verschiebungs- und die B-bar-Methode dargestellt. Diese Konvergenzkurven wurden mit ANSYS unter Verwendung der Elemente plane42 und plane182 erstellt. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 30 2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle (a) Querkontraktion D 0:33 (b) Querkontraktion D 0:49 Abbildung 2.10: Konvergenzkurven der Vergleichslösung ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Kapitel 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle 3.1 Grundlagen der geometriebasierten oder indirekten Generierung Die geometriebasierte Erzeugung (indirekte Generierung auch Solid-Modeling) von Simulationsmodellen wird in diesem Kapitel erläutert. Dazu wird jeweils ein 1D - und 2D-Beispiel vorgestellt. Man kann sich sehr gut vorstellen, dass eine händische Eingabe einzelner Elemente und Knoten bei größeren Problemstellungen (z.B 50000 Elemente) einfach nicht möglich ist. Aus diesem Grund gibt es die sehr effiziente geometriebasierte Modellierung. Bei der indirekten Generierung wird zuerst die Geometrie des Modells, die die Kontrollpunkte (Keypoints), Linien, Flächen und Volumen enthält, erzeugt. Anschließend wird das Modell vernetzt. Beim Vernetzen werden die FE-Elemente und die FE-Knoten, die aus den vorherigen Kapiteln bekannt sind, erzeugt. Insbesondere, muss hierbei zwischen den Knoten (FE-Punkte) und den Keypoints (Geometriepunkte) unterschieden werden. Eine Verwechselung dieser Größen kann dazu führen, dass bestimmte Befehle nicht funktionieren (zum Beispiel f und fk). Eine gewisse Hierarchie der geometrischen Größen muss beachtet werden. Hierbei werden eine Linie (1D) durch die Kontrollpunkte (0D), eine Fläche (2D) durch die begrenzenden Linien und ein Volumen (3D) durch die begrenzenden Flächen definiert. So wird zum Beispiel beim löschen einer Linie das Volumen, welches diese Linie enthält, zerstört. Die Abbildung 3.1 verdeutlicht diesen Sachverhalt. Mal eben diese Linie ändern... E N V Schade... (Vorher gespeichert?) A L KP L N KP A V E Abbildung 3.1: Hierarchie des Geometriemodells (Abb. aus [5]) Da die Elemente und die Knoten bei der geometriebasierten Modellierung automatisch erzeugt werden, werden auch deren Nummern automatisch vergeben. Insbesondere hat der Anwender bei größeren 32 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle Beispielen keine Chance mehr, den Überblick über die Nummern zu behalten. Um weiterhin effizient arbeiten zu können, werden Selektionsbefehle erforderlich, die das Ansprechen von Geometrie- und FE-Größen, ohne deren Nummern zu kennen, ermöglichen. Siehe Hierzu Abschnitt 3.1.3. 3.1.1 Der *get-Befehl Beim Solid-Modeling von großen Strukturen kommt es häufig zu Fragen wie: „Welche Knotennummer hat genau dieser Knoten?“, „Wie viele Knoten hat diese Linie?“, „Wie groß ist diese Fläche?“,(...). Hierzu steht der sehr umfangreiche *get-Befehl zur Verfügung. Die meisten Größen werden, nachdem sie definiert oder berechnet wurden, in der ANSYS -Datenbank gespeichert. Nahezu alle Werte aus der Datenbank können mit dem *get-Befehl abgefragt und als Skalarparameter oder Eintrag eines benutzerdefinierten Array-Parameters ausgegeben werden. Wenn nicht anders vorgegeben arbeitet der *get-Befehl im aktiven Koordinatensystem und gibt Werte auch entsprechend aus. Die Objekte der Datenbank sind nach den Modulen geordnet, in denen sie zuerst definiert bzw. berechnet wurden. General Items sind aus jedem Modul abrufbar, wohingegen auf die Preprocessing Items zum Beispiel auch nur aus dem Preprocessor zugegriffen werden kann. Eine Übersicht dieser Ordnung findet sich in Tabelle 3.1. Objekt Abrufbarkeit General Items aus jedem Modul Preprocessing Items aus dem Preprocessor Solution Items aus dem Solution-Teil Postprocessing Items aus dem Postprocessor Tabelle 3.1: Ordnung der Objekte nach Modulen Den *get-Befehl nutzen Benötigt man nun Informationen, die mit Hilfe des *get-Befehls ausgegeben werden sollen, findet sich alles Nötige in der Hilfe: Utility Menu !Help !Help Topics !Contents !Mechanical APDL !Command Reference !VIII. G Commands !*get Nach Erläuterungen zu den einzelnen Argumenten des Befehls und allgemeinen Erklärungen folgt eine nach den Modulen geordnete Übersicht. Um den richtigen Syntax des gesuchten Kommandos zu finden, kann man hier zielgerichtet suchen. Beispiel. In Abschnitt 3.3.1 werden die Schwerpunktkoordinaten des gegebenen Dreiecks bei der Geometrieerzeugung im Preprocessor gesucht. Der Befehl asum berechnet von ausgewählten Flächen geometrische Daten. Hierzu gehören unter anderem der Flächeninhalt, Schwerpunktkoordinaten und das Flächenträgheitsmoment. Diese Daten sind jetzt in der Datenbank gespeichert und sollen mit dem *get-Befehl den Skalarparametern YS und XS zugeordnet werden. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.1 Grundlagen der geometriebasierten oder indirekten Generierung 33 Es wird nun die Hilfe zum *get-Befehl benötigt (siehe oben). In der Übersicht der Preprocessing Items befindet sich - da die Geometrieerzeugung im Preprocessor stattfindet - ein Eintrag zu Flächen (Area). Über der zugehörigen Tabelle ist der eindeutige Syntax des Befehls mit den Befehlsparametern aufgelistet: *GET, Par, Area, 0, Item1, IT1NUM, Item2, IT2NUM. Der Tabelle sind die Befehlsparameter zu entnehmen: Par wird durch den Namen des Parameters ersetzt, unter dem die gewünschte Größe abgespeichert werden soll - hier YS bzw. XS. Area und 0 sind fest. Item1 ersetzt durch cent. IT1NUM ersetzt durch X bzw. Y. item2 und IT2NUM werden hier nicht benötigt. So lauten die gesuchten Befehle: *get,YS,area,0,cent,y und *get,XS,area,0,cent,x. In der Tabelle ist auch die Beschreibung zu jedem Eintrag zu finden. Hier: Schwerpunktskoordinate (X,Y oder Z) aus dem letzten asum oder gsum Befehl. Auf diese Weise kann man sich in der sehr umfangreichen Hilfe zum *get-Befehl zurechtfinden. 3.1.2 Halbrahmen mit schiefer Lagerung Die im Bild 3.2 a) dargestellte Struktur soll mit Hilfe der geometriebasierten Modellierung erzeugt und berechnet werden. Hierzu müssen erst die Keypoints und dann die linien definiert werden. Anschließend soll die Struktur mit beam3-Elementen vernetzt werden. Die Anzahl und die Größe der Elemente können mit Hilfe des Befehls lesize eingestellt werden. Außerdem sollen die Verschiebungs- und die Kräfterandbedingungen auf die Geometriegrößen, d.h. auf die Keypoints und nicht, wie gewohnt auf die Knoten, aufgebracht werden (siehe hierzu die Hilfe zu den Befehlen dk und fk). Die erforderlichen Parameter (Materialeigenschaften, Abmessungen und Querschnittswerte) dürfen frei gewählt werden. a). F b). F ˛ a ˇ b Abbildung 3.2: Halbrahmen Das Modell soll anschließend entsprechend dem Bild 3.2 b) abgeändert werden. Hierzu muss ein schiefes Auflager erzeugt werden. Um so eine Lagerung realisieren zu können, muss ein neues Koordinatensystem erzeugt werden (siehe hierzu die Hilfe zum Befehl cs). Außerdem sollen die Freiheitsgrade des Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 34 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle entsprechenden Knotens in das neue Koordinatensystem transformiert und dort gesperrt werden. Der betroffene Knoten wird vorher mit Hilfe des Befehls nsel selektiert. Im Folgenden wird der Quellcode zum Beispiel a) angegeben. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Quellcode !-------------------------------------------! 5Na ! Indirekte Generierung ! Beam3-Elemente ! Vernetzung von Linienelementen ! Parametrisierung ! Trigonometrische Funktionen (sin/cos) ! Nikolai Gerzen Oktober 2008 !-------------------------------------------- 10 11 12 15 ! Aktuellen Prozess beenden finish 18 21 24 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 27 28 29 ! Eigene Parameter definieren MYE=21000 !E-Modul Material 36 39 40 41 53 62 ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE ! Stäbe Vernetzen lmesh,all ! Randbedingungen berüksichtigen ! Verschiebungsrandbedingungen berüksichtigen dk,1,all,0 dk,3,uy,0 64 65 66 LASTF=100 ALPHA=45 !Last F !Lastwinkel ASTAB=40 ISTAB=3060 HSTAB=22 DICKE=0.5 !Fläche des Stabes !Trägheitsmoment des Stb. !Höhe des Stabes !Dicke der Scheibe ANZEL=5 !Anzahl der Elemente/Stab 67 68 69 70 ! Kräfte aufbringen ALPHANEU=ALPHA*3.141592654/180 LASTFX=-LASTF*cos(ALPHANEU) LASTFY=-LASTF*sin(ALPHANEU) fk,2,fy,LASTFY fk,2,fx,LASTFX 71 72 73 ! Preprozessor beenden finish 74 75 !-------------------------------------------- 76 !-------------------------------------------- 77 78 ! Preprozessor starten /prep7 ! Keypoints erzeugen k,1,0,LNGY k,2,LNGX,LNGY k,3,LNGX,0 ! Lösungsteil starten /solu 79 80 81 42 43 ! Elementkonstanten übergeben r,1,ASTAB,ISTAB,HSTAB,0 52 61 !Länge in X-Richtung !Länge in Y-Richtung 37 38 51 63 LNGX=100 LNGY=50 34 35 50 60 32 33 ! Elementtyp festlegen (Balkenelement) et,1,3 49 59 30 31 48 58 25 26 47 57 22 23 46 56 19 20 l,1,2,ANZEL l,2,3,ANZEL 55 16 17 45 54 13 14 44 ! System lösen solve 82 83 84 ! Lösungsteil beenden finish 85 86 !-------------------------------------------- ! Linien erzeugen Im Bild 3.3 sind die wesentlichen Bestandteile des Modells dargestellt. Hirbei wurden die Befehle kplot, lplot, nplot und eplot verwendet um die Keypoints, Linien, Knoten und Elemente darzustellen. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.1 Grundlagen der geometriebasierten oder indirekten Generierung 1 2 35 1 L1 2 L2 Y Y Z X Z X 3 3 (a) Keypoints 1 3 4 5 (b) Linien 6 2 1 2 3 4 5 6 8 7 9 8 10 9 Y 11 Y Z X 7 Z X 10 (c) Knoten (d) Elemente Abbildung 3.3: Indirekte Generierung des Modells Mit Hilfe der Befehle klist, llist, nlist und elist können die genannten Größen auch in Listen ausgegeben werden. Die modifizierte Variante des Quellcodes (Beispiel b)) wird ebenfalls angegeben. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Quellcode !-------------------------------------------! 5Nb ! Indirekte Generierung ! Beam3-Elemente ! Vernetzung von Linienelementen ! Parametrisierung ! Trigonometrische Funktionen (sin/cos) ! Koordinatensysteme / Schiefes Lager ! Nikolai Gerzen Oktober 2008 !-------------------------------------------- 11 12 13 16 19 ! Eigene Parameter definieren MYE=21000 !E-Modul Material 22 !L+AOQ-nge in X-Richtung !L+AOQ-nge in Y-Richtung LASTF=100 ALPHA=45 !Last F !Lastwinkel ASTAB=40 !Fl+AOQ-che des Stabes 23 24 25 !Tr+AOQ-gheitsmoment des Stb. !H+APY-he des Stabes !Dicke der Scheibe ELLAENGE=10 !notwendige Elementl+AOQ-nge 33 34 !-------------------------------------------- 35 36 37 ! Preprozessor starten /prep7 38 40 41 ! Keypoints erzeugen k,1,0,LNGY k,2,LNGX,LNGY k,3,LNGX,0 43 44 46 ! Linien erzeugen l,1,2 l,2,3 47 49 ! Elementl+AOQ-nge einstellen lesize,all,ELLAENGE 50 51 26 27 32 48 LNGX=100 LNGY=50 ISTAB=3060 HSTAB=22 DICKE=0.5 31 45 20 21 30 42 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 17 18 29 39 ! Aktuellen Prozess beenden finish 14 15 28 52 ! Elementtyp festlegen (Balkenelement) et,1,3 53 54 55 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ! Elementkonstanten +APw-bergeben r,1,ASTAB,ISTAB,HSTAB,0 ˇ -Version vom 10. April 2013 36 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle 56 57 58 82 ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE 83 84 59 60 61 86 87 88 ! Randbedingungen ber+APw-ksichtigen 89 64 90 65 ! Verschiebungsrandbedingungen ber+APw-ksichtigen 91 dk,1,all,0 92 66 67 68 69 70 71 93 nsel,s,loc,y,0 !Knoten ausw+AOQ-hlen n,100,LNGX,0 !Hilfsknoten n,101,LNGX+ACs-5,0-5 !Hilfsknoten n,102,LNGX+ACs-5,0 !Hiflsknoten 72 73 96 !-------------------------------------------- 97 !Hilfsknoten l+APY-schen 101 102 csys,15 !neues KOS aktivieren nrotat,all !Freiheitsgrad drehen ! L+APY-sungsteil starten /solu ! System l+APY-sen solve 103 104 80 81 ! Preprozessor beenden finish 100 ndele,100,102,1 78 79 ! Kr+AOQ-fte aufbringen ALPHANEU=ALPHA*3.141592654/180 LASTFX=-LASTF*cos(ALPHANEU) LASTFY=-LASTF*sin(ALPHANEU) fk,2,fy,LASTFY fk,2,fx,LASTFX 95 99 76 77 94 98 cs,15,0,100,101,102 !KOS definieren 74 75 !altes KOS aktivieren !Alles ausw+AOQ-hlen 85 ! St+AOQ-be Vernetzen lmesh,all 62 63 csys,0 allsel 105 ! L+APY-sungsteil beenden finish 106 dk,3,uy,0 107 !-------------------------------------------- Die schiefe Lagerung und die entsprechend deformierte Struktur sind im Bild 3.4 dargestellt. Y Z X Abbildung 3.4: Deformierte Struktur Hierbei wurde der Befehl pldisp,1 verwendet. 3.1.3 Selektionsbefehle Oft wird gewünscht, nur Teile des Modells am Bildschirm darzustellen oder nur Bereiche bearbeiten zu können. Hierzu bietet ANSYS die Möglichkeit Modellteile (Knoten, Keypoints, Linien, Elemente, etc.) passiv zu schalten. Diese passiven Teile werden bei allen folgenden Kommandos nicht mehr berücksichtigt, bis sie wieder aktiviert werden. Mit diesen Selektionsbefehlen können Knoten, Keypoints, Linien, Flächen, Volumen und Elemente zum Beispiel mit Hilfe der jeweils zugeordneten Nummer, ihren Koordinaten oder der Zugehörigkeit zu Material- oder Elementtypnummern ausgewählt werden. Der Befehl ksel,s,loc,x,0,1 wählt zum Beispiel alle Keypoints aus, deren x-Koordinate zwischen null und eins liegt. Ebenfalls stehen sogenannte „überkreuzende“ Selektionsbefehle zur Verfügung. So wählt der Befehl nsle alle Knoten (nodes) aus, die zu den aktiven Elementen (elements) gehören. Einige Beispiele ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.1 Grundlagen der geometriebasierten oder indirekten Generierung 37 für diese Selektionsbefehle sind in Tabelle 3.2 aufgeführt. Weitere Informationen sind der jeweiligen Hilfe zu entnehmen. Gegenstand Knoten Keypoints Linien Flächen Volumen Elemente Befehle nsel ksel lsel asel vsel esel „überkreuzende“ Befehle nsle, nslk, nsll, nsla, nslv ksln, ksll lsla, lslk asll, aslv vsla esln, esll, esla, eslv Tabelle 3.2: Selektionsbefehle Anwenden der Selektierlogik. Um die gewünschte Teilmenge auszuwählen stehen sieben grundlegende Selektionsfunktionen zur Verfügung, die miteinander kombiniert werden können. Es kann aus der Gesamt- oder aus der aktiven Untermenge selektiert werden. Eine zusätzlich Teilmenge kann zu der aktiven Teilmenge hinzugefügt oder daraus entfernt werden. Es kann entweder die Gesamtmenge aktiviert oder deaktiviert werden und die Auswahl kann umgekehrt werden. Diese Grundlegenden Selektionsfunktionen sind in Tabelle 3.3 erläutert. Die Selektionsbefehle sind sehr umfangreich und komplex. Sie sind unumgänglich und gehören zu den am häufigsten angewendeten Befehlen in ANSYS . Natürlich führen verschiedene Wege - mit unterschiedlicher Effektivität - zur Auswahl der gewünschten Modellteile. Bei parametrisierten Modellen sollte auf die Allgemeingültigkeit der Selektionsbefehle geachtet werden. Ausgang „Typ“ s r a u all none inve Beschreibung Selects - wählt eine neue Menge aus der Gesamtmenge aus Reselects - wählt aus einer vorher ausgewählten Menge eine Untermenge aus Additional - wählt eine zusätzliche Menge zur ausgewählten aus Unselects - schließt eine Untermenge aus der ausgewählten Menge aus All - wählt die Gesamtmenge (wieder) aus None - deaktiviert die Gesamtmenge Inverts - invertiert die ausgewählte Menge Resultat Tabelle 3.3: Selektionslogik Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 38 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle 3.1.4 Scheibe aus zwei Materialien Das Modell im Bild 3.5 soll indirekt generiert werden. Hierzu sollen erst die Keypoints und die Linien definiert werden und anschließend wird eine Fläche durch die angrenzenden Linien erzeugt. Es sollen die Befehle k, l und al verwendet werden. Die Fläche soll mit amesh vernetzt werden. Die erforderlichen Parameter, wie Materialeigenschaften, Abmessungen und Elementtyp sind sinnvoll zu wählen. Die Verschiebungsrandbedingungen müssen auf die Knoten (FE-Größen) und die Kräfterandbedingungen auf die Linie (Geometrie-Größe) aufgebracht werden (siehe hierzu die Hilfe zu den Befehlen d und sfl). Die betroffenen Knoten und Linien sind zu selektiere. Das System soll gelöst werden. b qN E2 a E1 Abbildung 3.5: Zugscheibe aus zwei Materialien Führen Sie anschließend eine Vernetzung mit kleineren Elementen durch und wiederholen Sie die Berechnung. Stellen Sie hierfür die Größe der Elemente mit dem Befehl esize ein. Im Folgenden wird die ANSYS -Eingabedatei zu dem hier vorgestellten Beispiel angegeben. 1 2 3 4 5 6 7 Quellcode !-------------------------------------------! 3N ! Zugscheibe aus Bimaterial ! Indirekte Generierung ! Selektionsbefehle ! Nikolai Gerzen Oktober 2008 !-------------------------------------------- 8 9 10 13 16 17 20 23 38 45 ! Eigene Parameter definieren MYE1=210000 !E-Modul Material 1 MYE2=21000 !E-Modul Material 2 46 47 48 49 MYNU1=0.3 MYNU2=0.3 !Querkontraktion Material 1 !Querkontraktion Material 2 LNGX=10 LNGY=5 !L+AOQ-nge in X-Richtung !L+AOQ-nge in Y-Richtung 50 ! Keypoints erzeugen k,1,0,0 k,2,LNGX,0 k,3,LNGX,LNGY k,4,0,LNGY k,5,0,0.5*LNGY k,6,LNGX,0.5*LNGY !Last F ELEMGR=0.5 !Elementgr+APYA3w-e ! Fl+AOQ-chen erzeugen 53 54 55 LASTF=20 ! Linien erzeugen l,1,2 l,2,6 l,6,5 l,5,1 l,6,3 l,3,4 l,4,5 51 52 ! Linien im Gebiet 1 selektieren lsel,s,loc,y,0.5*LNGY,LNGY 56 57 58 28 29 37 44 26 27 36 43 24 25 35 42 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 21 22 34 41 18 19 ! Preprozessor starten /prep7 33 40 14 15 32 39 ! Aktuellen Prozess beenden finish 11 12 31 ! Fl+AOQ-che 1 erzeugen al,all 59 !-------------------------------------------- 30 ˇ -Version vom 10. April 2013 60 61 ! Alle Linien selectieren lsel,all Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.1 Grundlagen der geometriebasierten oder indirekten Generierung 62 63 64 65 66 67 70 73 107 76 77 80 81 ! Elementtyp festlegen (Scheibenelement) et,1,182 mp,ex,2,MYE2 mp,prxy,2,MYNU2 96 97 ! Elementgr+APYA3w-e einstellen esize,ELEMGR 99 120 ! Kr+AOQ-fte aufbringen lsel,s,loc,x,LNGX sfl,all,pres,-LASTF allsel 121 ! Preprozessor beenden finish 126 128 !-------------------------------------------- 129 130 ! Material 1 aktiv schalten mat,1 ! L+APY-sungsteil starten /solu 131 132 133 ! Fl+AOQ-che 1 vernetzen asel,s,loc,y,0.5*LNGY,LNGY amesh,all allsel 98 100 119 127 93 95 117 125 ! Materialgebiet 1 vernetzen 90 94 ksel,s,kp,,1 nslk,s d,all,all allsel 116 124 87 92 115 123 85 91 113 122 84 89 112 118 ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE1 mp,prxy,1,MYNU1 83 88 ! Verschiebungsrandbedingungen ber+APw-ksichtigen nsel,s,loc,x,0 nsel,u,loc,y,0 d,all,ux,0 nsel,all 110 114 ! Elementeigenschaften ver+AOQ-ndern ! Ebener Verzerrungszustand wird angenommen keyopt,1,3,2 82 86 109 111 78 79 ! Randbedingungen ber+APw-ksichtigen 108 ! Alle Linien selectieren lsel,all 74 75 104 106 71 72 103 105 ! Fl+AOQ-che 2 erzeugen al,all 68 69 ! Fl+AOQ-che 2 vernetzen lsel,s,loc,y,0,0.5*LNGY asll,s,1 amesh,all allsel 102 ! Linien im Gebiet 2 Selectieren lsel,s,loc,y,0,0.5*LNGY 39 ! System l+APY-sen solve 134 135 136 ! L+APY-sungsteil beenden finish 137 138 ! Material 2 aktiv schalten mat,2 139 !-------------------------------------------- 140 101 Im Bild 3.6 sind die deformierte Struktur, das FE-Netz und die Spannungen in x Richtung dargestellt. Y Y Z X Z X -10.788 6.505 23.797 41.089 58.382 -2.141 15.151 32.443 49.736 67.028 (a) Deformierte Struktur (b) Spannungen in x Richtung Abbildung 3.6: Ergebnisse der FE-Berechnung Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 40 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle Hierbei lässt sich die Feinheit des FE-Netzes sehr einfach mit dem Befehl esize steuern. 3.1.5 Stabwerkmodell mit schiefem Gelenk und Streckenlast Ein Halbrahmen mit einem Kräftegelenk und einer Gleichstreckenlast soll indirekt modelliert werden. Die Struktur soll dem Bild 3.7 entnommen werden. Die beam3-Elemente sollen verwendet werden. Der Winkel beträgt ˛ D 45°. Alle anderen Parameter können frei gewählt werden. F ˛ a=2 qN a=2 b=2 b=2 Abbildung 3.7: Halbrahmen mit schiefem Gelenk Die Verschiebungs- und Kräfterandbedingungen sind auf die Geometrie-Größen (Keypoints und Linien) aufzubringen. Diese sollen vorher selektiert werden. Die Streckenlast soll mit dem Befehl sfbeam aufgebracht werden. Das System ist zu Vernetzen und zu lösen. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.2 Boolesche Operatoren 41 3.2 Boolesche Operatoren In ANSYS besteht die Möglichkeit boolesche Operatoren auf das Solid-Model anzuwenden. Damit können die unvernetzten Geometriegrößen mit diesen logischen Operatoren (Verschneidung, Vereinigung, Subtraktion, etc.) modifiziert werden. Einige Beispiele sind in Tabelle 3.4 aufgeführt. Ausgang „Typ“ aglue aadd aovlap aadd asbl Beschreibung Verkleben von Flächen; die Linien müssen genau übereinander liegen Addieren von Flächen; die Flächen müssen sich berühren oder überlappen Überlappen von Flächen; oft günstiger bei der Vernetzung Resultat Addieren von Flächen; die Flächen müssen sich berühren oder überlappen Linien von Flächen abziehen; die neuen Flächen teilen eine Linie Tabelle 3.4: Boolesche Operatoren Bei der Anwendung von booleschen Operatoren sind einige Einschränkungen zu beachten: Degenerierte Bereiche in geometrischen Größen können verursachen, dass einige boolesche Operationen nicht anwendbar sind. Boolesche Operationen können nicht auf Größen angewendet werden, die durch Zusammenfassen entstanden sind. Materialdaten und sonstige Eigenschaften von Elementen, sowie Lasten sollten erst nach Anwenden der booleschen Operationen definiert werden. Mit den Voreinstellungen in ANSYS werden die Ausgangsgrößen, auf die boolesche Operationen angewendet werden gelöscht. Nur die Ergebnissgröße bleibt bestehen. Soll die Ausgangsgröße aufgehoben werden, kann dies über den Befehlsoption keep geschehen. 3.2.1 Platte mit geometrischem Defekt Durch boolesche Operatoren können u.a. bestehende Flächen verbunden werden. Hierzu werden die Befehle aadd und aovlap vorgestellt. Diese Problemstellung tritt in ganz ähnlicher Form beim Importieren von CAD-Daten auf. In Abbildung 3.8 ist hierfür beispielhaft ein Platte gezeigt, bei der eine kleine Öffnung entsteht. Welche Möglichkeiten besteht, diesen Defekt zu beheben? Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 42 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle Erzeugte Teilflächen Durch den aadd,all-Befehl entstandene Fläche Gewünschte Fläche Abbildung 3.8: 2D-Struktur, Platte 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 3La ! Plattenstruktur, mit Booleschen Operatoren ! erzeugt. Kleine Öffnung, die absichtlich ! entsteht. ! Steffen Gerke, Herbst 2006, Update Okt.2008 ! Einheiten: m, s, kg, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start /prep7 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 26 27 28 32 33 35 36 37 38 !Flächen a,11,12,13,14 a,21,22,23,24 a,31,32,33,34 39 40 41 ! Addieren (überlappen) der Flächen ! aadd,all aovlap,all 43 44 45 46 47 49 50 51 52 ! Vernetzen, hier ohne Vorgaben amesh,all !/eof ! Auflager und Lasten lsel,s,loc,x,0 lsel,a,loc,x,6.75 dl,all,,all lsel,all sfa,all,1,pres,5 53 54 k,21,3.75,0 k,22,6.75,0 k,23,6.75,6 k,24,3.75,6 k,31,1.691,3.212 k,32,4.024,0.879 k,33,4.873,1.727 k,34,2.539,4.061 34 48 !Keypoints k,11,0,3 k,12,4.5,3 k,13,4.5,6 k,14,0,6 24 25 31 42 !Material, Real Constants und Elementtyp mp,ex,1,3.0E9 mp,prxy,1,0.2 r,1,0.2 et,1,63 18 19 30 55 finish /solu 56 57 58 ! Lösen solve 29 Der Befehl aovlap bewirkt, dass die doppelten Flächen und Linien verschwinden und die restlichen Flächen gemeinsame Kanten haben. Auf diese Weise sind im Bild 3.9a die Umrisse der alten Flächen immer noch zu sehen. Hierbei wurden die Flächen an den Schnittstellen in mehrere Stücke zerteilt. Im Bild 3.9b ist das erzeugte FE-Netz dargestellt. Man stellt fest, dass durch die Einbeziehung aller Flächenkanten in das FE-Netz, sich ein sehr schlechtes Netzbild einstellt. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.2 Boolesche Operatoren 43 (a) Flächen (b) FE-Netz Abbildung 3.9: FE-Modell Durch das Erzeugen einer weiteren Fläche, wird die Öffnung überdeckt. Hierdurch entsteht eine große Fläche, die mit einer vorgegebenen Netzweite vernetzt wird. Ebenfalls wird angegeben, wie in einem Bereich der Fläche das Netz manuell verfeinert werden kann. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 3Lb ! 2D-Struktur, Platte, ergänzt ! Die ’zufällig’ entstandene Öffnung wird mit ! einer zusätzlichen Fläche abgedeckt. ! Es wird eine Netzweite vorgegeben. ! Zusätzlich besteht die Möglichkeit zur ! lokalen, manuellen Netzverfeinerung. ! Steffen Gerke, Herbst 2006, Update Okt.2008 ! Einheiten: m, s, kg, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start /prep7 15 16 17 18 19 22 23 24 27 28 29 36 37 38 39 40 a,11,12,13,14 a,21,22,23,24 a,31,32,33,34 !Fläche, die Öffnung abdekt a,31,32,23 41 42 43 44 45 46 48 49 50 aadd,all ! Vorgabe einer Netzgröße esize,0.2 amesh,all /eof ! Lokale manuelle Netzverfeinerung nsel,s,loc,x,1.6,2.2 nsel,r,loc,y,2.8,3.2 nrefine,all,,,1,1,clean 51 53 54 55 56 ! Auflager und Lasten lsel,s,loc,x,0 lsel,a,loc,x,6.75 dl,all,,all lsel,all sfa,all,1,pres,5 58 59 60 finish /solu 61 62 k,31,1.691,3.212 k,32,4.024,0.879 k,33,4.873,1.727 k,34,2.539,4.061 35 57 k,21,3.75,0 k,22,6.75,0 k,23,6.75,6 k,24,3.75,6 30 31 34 52 k,11,0,3 k,12,4.5,3 k,13,4.5,6 k,14,0,6 25 26 33 47 mp,ex,1,3.0E9 mp,prxy,1,0.2 r,1,0.2 et,1,63 20 21 32 63 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ! Lösen solve ˇ -Version vom 10. April 2013 44 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle Bei Verwendung des Befehls aadd wird aus den vorgegebenen Flächen nur eine Fläche erzeugt, die im Bild 3.10a dargestellt ist. Da innerhalb dieser neuen Fläche keine weiteren Linien, die bei der Erstellung des FE-Netzes berücksichtigt werden müssen, vorhanden sind, wird ein sehr regelmäßiges Netz generiert. Dieses ist im Bild 3.10b dargestellt. (a) Flächen (b) FE-Netz Abbildung 3.10: FE-Modell 3.2.2 Erzeugung vierseitig berandeter Flächen beim L-Profil Der Querschnitt des in Abbildung 3.11 gezeigten L-Profils soll erzeugt werden und durchgängig, wie dargestellt, in von 4 Linien berandete Flächen zerlegt werden. y t2 r1 W1 r2 r3 t1 x W2 Abbildung 3.11: Flächengenerierung zur Vernetzung des L-Profils 1 2 3 4 5 6 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 4L ! Vernetzen eines L-Profils ! Steffen Gerke, Oktober 2008 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 7 8 9 10 11 12 13 ˇ -Version vom 10. April 2013 ! Winkeleingabe in Grad *afun,deg 14 15 16 ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start 17 ! Definieren Geometrie Parameter W1 = 30 W2 = 40 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.2 Boolesche Operatoren 18 19 20 21 22 T1 T2 R1 R2 R3 = = = = = 45 5 4 2 2.5 3 58 59 60 61 62 23 24 25 26 63 ! Definieren der MAterialparameter EYOUNG = 210E3 POIS = 0.3 27 28 29 32 33 34 35 36 37 40 41 42 43 44 45 69 70 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Erzeugen der Flächen ! Keypoints zur Hilfe k,1,T2,W1 k,2,W2,T1 k,3,T2-R1/2,T1-R2/2 k,4,T2+R3,T1+R3 48 49 50 51 52 53 ! 1. Gekrümmte Fläche ’oben’ cyl4,T2-R1,W1-R1,R1,0,,90 rectng,T2-R1,T2-R1/2,W1-R1,W1-R1/2 aovlap,all KEY1=kp(T2-R1/2,W1-R1/2,0,) l,1,KEY1 asbl,all,all 56 57 72 73 74 75 77 79 80 81 82 83 84 85 ! 5. Restliche Rechtecke rectng,0,T2/2,W1-R1/2,W1 rectng,0,T2/2,W1-R1,W1-R1/2 rectng,0,T2/2,T1+R3,W1-R1 rectng,0,T2/2,T1-R2,T1+R3 rectng,0,T2/2,0,T1-R2 rectng,T2/2,T2+R3,0,T1-R2 rectng,T2+R3,W2-R2,0,T1-R2 rectng,W2-R2,W2-R2/2,0,T1-R2 rectng,W2-R2/2,W2,0,T1-R2 87 88 89 ! 6. Verbinden der Flächen aglue,all 90 91 92 93 94 ! 3. Gekrümmte Fläche Mitte rectng,T2-R1,T2+R3,T1-R2,T1+R3 cyl4,T2+R3,T1+R3,R3,180,,270 ! 4. Zwischenrechtecke rectng,T2-R1,T2,T1+R3,W1-R1 rectng,T2+R3,W2-R2,T1-R2,T1 KEY4=kp(T2-R1/2,W1-R1,,) l,3,KEY4 KEY5=kp(W2-R2,T1-R2/2,,) l,3,KEY5 asbl,all,all 76 86 ! 2. Gekrümmte Fläche ’rechts’ cyl4,W2-R2,T1-R2,R2,0,,90 rectng,W2-R2,W2-R2/2,T1-R2,T1-R2/2 aovlap,all KEY2=kp(W2-R2/2,T1-R2/2,0,) l,2,KEY2 asbl,all,all 54 55 71 78 46 47 66 68 38 39 65 67 ! Starten Preprozessor /prep7 30 31 64 aovlap,all asel,s,loc,x,T2,T2+R3 asel,r,loc,y,T1,T1+R3 adele,all,,,1 alls KEY3=kp(T2-R1,T1-R2,,) l,KEY3,3 l,3,4 asbl,all,all 95 96 97 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Materialeigenschaften und Vernetzen mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS et,1,42 mshkey,1 amesh,all Im Bild 3.12 sind die Linien der Struktur und das entsprechende FE-Netz dargestellt. Da hier nur Flächen mit vier Kanten vorkommen, wurde ein sehr regelmäßiges Netz erzeugt. (a) Linien (b) FE-Netz Abbildung 3.12: FE-Modell Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 46 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle 3.2.3 Scheibe mit Loch Die in Abbildung 3.13 gezeigte Platte mit Loch soll erzeugt werden. Dazu sind Boolesche Operatoren zu verwenden. Die Platte ist an den Rändern in z-Richtung unverschieblich gelagert und die Öffnung erfährt 1 CW2 in z-Richtung. Ferner soll an der Stelle x D 0, y D 0 die Verschiebung eine Verschiebung von W2100 in x- und y-Richtung und an der Stelle x D 0, y D W1 die Verschiebung in y-Richtung gesperrt sein. Weiterhin sind geeignete Geometrieabmessungen und Materialparameter zu verwenden. Die Vernetzung soll mit amesh erfolgen. y R1 W2 L2 x L1 W1 Abbildung 3.13: Platte mit Loch Die aufgebrachten Randbedingungen sind mit Hilfe der grafischen Oberfläche zu überprüfen. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.3 Regelmäßige Vernetzung von Flächen 47 3.3 Regelmäßige Vernetzung von Flächen Die Vernetzung der Simulationsmodelle spiegelt sich in den Berechnungsergebnissen wieder. Insbesondere sind stark deformierte Elemente (spitze Winkeln, schlechte Proportionen) zu vermeiden. Bei symmetrischen Systemen mit symmetrischer Belastung erwartet man intuitiv symmetrische Ergebnisse. Diese werden aber bei Verwendung von unsymmetrischen Netzen nicht erreicht. Außerdem liefern feinere Netze genauere Ergebnisse. Da sich die Feinheit des Netzes unmittelbar (meist negativ) auf den Rechenaufwand auswirkt, wird man versuchen durch die Güte des Netzes die Anzahl der benötigten Elemente zu beschränken. Hierbei können Konvergenzstudien sehr hilfreich sein. 3.3.1 Das Vernetzen eines Dreiecks Das Dreieck im Bild 3.14 a) soll regelmäßig vernetzt werden. Eine regelmäßige Vernetzung mit Flächenelementen erreicht man dadurch, dass das Gebiet in kleinere, von vier Linien berandete Bereiche zerlegt wird. Die vorliegende Struktur könnte man entsprechend dem Bild 3.14 b) zerlegen. Anschließen würde man die einzelnen Flächen so vernetzen, dass ein Netz entsprechend dem Bild 3.14 c) entsteht. a). a b). c). a Abbildung 3.14: Dreiecksfläche regelmäßig vernetzt Eine ANSYS -Eingabedatei, bei der wie beschrieben vorgegangen wird, wird im Folgenden angegeben. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Quellcode !-------------------------------------------! 6N ! Regelmäßige Vernetzung ! Boolesche Operatoren ! Indirekte Generierung ! ASUM-Befehl (Schwerpunktberechnung) ! *get-Befehl (Schwerpunktkoordinaten) ! Nikolai Gerzen Oktober 2008 !-------------------------------------------- 10 11 12 ! Aktuellen Prozess beenden finish 15 18 19 22 26 ANZELEM=5 !Anzahl der Elemente/Linie 27 28 !-------------------------------------------- 29 30 31 ! Preprozessor starten /prep7 32 33 35 36 ! Knoten des Dreiecks erzeugen k,1,0,0 k,2,LNGX,0 k,3,LNGX*0.5,LNGY 38 39 ! Fläche des Dreiecks erzeugen a,1,2,3 40 ! Eigene Parameter definieren MYE=210000 !E-Modul Material MYNU=0.3 !Querkontraktion Material 20 21 !Last F 37 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 16 17 LASTF=25 25 34 13 14 24 41 42 43 44 LNGX=10 LNGY=5 !Länge in X-Richtung !Länge in Y-Richtung ! Koordinaten des Schwerpunktes finden asum *GET,YS, AREA, 0, cent, y *GET,XS, AREA, 0, cent, x 45 46 ! Keypoint im Schwerpunkt erzeugen 23 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 48 47 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle k,4,XS,YS 70 48 49 50 51 52 71 ! Senkrechten auf die Linien erzeugen lang,1,4,90 lang,2,4,90 lang,3,4,90 72 73 74 75 53 54 55 76 ! Linien von der Fläche abziehen asbl,all,all,,delete,keep 58 59 78 79 ! Elementtyp festlegen (Scheibenelement) et,1,182 keyopt,1,3,2 62 63 81 66 67 83 ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE mp,prxy,1,MYNU 84 ! Vernetzen lesize,all,,,ANZELEM amesh,all ! Lösungsteil starten /solu 85 86 87 ! System lösen solve 88 89 90 68 69 !-------------------------------------------- 82 64 65 ! Preprozessor beenden finish 80 60 61 ! Kräfte aufbringen fk,4,fy,-LASTF 77 56 57 ! Verschiebungsrandbedingungen dk,1,all,0 dk,2,uy,0 ! Lösungsteil beenden finish 91 ! Randbedingungen berüksichtigen 92 !-------------------------------------------- 3.3.2 Vernetzung von zwei sich überlappenden Rechtecken Die im Bild 3.15 a) dargestellte Struktur soll erzeugt und regelmäßig vernetzt werden. Hierzu soll erst ein Rechteck mit dem Befehl rectng mit der Breite 2b und der Höhe 2a generiert werden. Mit dem Befehl agen kann das Rechteck um b nach rechts und um a nach oben kopiert werden. So entstandene Flächen (siehe Bild 3.15 b)) sollen mit dem Befehl aovlap überlappt und anschließend regelmäßig vernetzt werden. b). a). a a a b b b Abbildung 3.15: Rechtecke die sich überlappen 3.3.3 Vernetzung einer Scheibe mit Loch Die im Bild 3.16 dargestellte Scheibe soll vernetzt werden. Hierbei sollen die Parameter MYBR=b und MYRAD=r definiert und eingeführt werden, d.h. alle nachfolgenden Kommandos sollen für beliebige Werte der Parameter funktionieren. Mittels Boolescher Operatoren sollen die Teilflächen, wie in der Abbildung 3.16 dargestellt generiert werden. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 3.3 Regelmäßige Vernetzung von Flächen 49 b b=2 r 1:0 0:5 2:0 Abbildung 3.16: Scheibe mit Loch Führen Sie hierzu folgende Schritte aus: Schreiben Sie eine ANSYS -Eingabedatei, die im Kopf alle erforderlichen Parameter enthält. Erzeugen Sie die gesamte rechteckige Scheibe mittels des Befehls rectng. Trennen Sie den hinteren Teil der Fläche ab. Ziehen Sie hierzu eine Linie von der Fläche ab (siehe hierzu Hilfe zur asbl). Die Kreisfläche Soll mit dem Befehl cyl4 erzeugt werden. Überlappen Sie alle Flächen mit dem Befehl aovlap. Was passiert, wenn Sie anstatt aovlap die Befehle aadd oder asba verwenden? Probieren Sie es aus. Beachten Sie in allen Fällen die Nummerierung der erzeugten Flächen. Vernetzen Sie die Flächen mit Hilfe der automatischen Vernetzung (siehe Hilfe zur amesh). Wählen sie hierzu den geeigneten Elementtyp, die Materialeigenschaften und die Größe der Elemente (siehe Hilfe zur esize). Beurteilen Sie das Netz. Löschen Sie das Netz und die Knoten mit Hilfe des Befehls aclear. Die in der Abbildung 3.17 a) dargestellte Fläche soll Regelmässig vernetzt werden. Eine mögliche Lösung ist im Bild 3.17 b) dargestellt. a). b). Abbildung 3.17: Regelmäßige Vernetzung der Scheibe mit Loch Gehen Sie wie folgt vor: Löschen Sie die nicht benötigten Flächen (rechtes Rechteck und die Kreisfläche) mit Hilfe des Befehls adele. Verwenden Sie hierzu den Selektionsbefehl asel um die Flächen zu selektieren. Erzeugen Sie mit lgen jeweils eine mittige horizontale und vertikale Linie. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 50 3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle Verbinden Sie die Keypoints in den Ecken des großen Rechtecks diagonal mit einander. Teilen Sie die Fläche mit Hilfe von asbl. Legen Sie die Anzahl der Elemente pro Linie mit dem Befehl lesize fest und vernetzen Sie die Flächen mit amesh. Bringen Sie die Randbedingungen ihrer Wahl auf und lösen Sie das System. Verwenden Sie hierbei die Selektionsbefehle um die betroffenen Knoten, Keypoints und Linien zu selektieren. Betrachten Sie die Verschiebungs- und Spannungsverläufe. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Kapitel 4 Elemente der Programmierung in APDL Kontrollstrukturen werden benötigt, um den Programmablauf zu steuern. Bestimmte Programmteile müssen mehrfach abgearbeitet werden. Hierfür werden Schleifen verwendet. In APDL ist zum Beispiel die *do-Schleife verfügbar. Sie bietet sich an, wenn man einen bistimmten Vorgang n-mal ausführen möchte. Andere Programmteile werden nur ausgeführt, wenn Bedingungen erfüllt sind. Hierfür kommen Verzweigungen zum Einsatz. Es werden Ausdrücke mittels logischer Abfragen - *if-Abfrage in APDL - verglichen. Von dem Ergebnis der Abfrage hängt ab, welche Anweisungen im folgenden Programmablauf ausgeführt werden. Schleifen-Struktur: *do, „Laufparameter“, „von“, „bis“, „Inkrement“ ...„Schleifeninhalt“ *enddo Abbruch eines Schleifendurchlaufes *if, „Bedingung“, cycle Abbruch der kompletten Schleife *if, „Bedingung“, exit If-Konstrukte: *if, „Bedingung“, then ... *elseif, „Bedingung“ ... *else ... *endif 4.1 Schreibbefehle Speichern in Tabellen. ANSYS bietet die Möglichkeit bis zu dreidimensionale Tabellen zu definieren. Dies erfolgt durch den *dim-Befehl. Die Tabelle kann über die grafische Oberfläche wie folgt ausgeben werden: Utility Menu !List !Other !Named Parameters... 52 4 Elemente der Programmierung in APDL Speichern in Text-Dateien. Eine weiter Möglichkeit die Ergebnisse zu sichern besteht darin, diese in eine externe Datei zu schreiben, z.B. eine Textdatei. Die Daten können dann später von anderen Programmen eingelesen und weiter bearbeitet werden. Standardmäßig wird diese Datei in das Arbeitsverzeichnis geschrieben. Über *cfopen kann so eine externe Datei geöffnet werden. Mit dem Befehl *vwrite können Daten in die offene externe Datei geschrieben werden, z.B. in jedem Durchgang der Schleife einer Konvergenzstudie. Wird diese Datei nicht mehr benötigt, sollte sie geschlossen werden (*cfclose). Beispiel: *cfopen,Ergebnisse,txt *vwrite, Wert1,Wert2,Wert3 (f4.0,1x,e10.3,1x,e10.3) Öffnet die externe Datei Ergebnisse.txt, schreibt die drei Parameter (Wert1,Wert2,Wert3) im angegebenen Format (siehe Tabelle 4.1) in die Datei und schließt diese wieder. Die Formatangabe ist sehr ähnlich zu FORTRAN. Es sind einige Besonderheiten des Formates im *vwrite-Befehl zu beachten. Die Spaltenanzahl gibt die Gesamtstellen an, inklusive Vorzeichen, Punkten und zusätzlichen Zeichen. Wird der in dem entsprechendem Format darstellbare Zahlenbereich verlassen, wird z.B. ******** ausgegeben. Format fw.d ew.d wx Erläuterung Gleitkomma, w Spalten, d Nachkommastellen Exponential, w Spalten, d Nachkommastellen w Freispalten Beispiel f8.3: -123.456 e8.3: -.123e-8 Tabelle 4.1 ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 4.2 Halbrahmen mit unterschiedlichen Gelenken 53 4.2 Halbrahmen mit unterschiedlichen Gelenken Für die in Abbildung 4.1 angebene Struktur soll eine Eingabe-Datei geschrieben werden. Hierbei soll berücksichtigt werden, dass an der linken oberen Rahmenecke ein Gelenk vorhanden ist. Ob hier rotz, ux, uy oder kein Freiheitsgrad freigegeben wird, soll durch eine if-Anweisung gesteuert werden. W1 W1 =2 FN W2 FN W2 2 Abbildung 4.1: Beispiel für die Verwendung von Schleifen und If-Anweisungen 1 2 3 4 5 6 7 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 6L ! Bsp. eines Halbrahmens ! Durch if-Anweisung werden Gelenke aktiviert ! Steffen Gerke, Oktober 2008 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 8 9 10 11 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 35 38 39 40 41 42 47 48 49 52 53 54 ! Elementtyp, Material, Real Constants et,1,beam3 mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS r,1,FLAE,IY,HOEHE 56 57 58 59 ! Elementgröße und Vernetzen esize,,ELUNTER lmesh,all 60 61 62 63 ! Auflager dk,1,all dk,15,all 64 66 67 ! Gelenke über if-Anweisung nsel,s,loc,x,0.0 nsel,r,loc,y,W2 68 69 70 71 72 73 74 75 77 78 79 ! Keypoints erzeugen k,1,0.0,0.0 k,2,0.0,W2/2 k,3,0.0,W2 k,13,0.0,W2 k,14,W1/2,W2 ! Linien l,1,2 l,2,3 l,13,14 l,14,15 50 76 ! Starten Preprozessor /prep7 36 37 46 65 ! Weitere Variablen W1 = 4000.0 W2 = 2000.0 BARF = 500.0 EYOUNG = 210.0E3 POIS = 0.3 FLAE = 5000.0 IY = 35.0E6 HOEHE = 100.0 ELUNTER = 5 33 34 45 55 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Steuerparameter STEUER wird eingeführt zur ! Verwendung des Gelenkes ! if STEUER == 1 then Momentengelenk ! if STEUER == 2 then Horizontal verschiebl. ! if STEUER == 3 then Vertikal verschieblich ! if STEUER == 4 then Kein Gelenk STEUER = 2 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ k,15,W1,W2 44 51 ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start 12 13 43 80 *if,STEUER,eq,1,then cp,next,ux,all cp,next,uy,all *elseif,STEUER,eq,2 cp,next,rotz,all cp,next,uy,all *elseif,STEUER,eq,3 cp,next,rotz,all cp,next,ux,all *else cp,next,all,all *endif 81 82 nsel,all 83 84 85 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ! Kräfte aufbringen fk,2,fx,BARF ˇ -Version vom 10. April 2013 54 86 4 Elemente der Programmierung in APDL fk,14,fy,BARF 91 87 88 89 90 92 ! Beenden Preproc. und starten Lösungsteil finish /solu 93 94 ! Lösen solve finish Die vorherige Aufgabe soll nun dahingehend erweitert werden, dass die Berechnungen automatisch in einer Schleife abläuft. Bei jedem Schleifendurchlauf soll der Steuerparameter der if-Anweisung die maximale x-Verschiebung und die maximale y-Verschiebung in eine Textdatei geschrieben werden. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 7L ! Bsp. eines Halbrahmens ! Durch if-Anweisung werden Gelenke aktiviert ! Erweiterung durch Schleife und ausschreiben ! der Maximalen Verschiebungen in Text Datei ! Steffen Gerke, Oktober 2008 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 10 11 12 13 16 17 18 19 20 21 22 25 28 29 30 31 32 33 34 35 36 39 40 41 42 43 44 45 48 49 52 59 60 61 62 68 69 70 71 ! Keypoints erzeugen k,1,0.0,0.0 k,2,0.0,W2/2 k,3,0.0,W2 k,13,0.0,W2 k,14,W1/2,W2 k,15,W1,W2 ! Linien l,1,2 l,2,3 l,13,14 l,14,15 72 73 74 75 76 ! Name der Ausgabedatei RESOUT = ’Ergebnisdatei’ 77 ! Elementtyp, Material, Real Constants et,1,beam3 mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS r,1,FLAE,IY,HOEHE 78 79 ! Weitere Variablen W1 = 4000.0 W2 = 2000.0 BARF = 500.0 EYOUNG = 210.0E3 POIS = 0.3 FLAE = 5000.0 IY = 35.0E6 HOEHE = 100.0 ELUNTER = 5 80 81 ! Elementgröße und Vernetzen esize,,ELUNTER lmesh,all 82 83 84 85 ! Auflager dk,1,all dk,15,all 86 87 88 89 ! Gelenke über if-Anweisung nsel,s,loc,x,0.0 nsel,r,loc,y,W2 90 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Öffnen der Ausgabedatei *cfopen,RESOUT,txt ! Schreiben der Überschriften ! ANMERKUNG: der *vwrite darf keine Leer! zeichen am Anfang der Zeile enthalten! *vwrite (’Gelenktyp’,’ ’,’MaxVerX’,’ ’,’MaxVerY’) 91 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Begin der Schleife *do,STEUER,1,4,1 100 92 93 94 95 96 97 98 99 50 51 ! Starten Preprozessor /prep7 58 67 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Steuerparameter STEUER wird eingeführt zur ! Verwendung des Gelenkes ! if STEUER == 1 then Momentengelenk ! if STEUER == 2 then Horizontal verschiebl. ! if STEUER == 1 then Vertikal verschieblich ! if STEUER == 1 then Kein Gelenk !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 46 47 57 66 37 38 56 65 26 27 /clear parres,new,SPEICHERN 55 64 23 24 54 63 ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start 14 15 53 101 102 *if,STEUER,eq,1,then cp,next,ux,all cp,next,uy,all *elseif,STEUER,eq,2 cp,next,rotz,all cp,next,uy,all *elseif,STEUER,eq,3 cp,next,rotz,all cp,next,ux,all *else cp,next,all,all *endif 103 ! Zwischenspeichern der Parameter parsav,all,SPEICHERN ˇ -Version vom 10. April 2013 104 nsel,all Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 4.2 Halbrahmen mit unterschiedlichen Gelenken 105 106 107 108 125 ! Kräfte aufbringen fk,2,fx,BARF fk,14,fy,BARF 109 110 111 112 115 116 117 118 119 128 etable,VERMAXY,u,y esort,etab,VERMAXY,0,1 *get,DISMAXY,sort,,max 130 131 132 ! Schreiben in Ausgabedatei *vwrite,STEUER,DISMAXX,DISMAXY (f4.0,’ ’,e10.3,’ ’,e10.3) 134 135 136 ! Beenden des Postprocessors finish 137 ! Starten des Postprocessors /post1 120 121 127 133 ! Lösen solve finish *get,DISMAXX,sort,,max 126 129 ! Beenden Preproc. und starten Lösungsteil finish /solu 113 114 55 138 139 140 ! Schreiben der Daten in einen Elementtable ! Sortieren und Maximalwert auslesen etable,VERMAXX,u,x esort,etab,VERMAXX,0,1 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Ende der Schleife *enddo 141 144 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Schließen der Textdatei *cfclos Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 122 123 124 142 143 56 4 Elemente der Programmierung in APDL 4.3 Direkte Generierung einer 1D-Struktur über Schleifen Das System in Abbildung 4.2 soll direkt generiert werden, d.h. mittels einer Schleife sollen nur Knoten und Elemente erzeugt werden. Abbildung 4.2: Loop 1D ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 4.4 Direkte Generierung einer 2D-Struktur mittels verschachtelter Schleifen 57 4.4 Direkte Generierung einer 2D-Struktur mittels verschachtelter Schleifen Das System in Abbildung 4.31 soll direkt generiert werden, d.h. es sollen keine Geometriegrößen erzeugt werden, sondern nur Knoten und Elemente. Hierzu soll eine verschachtelte Schleifenstruktur verwendet werden. Für das System in Abbildung 4.32 soll die Eingabedatei dahingehend erweitert werden, dass mit Hilfe einer if-Anweisung die fehlenden Elemente nicht erzeugt werden. Abbildung 4.3: Loop 2D 1 2 3 4 5 6 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 9La ! Bsp. einer Schleife zur direkten ! Generierung einer 2D-Struktur. ! Steffen Gerke, Herbst 2006, Update Okt.2008 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 7 8 9 finish /clear 14 15 16 17 1 2 3 4 5 6 7 8 11 16 17 18 et,1,42,,,2 23 24 26 *do,E2,1,4,1 *do,E1,1,8,1 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 27 *do,K2,1,5,1 *do,K1,1,9,1 n,K1+(K2-1)*10,(K1-1)*0.25,(K2-1)*0.25 *enddo *enddo 31 34 HW1=E1+(E2-1)*10 HW2=E1+1+(E2-1)*10 HW3=E2*10+E1+1 HW4=E2*10+E1 e,HW1,HW2,HW3,HW4 *enddo *enddo Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 9Lb ! Bsp. einer Schleife zur direkten Generie! rung einer 2D-Struktur. Hier modifiziert: ! Mit Hilfe einer if-Anweisung werden einige ! Elemente ausgelassen. ! Steffen Gerke, Herbst 2006, Update Okt.2008 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 19 *enddo 30 32 33 21 22 24 mp,ex,,2.1E8 mp,prxy,,0.3 et,1,42,,,2 25 26 27 29 30 32 33 *do,K2,1,5,1 *do,K1,1,9,1 n,K1+(K2-1)*10,(K1-1)*0.25,(K2-1)*0.25 *enddo 1 2 3 4 23 31 /prep7 !Hilfswert !Hilfswert !Hilfswert !Hilfswert 20 28 finish /clear 14 15 22 29 12 13 mp,ex,,2.1E8 mp,prxy,,0.3 21 28 9 10 20 /prep7 12 13 19 25 10 11 18 34 35 36 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS *do,E2,1,4,1 *do,E1,1,8,1 *if,E2,eq,3,and,E1,eq,4,cycle *if,E2,eq,3,and,E1,eq,5,cycle HW1=E1+(E2-1)*10 !Hilfswert HW2=E1+1+(E2-1)*10 !Hilfswert HW3=E2*10+E1+1 !Hilfswert HW4=E2*10+E1 !Hilfswert e,HW1,HW2,HW3,HW4 *enddo *enddo 1 2 3 4 ˇ -Version vom 10. April 2013 Kapitel 5 Hinweise zur Modellbildung 5.1 Modellierung mit Volumenelementen Das Vernetzen mit Volumenelementen ist wesentlich aufwendiger als das Vernetzen von Flächen insbesondere, wenn ein regelmäßiges Netz erzeugt werden soll. Wie bereits in Abschnitt 3.3 erläutert kann die regelmäßige Vernetzung von Flächen dadurch gewährleistet werden, dass alle zu vernetzenden Flächen von vier Linien berandet sind. Dies wird nun genutzt, um eine regelmäßige Vernetzung von Volumenelementen zu ereichen, indem das Volumen durch Extrudieren einer von vier Linien berandeten Fläche mit dem Befehel vext - erzeugt wird. 5.1.1 Arbeitsebene Die Arbeitsebene (Working Plane) ist die Ebene, die als Bezugssystem für die Eingabe von bestimmten Befehlen dient. Wird zum Beispiel ein Rechteck mit dem Befehl rectng erzeugt, beziehen sich die vorgegebenen Koordinaten auf das zweidimensionale kartesische Koordinatensystem im Ursprung der Arbeitsebene. Als Standard entspricht die Arbeitsebene der xy-Ebene im globalen kartesischen Koordinatensystem. Es ist möglich neue Arbeitsebenen zu definieren. In dem nachfolgenden Beispiel wird die Arbeitsebene mit dem Befehl wpoffs verschoben, um die Ergebnisse im Schnitt des Modells mit der Arbeitsebene darstellen zu können (siehe Bild 5.2). Neue Arbeitsebenen können auch durch Rotation der aktuellen Arbeitsebene oder durch die eundeutige Lage von Knoten bzw. Keypoints festgelegt werden, siehe hierzu die Befehle wprota, nwplane, nwpave, kwplan, kwpave. Es kann nicht mehrere Arbeitsebene zur gleichen Zeit geben, durch erzeugen einer neuen Arbeitsebene wird die alte gelöscht. 5.1.2 Wärmeleitung am Beispiel einer Balkonplatte Für die in Abbildung 5.1 dargestellte Balkonplatte soll unter den gegebenen Randbedingungen der Temperaturverlauf gefunden werden. Hierbei sind drei verschiedenen Belastungsarten (Konstante Wärme, Konvektion und Sonneneinstrahlung) zu berücksichtigen. Konstante Wärme Konvektion Sonneneinstrahlung Abbildung 5.1: Lastfälle die berücksichtigt werden müssen 60 5 Hinweise zur Modellbildung Um eine solche Berechnung durchführen zu können, soll die Balkonplatte erst mit den solid70Volumenelementen modelliert werden. Hierzu soll die Strategie verwendet werden, zuerst die Stirnfläche regelmäßig zu vernetzen und dann dieses Netz zu extrudieren. Für die Lösung der Aufgabe sollen die fehlenden Parameter sinnvoll gewählt werden. Im Folgenden wird die ANSYS -Eingabedatei zu dem hier vorgestellten Beispiel angegeben. 1 2 3 4 5 Quellcode !-------------------------------------------! 7N ! 3D-Struktur ’Balkon’, Wärmeleitung ! Nikolai Gerzen Oktober 2008 !-------------------------------------------- 6 7 8 11 ! Aktuellen Prozess beenden finish 16 19 20 21 24 25 26 27 54 !-------------------------------------------- 32 33 34 37 38 39 58 59 ! Erzeugen der Grundflächen rectng,-1,0,1,2 pcirc,0,1.8 asba,1,2,,delete,delete 60 61 ! Lösungsteil starten /solu ! Randbedingungen ! 1. Hauswand, 20° nsel,s,loc,x,-1 d,all,,20,,,,temp, nsel,all ! 2. Wärmestromdichte, 200 [W/m^2] nsel,s,loc,y,2 sf,all,hflux,200 nsel,all 62 63 64 ! Vernetzen der Fläche et,1,55 lesize,all,,,5 mshkey,1 amesh,all 65 66 67 68 69 70 71 ! Materialeigenschaften, Elementtyp et,2,70 mp,kxx,2,20 type,2 mat,2 72 ! 3. Konvektion, restliche Flächen, ! 10 [W/(m^2 K)] csys,1 asel,s,loc,x,1.8 nsla,s,1 csys,0 nsel,a,loc,x,0 nsel,a,loc,z,0 nsel,a,loc,z,2 sf,all,conv,10,0 73 74 allsel,all 75 76 77 ! Extrudieren des Flächennetzes zum Volumen! netz esize,0,8, vext,all,,,0,0,2, 40 41 !-------------------------------------------- 57 35 36 55 56 ! Preprozessor starten /prep7 29 31 47 53 28 30 46 52 22 23 ! Preprozessor beenden finish 51 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 17 18 45 50 14 15 44 49 12 13 aclear,all 43 48 9 10 42 ! System lösen solve 78 79 80 ! Lösungsteil beenden finish 81 82 !-------------------------------------------- ! Entfernen der Flächenelemente Die Darstellung der Ergebnisse für 3D-Strukturen wird am Beispiel einer Animation in folgender Eingabedatei demonstriert. 1 2 3 Quellcode !-------------------------------------------! 7Nc ! Postprocessing (Animation der 3D-Körper) ˇ -Version vom 10. April 2013 4 5 6 ! 3D-Struktur ’Balkon’, Wärmeleitung ! Andrea Sindern, Oktober 2008 !-------------------------------------------- Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 5.1 Modellierung mit Volumenelementen 7 8 9 10 finish /post1 /view,1,1,1,1 /ang,1 11 12 61 14 15 PLNSOL,TEMP, ANCUT,10,0.5,,,,,43,37,48 16 17 ! Speichern des Films 18 ! Animieren einer Ebene 13 19 20 /anfile,save,film,avi !-------------------------------------------- Einfache Darstellung der Ergebnisse in einem Schnitt ist ebenfalls möglich und wird im Folgenden vorgeführt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Quellcode !-------------------------------------------! 7Nb ! Postprocessing (Körperinnere darstellen) ! 3D-Struktur ’Balkon’, Wärmeleitung ! Andrea Sindern, Oktober 2008 !-------------------------------------------finish /post1 /view,1,1,1,1 /ang,1 11 wpoffs,0,0,1 15 16 17 18 ! schneiden der definierten Arbeitsebene /cplane,1 19 20 21 22 ! Plotten des Schnittes mit Anzeige des ! Restvolumens /type,1,5 23 24 25 12 13 14 26 ! Anzeigen der Temperatur plnsol,temp !-------------------------------------------- ! Versetzen des Koordinatenursprungs Im Bild 5.2 sind die Ergebnisse dieser FE-Berechnung dargestellt. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 62 5 Hinweise zur Modellbildung 12.861 14.7 13.781 (a) FE-Netz 12.861 14.7 13.781 16.539 15.619 18.377 17.458 20.216 19.297 21.135 (b) Temperatur 18.377 17.458 16.539 15.619 20.216 19.297 12.861 21.135 14.7 13.781 (c) Temperatur im Schnitt 1 16.539 15.619 18.377 17.458 20.216 19.297 21.135 (d) Temperatur im Schnitt 2 Abbildung 5.2: Ergebnisse der FE-Berechnung 5.1.3 Modellierung eines Rahmens mit 3D-Elementen In der Abbildung 5.3 a). ist ein Rahmen, welcher mit einer Einzellast in der Mitte des Riegels belastet wird, dargestellt. Der Rahmen soll als ein Volumen modelliert werden. F F c a d b Abbildung 5.3: Rahmen mit mittiger Belastung Gehen Sie bei der Lösung der Aufgabe, wie folgt vor: ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 5.1 Modellierung mit Volumenelementen 63 Schreiben Sie eine Eingabedatei, die für verschiedene Abmessungen des Rahmens funktioniert. Das heißt die Größen a, b , c und d sollen im Kopf der Datei als Variablen deklariert werden. Erzeugen Sie ein regelmäßiges Netz aus 8-knotigen solid45-Elementen. Verwenden Sie die gleiche Strategie wie beim vorherigem Beispiel. Spannen Sie die Stützen ein und belasten Sie den Riegel in der Mitte mit einer Einzelkraft. Lösen Sie das System und lesen Sie die Verschiebung in der Riegelmitte ab. Vergleichen Sie die abgelesene Verschiebung mit einer, die mit Hilfe der beam3-Elementen berechnet wurde. Das heißt modellieren Sie den Rahmen mit den erwähnten Balkenelementen. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 64 5 Hinweise zur Modellbildung 5.2 Modellbildung 5.2.1 Kragarm eines L-Profils mit Volumenelementen und Balkenelementen Das in Abbildung 5.4 gezeigte Profil wird als Kragarm verwendet und mit einer Last von 1 kN in x-Richtung belastet, vgl. Abbildung 5.5. Zum einen wird eine sehr aufwendige Modellierungsvariante mit solid185-Elementen vorgestellt und zum anderem eine Modellierung mit beam188-Elementen. y t2 r1 W1 r3 r2 t1 x W2 Abbildung 5.4: Flächengenerierung zur Vernetzung des L-Profils PN x y ’Eingespannt’ z L1 Abbildung 5.5: Systemskizze Kragarm 1 2 3 4 5 6 7 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 10La ! Berechnung eines L-Profils ! mit Beam188 Elementen ! Steffen Gerke, Oktober 2008 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 8 9 10 11 ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 29 31 ˇ -Version vom 10. April 2013 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 32 33 35 ! Keypoints für Geometrie k,1,0.0,0.0,0.0 k,2,0.0,0.0,L1 36 37 39 40 41 ! Keypoints zur Ausrichtung des Profils k,3,1.0,0.0,0.0 k,4,-1.0,0.0,0.0 k,5,0.0,1.0,0.0 k,6,0.0,-1.0,0.0 42 43 44 ! Linie zum Vernetzen l,1,2 45 47 48 49 50 ! Steuerparameter zur Ausrichtung Profil ! Starten Preprozessor /prep7 30 46 ! Definieren der MAterialparameter EYOUNG = 210E3 POIS = 0.3 24 25 28 38 ! Definieren Geometrie Parameter W1 = 30 W2 = 40 T1 = 5 T2 = 4 L1 = 1000 LASTX = 1000 STEUER = 5 27 34 12 13 26 ! Elementtyp und Profil et,1,beam188 sectype,1,beam,l secdata,W1,W2,T1,T2 ! secplot,1 51 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 5.2 Modellbildung 52 53 ! Ausrichtung des Profils latt,,,,,STEUER 54 55 56 57 60 61 2 3 4 5 6 7 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 10Lb ! Berechnung eines L-Profils ! mit Solid185 Elementen (fein vernetzt) ! Steffen Gerke, Oktober 2008 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 10 11 12 13 14 17 18 19 20 21 22 23 24 25 28 29 30 31 32 35 36 37 38 39 40 52 53 54 55 56 ! Lösen solve finish rectng,W2-R2,W2-R2/2,T1-R2,T1-R2/2 aovlap,all KEY2=kp(W2-R2/2,T1-R2/2,0,) l,2,KEY2 asbl,all,all 57 58 59 61 62 63 65 66 68 69 ! 3. Gekrümmte Fläche Mitte rectng,T2-R1,T2+R3,T1-R2,T1+R3 cyl4,T2+R3,T1+R3,R3,180,,270 aovlap,all asel,s,loc,x,T2,T2+R3 asel,r,loc,y,T1,T1+R3 adele,all,,,1 alls KEY3=kp(T2-R1,T1-R2,,) l,KEY3,3 l,3,4 asbl,all,all 70 71 72 73 74 75 76 77 ! 4. Zwischenrechtecke rectng,T2-R1,T2,T1+R3,W1-R1 rectng,T2+R3,W2-R2,T1-R2,T1 KEY4=kp(T2-R1/2,W1-R1,,) l,3,KEY4 KEY5=kp(W2-R2,T1-R2/2,,) l,3,KEY5 asbl,all,all 79 80 81 83 84 85 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Erzeugen der Flächen ! Keypoints zur Hilfe k,1,T2,W1 k,2,W2,T1 k,3,T2-R1/2,T1-R2/2 k,4,T2+R3,T1+R3 41 42 72 82 ! Starten Preprozessor /prep7 33 34 71 78 ! Definieren der MAterialparameter EYOUNG = 210E3 POIS = 0.3 ! Beenden Preproc. und starten Lösungsteil finish /solu 70 67 ! Definieren Geometrie Parameter W1 = 30 W2 = 40 T1 = 5 T2 = 4 R1 = 2 R2 = 2.5 R3 = 3 L1 = 1000 LASTX = 1000 26 27 68 64 ! Winkeleingabe in Grad *afun,deg 15 16 67 60 ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start ! Auflager und Kräfte dk,1,all fk,2,fx,-LASTX 66 73 8 9 64 69 ! Vernetzen esize,100 lmesh,all 62 1 63 65 ! Materialeigenschaften mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS 58 59 65 86 87 88 89 ! 5. Restliche Rechtecke rectng,0,T2/2,W1-R1/2,W1 rectng,0,T2/2,W1-R1,W1-R1/2 rectng,0,T2/2,T1+R3,W1-R1 rectng,0,T2/2,T1-R2,T1+R3 rectng,0,T2/2,0,T1-R2 rectng,T2/2,T2+R3,0,T1-R2 rectng,T2+R3,W2-R2,0,T1-R2 rectng,W2-R2,W2-R2/2,0,T1-R2 rectng,W2-R2/2,W2,0,T1-R2 90 91 92 ! 6. Verbinden der Flächen aglue,all 93 ! 1. Gekrümmte Fläche ’oben’ cyl4,T2-R1,W1-R1,R1,0,,90 rectng,T2-R1,T2-R1/2,W1-R1,W1-R1/2 aovlap,all KEY1=kp(T2-R1/2,W1-R1/2,0,) l,1,KEY1 asbl,all,all 102 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Materialeigenschaften und Vernetzen mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS et,1,42 mshkey,1 amesh,all /eof ! 2. Elementtyp Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 43 44 45 46 47 48 49 50 51 94 95 96 97 98 99 100 101 ! 2. Gekrümmte Fläche ’rechts’ cyl4,W2-R2,T1-R2,R2,0,,90 66 103 5 Hinweise zur Modellbildung et,2,185 105 106 107 108 117 ! Extrudieren und Löschen der Flächenelemente esize,,400 vext,all,,,0,0,L1 aclear,all 109 110 111 112 113 118 119 120 121 122 ! Auflager und Kräfte nsel,s,loc,z,0.0 d,all,all nsel,all 123 ! Beenden Preprocessor und starten Lösungsteil finish /solu 124 125 126 114 115 nsel,r,loc,x,0.0 nsel,r,loc,y,0.0 f,all,fx,-LASTX nsel,all 116 104 127 ! Lösen solve finish nsel,s,loc,z,L1 5.2.2 Kragarm mit veränderlicher Höhe Das in Abbildung 5.6 gezeigte System soll möglichst genau berechnet werden. Hierzu sind die Geometriedaten und Materialdaten in der unten stehenden Tabelle angegeben. Modellannahmen, wie die Art der Lagerung, Aufbringung der Last, Wahl des Elementtypes zur Approximation der Geometrie, sind sinnvoll zu wählen. PN y x Abbildung 5.6: Balken mit veränderlicher Höhe Die Geometrie und Materialdaten sind wie folgt festgelegt: Länge H1 (Einspannung) H2 (Lastangriffspunkt) Dicke ˇ -Version vom 10. April 2013 100 Œcm 12,5 Œcm 2,5 Œcm 0,5 Œcm E-Modul PN 21.000 ŒkN=cm2 0,3 Œ 10 ŒkN Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 5.3 Einführung General Postprocessor 67 5.3 Einführung General Postprocessor Ist die Berechnung abgeschlossen und die Berechnungsergebnisse sind in der Datenbank abgelegt, bietet ANSYS eine vielzahl von Möglichkeiten die Ergebnisse darzustellen. Neben dem Ausgeben von Grafiken und tabellarischen Auflistungen können die Resultate auch entlang von definierten Pfaden abgebildet werden. Pfadoperationen. Mit dem Befehl ppath kenn ein Pfad definiert werden. Dies kann über das Auswählen von Knoten oder Koordinaten in der aktiven Arbeitsebene, sowie durch spezifische Koordinaten geschehen. Zur Auswertung der Ergebnisse entlang des Pfades stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, siehe hierzu in der ANSYS -Hilfe: Command Reference !2. Command Groupings !2.7. POST1 Commands !Table 2.94 Listing. Ergebnisse Listen. Zur Auflistung von Ergebnissen siehe in der ANSYS -Hilfe: Command Reference !2. Command Groupings !2.7. POST1 Commands !Table 2.96 Path Operations. Die Grafische Darstellung ist vielleicht der effektivste Weg Ergebnisse zu prüfen. Im General Postprocessor (post1) können mehrere Typen von Grafiken ausgegeben werden. Zum Beispiel zeigt Contour Displays die Verläufe von Ergebniskomponenten (z.B. Spannungen, Temperaturen, Verformungen) über das Modell. So kann z.B. die Gesamtverschiebung über die Benutzeroberfläche abgerufen werden: Main Menu !General Postproc !Plot results !Contour Plot !Nodal Solution !DOF Solution !Displacement Vector sum Oder direkt als Befehl in APDL: PLNSOL,u,sum,0. Deformed Shape Displays kann ausgeben, wie sich die modellierte Struktur unter der aufgebrachten Last verformt. Vector Displays stellt mit Hilfe von Vektoren die gewünschte Größe (z.B. Verschiebungen, Verdrehungen) über die Struktur da. Weitere Hinweise finden sich in der ANSYS -Hilfe: Basic Analysis Guide !7. The General Postprocessor (POST1) !7.2. Reviewing Results in POST1. Bilder speichern. Über: Utility Menu !PlotCtrls !Redirect Plots !To ’Dateiformat’ können Bilder abgespeichert werden. Hier lassen sich auch weitere Einstellungen zu Bildqualität etc. vornehmen. Für Bilder, die in Printmedien Verwendung finden sollen ist es sinnvoll die Hintergrundfarbe der Bilder (Standarddarstellung in ANSYS schwarz) zu ändern. Mit der Option ’Force White BG and Black FG’ werden die Bilder mit weißem Hintergrund ausgegeben. Videos speichern. Videos lassen sich über: Utility Menu !PlotCtrls !Animate erzeugen. Mit ... !Deformed Shape... lässt sich zum Beispiel Ein Video erzeugen, wie sich das Modell vom Ausgangszustand in die Verformte Konfiguration bewegt. Über: ... !Mode Shape... sind noch weitere Features Verfügbar, z.B. die Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 68 5 Hinweise zur Modellbildung Entwicklung des Spannungsverlaufes über die Verformung. Erzeugte Animationen können über Utility Menu !PlotCtrls !Animate !save Animation... gespeichert werden. Logos entfernen. Im Grafikfenster sind standardmäßig noch zusätzliche Informationen dargestellt, die über Utility Menu !PlotCtrls !Window Controls !Window Options auch ausgeblendet werden können, um eine bessere Übersichtlichkeit zu schaffen, hierzu gehören: ANSYS Logo Darstellung Legende Überschrift Legende Titel Jobname Datum und Zeit Lage des Koordinatensystems Contour Legende Lager und Kräfte darstellen. Über: Utility Menu !PlotCtrls !symbols lässt sich steuern, welche Symbole angezeigt werden sollen. Hierzu gehören z.B. Symbole der Auflagerbedingungen und Darstellung von Einzel- und Flächenlasten. Vektorgrafiken. (nicht zu verwechseln mit Vector Displays.) Um Qualitätsverluste beim Einbinden von Grafiken in Präsentationen etc. zu vermeiden empfiehlt sich die Verwendung von Vektorgrafiken, um eine stufenlose und verlustfreie Skalierbarkeit der Bilder nutzen zu können. Beim Export von Bildern aus ANSYS sollte also das Dateiformat .PSCR (PostScript) verwendet werden. Geometrie einlesen und speichern. Für den Import von Geometriedaten ist ANSYS in der Lage verschieden Herstellerabhängige und unabhängige CAD-Datenformate zu lesen. Hierzu gehören: IGES CATIA CATIA V5 CREO PARAMETRIC NX SAT ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 5.3 Einführung General Postprocessor 69 PARA Der Import von Dateien kann über: Utility Menu !File !Import ausgeführt werden. Der Export von IGES-Dateien kann über: Utility Menu !File !Export geschehen. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 Kapitel 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium Die in diesem Kapitel vorgestellten Einheiten sollen die Inhalte der vorherigen Kapitel vertiefen und wiederholen. Insbesondere wird auf die Frage der Modellbildung vertiefend eingegangen. Ebenfalls werden noch weitere spezielle Arbeitstechniken vorgestellt. Die Arbeitseinheiten sind so ausgelegt, dass sie an einem Tag bearbeitet werden können. Einführende Beispiele sind hier nicht vorgesehen. 6.1 Elastische Bettung mit Federn 6.1.1 Übersichtsbeispiel mit direkter Generierung Die in Abbildung 6.1 gezeigte Struktur soll modelliert werden. Für die Scheibe sollen plane42 Elemente im ebenen Spannungszustand (ESZ) und für die Feder sollen combin14 Elemente verwendet werden. Bei der Modellierung sollen Knoten und Elemente direkt generiert werden, d.h es werden keine Geometriegrößen erzeugt. Verwenden Sie hierzu keine Schleifenstruktur. Parametrisieren Sie die Eingabedatei soweit, dass später die Abmessungen, die Last, die Federsetiefigkeiten und die Materialdaten einfach geändert werden können. Die Anzahl und Anordnung der Elemente soll konstant bleiben. Ebr PN Eho Abbildung 6.1: Elastische Bettung mit direkter Generierung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 12L ! Scheibe mit elastischer Bettung, die durch ! Federn realisiert ist ! Elementtypen: plane42 (ESZ) und combin14 ! Einfaches Beispiel zur Demonstration ! Direkte Generierung ! Steffen Gerke, Nov. 2008 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start 13 14 15 16 17 18 19 20 21 ! Materialeigenschaften EYOUNG = 100E3 POIS = 0.3 22 23 24 ! Federsteifigkeit FEDSTEIF = 1000 25 26 27 28 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Definition von Parametern ! Gesamtlast oben GESLAST = 100 29 ! Geometrie EBR = 10 EHO = 10 EDI = 1 72 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium 30 31 32 33 72 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Starten des Preprocessors /prep7 34 35 36 37 38 39 40 ! Knoten n,1,0,0 n,2,EBR,0 n,3,2*EBR,0 n,4,3*EBR,0 n,5,4*EBR,0 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 55 56 57 58 59 60 63 64 65 66 67 ! Elementtyp, Material, Real Constants ! Plane42 mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS et,1,plane42 keyopt,1,3,3 ! ESZ r,1,EDI ! Federn, Combin14 et,2,combin14 keyopt,2,3,2 ! type,2 r,2,FEDSTEIF r,3,FEDSTEIF/2 ! Rand 70 71 80 81 82 ! Combin14 ! ’Mitte’ type,2 real,2 84 85 86 87 e,2,12 e,3,13 e,4,14 88 90 91 92 ! ’Rand’ real,3 e,1,11 e,5,15 93 94 96 97 98 99 100 ! Auflager ! Federn d,1,all d,2,all d,3,all d,4,all d,5,all 101 102 ! horizontal d,21,ux,0 104 105 106 ! Last f,23,fy,-GESLAST 107 108 109 110 ! Elemente erzeugen ! Plane42 mat,1 e,11,12,22,21 e,12,13,23,22 e,13,14,24,23 e,14,15,25,24 79 103 68 69 78 95 61 62 77 89 n,21,0,2*EHO n,22,EBR,2*EHO n,23,2*EBR,2*EHO n,24,3*EBR,2*EHO n,25,4*EBR,2*EHO 53 54 75 83 n,11,0,EHO n,12,EBR,EHO n,13,2*EBR,EHO n,14,3*EBR,EHO n,15,4*EBR,EHO type,1 real,1 74 76 41 42 73 111 112 113 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Lösen finish /solu solve finish 6.1.2 Verschachtelte Schleifenstruktur Die in Abbildung 6.2 gezeigte Struktur soll direkt mittels einer Schleifenstruktur erzeugt werden. Für die Scheibe sollen plane42 Elemente im ebenen Spannungszustand (ESZ) und für die Feder sollen combin14 Elemente verwendet werden. Bei der Modellierung sollen die Abmessungen Ho und Br sowie die Anzahl der Elemente Eh und Eb flexibel gehalten werden. Ferner soll die Federsteifigkeit, die Last und Materialeigenschaften einfach zu verändern sein. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.1 Elastische Bettung mit Federn 73 PN Ho Br Abbildung 6.2: Elastische Bettung, direkte Generierung mit Schleifenstruktur 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 13L ! Scheibe mit elastischer Bettung, die durch ! Federn realisiert ist ! Elementtypen: plane42 (ESZ) und combin14 ! Beispiel zur Demonstration ! Direkte Generierung mit Schleifen ! Steffen Gerke, Nov. 2008 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start 13 14 15 16 17 20 21 24 25 26 27 28 29 32 33 ! Geometrie BR = 80 HO = 20 DI = 1 36 37 ! Elementanzahl EB = 8 EH = 2 40 41 42 43 44 47 48 49 57 58 59 ! Federn, Combin14 et,2,combin14 keyopt,2,3,2 type,2 r,2,FEDSTEIF r,3,FEDSTEIF/2 60 61 62 63 65 66 67 ! Elemente erzeugen ! Plane42 mat,1 type,1 real,1 *do,J,1,EH,1 *do,I,1,EB,1 68 70 71 72 !Bestimmung Hilfswerte 1 bis 4 Hw1=I+(EB+1)*J Hw2=I+(EB+1)*J+1 Hw3=I+(1+J)*(EB+1)+1 Hw4=I+(1+J)*(EB+1) 74 75 77 78 e,HW1,HW2,HW3,HW4 80 82 83 84 ! Combin14 type,2 real,2 *do,J,2,EB,1 e,J,EB+1+J *enddo 86 87 88 real,3 e,1,EB+2 e,EB+1,2*(EB+1) 90 91 92 93 94 ! Auflager nsel,s,loc,y,0 d,all,all nsel,all 95 96 ! Elementtyp, Material, Real Constants ! Plane42 mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS et,1,plane42 *enddo *enddo 79 89 ! Knoten über Schleifen *do,J,1,EH+2,1 *do,I,1,EB+1,1 n,I+(J-1)*(EB+1),(I-1)*BR/EB,(J-1)*HO/EH *enddo *enddo 45 46 56 85 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Starten des Preprocessors /prep7 38 39 55 81 34 35 !ESZ 76 30 31 54 73 ! Federsteifigkeit FEDSTEIF = 1000 keyopt,1,3,3 r,1,DI 53 69 ! Materialeigenschaften EYOUNG = 100E3 POIS = 0.3 22 23 52 64 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Definition von Parametern ! Gesamtlast oben GESLAST = 100 18 19 51 d,EB+2,ux,0 ! horizontal 97 98 f,(EB+1)*(EH+1)+EB/2+1,fy,-GESLAST 99 101 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Lösen Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 50 100 74 102 103 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium finish /solu 104 105 solve finish 6.1.3 Parameterstudie an einem Streifenfundament Das in Abbildung 6.3 gezeigte Fundament mit elastischer Bettung soll modelliert werden. Halten Sie hierbei die Geometrieabmessungem, Vernetzung sowie die Feder und Materialdaten flexibel. pN Ho Hu Bl Bm Br Abbildung 6.3: Fundament mit elastischer Bettung Fühern Sie eine PArameterstudie über die Federsteifigkeiten in 10’er Potenzen durch. Hierbei sollen folgende Parameter gelten: Bl D 2000 Œmm Bm D 400 Œmm Br D 2000 Œmm Hu D 400 Œmm Ho D 1000 Œmm pN D 10:000 ŒN=mm E-Modul D 35E3 N=mm2 D 0; 2 Œ Stellen Sie die Spannungen in y-Richtung grafisch dar. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.1 Elastische Bettung mit Federn 75 5,0 Spannung 0,0 -5,0 -10,0 0.01 0.1 1 10 100 1000 -15,0 -20,0 -25,0 0 1.100 2.200 x-Koordinate 3.300 4.400 Abbildung 6.4: Knotenkräfte bei verschiedenen Federsteifigkeiten 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 14L ! Scheibe, Art Wand auf Fundament, die mit ! Federn gelagert ist. ! Elementtypen: plane182 und combin14 ! Steffen Gerke, Nov. 2008 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start 12 13 14 17 18 19 20 21 22 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Definition von Parametern 25 26 27 28 29 30 31 32 33 36 37 45 46 47 48 49 51 53 54 ! Federsteifigkeit FEDSTEIF = 10**(SCALEC) !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Starten des Preprocessors /prep7 56 57 58 59 60 61 62 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Geometrieerzeugung ! 1. Flächen rectng,0,BL,0,HU rectng,BL,BL+BM,0,HU rectng,BL+BM,BG,0,HU rectng,BL,BL+BM,HU,HU+HO 64 65 66 ! 2. Verkleben der Flächen aglue,all 67 68 69 71 72 73 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Vernetzung ! 1. Elementtyp und Materialeigenschaften mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS et,1,plane182 keyopt,1,3,2 !EVZ 75 76 77 78 ! 5. Materialeigenschaften !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Äussere Schleife *do,SCALEC,-2,12,1 ! Speichern parsav,all,speich /clear parres,new,speich 50 74 ! 4. Last ! Gesamtlast oben GESLAST = 10000 ![N/mm] 38 39 44 70 ! 3. Federn ! Abstand der Federknoten zum Bauteil ABSFED = 300 34 35 43 63 ! 2. Vernetzung ELBL = 20 ELBM = 4 ELBR = 20 ELHU = 4 ELHO = 10 EYOUNG = 35E3 ![N/mm^2] POIS = 0.2 ![-] 42 55 ! 1. Geometrie BL = 2000 BM = 400 BR = 2000 BG = BL + BM + BR HU = 400 HO = 1000 23 24 41 52 15 16 40 79 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ! 2. Vorvernetzen von Linien lsel,s,loc,y,0 lsel,r,loc,x,0,BL lesize,all,,,ELBL ˇ -Version vom 10. April 2013 76 80 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium lsel,all 145 81 82 83 84 85 146 lsel,s,loc,y,0 lsel,r,loc,x,BL,BL+BM lesize,all,,,ELBM lsel,all 147 148 149 150 86 87 88 89 90 151 lsel,s,loc,y,0 lsel,r,loc,x,BL+BM,BG lesize,all,,,ELBR lsel,all 152 153 154 155 91 92 93 94 95 156 lsel,s,loc,x,0 lsel,r,loc,y,0,HU lesize,all,,,ELHU lsel,all 157 158 159 160 96 97 98 99 100 103 104 162 163 164 165 166 ! 3. Vernetzen mshkey,1 amesh,all 167 168 169 170 105 106 107 108 109 110 111 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Federn ! 1. Elementtyp et,2,combin14 keyopt,2,3,2 type,2 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 171 172 173 174 ! 2. Auslesen der Knotendaten nsel,s,loc,y,0 *get,ANZNOE1,node,0,count *dim,T_,array,ANZNOE1,3 *get,MAXNODEN,node,0,num,max *get,MINNODEN,node,0,num,min LAUFREAL = 0 *do,L1,MINNODEN,MAXNODEN,1 *get,FLAGNODE,node,L1,nsel *if,FLAGNODE,eq,-1,cycle *get,XNODE,node,L1,loc,x *get,YNODE,node,L1,loc,y LAUFREAL = LAUFREAL + 1 T_(LAUFREAL,1)=L1 T_(LAUFREAL,2)=XNODE T_(LAUFREAL,3)=YNODE *enddo nsel,all 176 178 nsel,s,loc,y,-ABSFED d,all,all alls 179 180 181 182 183 184 185 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Lösen finish /solu solve finish 186 187 188 189 190 191 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Postprocessing /post1 FEDER=chrval(SCALEC) *cfopen,FEDSTEIFIGKEIT_10E%FEDER%,txt 192 193 194 *vwrite (’Koordinate_x’,’ ’,’Spannung_y’) 195 196 ! 3. Erzeugen der Federelemente *do,L2,1,ANZNOE1,1 HW1=BL+BM !Hilfswert 1 n,T_(L2,1)+10000,T_(L2,2),T_(L2,3)-ABSFED *if,T_(L2,2),eq,0,then r,L2,BL/ELBL/2*FEDSTEIF *elseif,T_(L2,2),gt,0,and,T_(L2,2),lt,BL r,L2,BL/ELBL*FEDSTEIF *elseif,T_(L2,2),eq,BL r,L2,(BL/ELBL/2+BM/ELBM/2)*FEDSTEIF *elseif,T_(L2,2),gt,BL,and,T_(L2,2),lt,HW1 r,L2,BM/ELBM*FEDSTEIF *elseif,T_(L2,2),eq,BL+BM ˇ -Version vom 10. April 2013 nsel,s,loc,y,HU+HO nsel,u,loc,x,BL nsel,u,loc,x,BL+BM f,all,fy,-GESLAST/(ELBM-1) nsel,all nsel,s,loc,y,HU+HO nsel,r,loc,x,BL f,all,fy,-GESLAST/(ELBM-1)/2 nsel,all nsel,s,loc,y,HU+HO nsel,r,loc,x,BL+BM f,all,fy,-GESLAST/(ELBM-1)/2 alls 175 177 131 132 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Weitere Randbedingungen ksel,s,loc,x,0 ksel,r,loc,y,HU dk,all,ux,0 ksel,all 161 lsel,s,loc,x,BL lsel,r,loc,y,HU,HU+HO lesize,all,,,ELHO alls 101 102 r,L2,(BM/ELBM/2+BR/ELBR/2)*FEDSTEIF *elseif,T_(L2,2),gt,HW1,and,T_(L2,2),lt,BG r,L2,BR/ELBR*FEDSTEIF *elseif,T_(L2,2),eq,BG r,L2,BR/ELBR/2*FEDSTEIF *endif real,L2 e,T_(L2,1),T_(L2,1)+10000 *enddo 197 198 199 200 201 202 ! Spannungen in y-Richtung *do,L3,1,ANZNOE1,1 *get,SIGY,node,T_(L3,1),S,y XKOORD = T_(L3,2) *vwrite,XKOORD,SIGY (e12.4,’ ’,e12.4) *enddo 203 204 205 *cfclos finish 206 207 208 209 ! Löschen der Tabelle *del,,PRM_ *enddo Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.2 Einflüsse der Lagerung 77 6.2 Einflüsse der Lagerung Balken auf zwei Stützen Für eine Bauaufgabe wurden verschiedene Modellbildungen gewählt, die jetzt verglichen werden sollen. Als Vergleichsgrößen sollen hier die maximale Durchbiegung in Feldmitte sowie die Spannungsverteilung x ebenfalls in Feldmitte gelten. Alle Geometrie- und Materialkenndaten sind in Tabelle 6.1 angegeben. In Abbildung 6.5.a/ ist ein Balken auf zwei Stützen mit einer Linienlast pN gezeigt. Hierfür soll die analytische Lösung bestimmt werden. Die Linienlast pN und das Flächenträgheitsmoment Iz sollen so bestimmt werden, dass sie dem Eigengewicht und den Abmessungen des Balkens aus Abbildung 6.5.b/ entsprechen. Die Strukturen (b) bis (d) sind allein durch Ihr Eigengewicht belastet. Verwenden Sie den acel Befehl, um dieses aufzubringen. Für die Berechnungen soll ein reines Verschiebungselement im ebenen Spannungszustand verwendet werden. (a) (b) pN h (c) h (d) hs bs h b b Abbildung 6.5: Geometrien zur Balkenstudie Tabelle 6.1: Geometrie- und Materialangaben zur Abbildung 6.5 h 1,0 Œm E-Modul 35 109 ŒN=m2 hs 2.0 Œm 0,2 Œ Dichte 2; 6 103 Œkg=m3 b 10.0 Œm bs 30.0 Œcm Erdbeschleunigung g 9,8 Œm=s 2 Dicke d 25.0 Œcm Linienlast pN entsprechend Eigengewicht Was ändert sich, wenn bei den Strukturen (b) und (d) das horizontal verschiebliche Auflager auch horizontal fixiert wird? Analytische Lösung nach Balkentheorie Zuerst wird die Linienlast pN bestimmt. Hierzu sei daran erinnert, dass 1 ŒN D 1 Œkg Œm Œs 2 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS (6.1) ˇ -Version vom 10. April 2013 78 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium gilt. Hiermit ergibt sich die Linienlast zu 3 m Œkg Œm pN D 2600 3 0; 25 9; 8 2 Œm Œm Œs Œkg Œm D 6370 2 D 6370 ŒN=m Œs Œm (6.3) sowie das Flächenträgheitsmoment zu Iz D 1 1 d h3 D 0; 25 13 m4 D 20; 83 10 12 12 3 m4 : (6.4) Hiermit lässt sich die maximale Durchbiegung zu 5 pN b 4 384 E Iz 6370 ŒN=m 104 m4 5 D 1; 14 10 D 384 35 109 ŒN=m2 20; 83 10 3 Œm4 f D (6.6) 3 Œm und mit dem Moment 6370 ŒN=m 102 m2 pN b 2 M D D D 79; 63 103 ŒN m 8 8 (6.7) die maximale Spannung in Feldmitte zu x D ŒN 79; 63 103 ŒN m M ymin,max D .˙0; 5 Œm/ D ˙1; 91 106 2 3 4 Œm Iz 20; 83 10 Œm (6.8) bestimmen. Unten und Mittig gelagerte Scheibe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 15La ! Scheibe, mit Eigengewicht belastet, ! Mittig gelagert: AUFLAGER == 1 ! Unten gelagert: AUFLAGER == 2 ! Elementtypen: plane42 ! Steffen Gerke, Nov. 2008 ! Einheiten: m, s, kg, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start 12 13 16 18 20 21 22 23 24 25 26 27 28 30 31 ! Auflager ! Mittig gelagert: AUFLAGER == 1 ˇ -Version vom 10. April 2013 ! Unten gelagert: AUFLAGER = 1 AUFLAGER == 2 19 29 ! Parameter 14 15 17 32 33 ! Geometrie HOEHE = 1 ! [m] BREITE = 10 ! [m] DICKE = 0.25 ! [m] ! Anzahl Elemente Höhe ! gerade Anzahl verwenden ELMHOE = 10 ! Anzahl Elemente Breite ELMBRE = 100 ! Materialparameter EMODUL = 35E9 ! [N/m^2] QUERK = 0.2 ! [-] DICHTE = 2.6E3 ! [kg/m^3] ! Name der Ausgabedatei RESNAME = ’Name’ Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.2 Einflüsse der Lagerung 34 RESNAME = ’ScheibeUntenMiVer’ 35 36 37 40 41 42 43 44 45 46 47 48 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 51 52 53 54 55 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 ksel,r,loc,y,-HOEHE/2 dk,all,uy,0 dk,all,ux,0 *endif ksel,all 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 106 107 108 109 110 ! Schreibe Knotennummern ’Mitte’ in Tabelle nsel,s,loc,x,0 *get,ANZAHL,node,0,count *dim,TABNODES,array,ANZAHL *get,MAXNODEN,node,0,num,max *get,MINNODEN,node,0,num,min LAUFPARA = 0 *do,IJ,MINNODEN,MAXNODEN,1 *get,FLAGNODE,node,IJ,nsel *if,FLAGNODE,eq,-1,cycle LAUFPARA = LAUFPARA + 1 TABNODES(LAUFPARA)=IJ *enddo nsel,all finish 111 112 ! Vernetzen lsel,s,loc,y,HOEHE/2 lesize,all,,,ELMBRE/2 lsel,all lsel,s,loc,x,0 lesize,all,,,ELMHOE/2 lsel,all mshkey,1 amesh,all ! Benennen Knoten ’Unten-Mitte’ UNTEN = node(0,-HOEHE/2,,) 68 69 93 105 ! Geometrie rectng,-BREITE/2,0,0,HOEHE/2 rectng,0,BREITE/2,0,HOEHE/2 rectng,-BREITE/2,0,-HOEHE/2,0 rectng,0,BREITE/2,-HOEHE/2,0 aglue,all 56 57 92 94 ! Elementtyp: reines Verschiebungselement et,1,42 keyopt,1,3,3 keyopt,1,2,1 ! Materialeigenschaften mp,ex,1,EMODUL mp,prxy,1,QUERK mp,dens,1,DICHTE ! Real Constant Set r,1,DICKE 49 50 90 91 38 39 79 113 114 115 116 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Lösungsteil /solu solve finish 117 118 119 120 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Postprocessing /post1 121 122 123 ! Öffnen der Textdatei für Ausgabe *cfopen,RESNAME,txt 124 ! Randbedingungen ! Eigengewicht acel,,9.8 ! [m/s^2] ! Auflager *if,AUFLAGER,eq,1,then ksel,s,loc,x,-BREITE/2 ksel,r,loc,y,0 dk,all,ux,0 dk,all,uy,0 ksel,all ksel,s,loc,x,BREITE/2 ksel,r,loc,y,0 dk,all,uy,0 dk,all,ux,0 *elseif,AUFLAGER,eq,2 ksel,s,loc,x,-BREITE/2 ksel,r,loc,y,-HOEHE/2 dk,all,ux,0 dk,all,uy,0 ksel,all ksel,s,loc,x,BREITE/2 125 126 127 128 129 130 131 132 ! Verschiebung u_y am Knoten ’Mitte-Unten’ *get,DISPLUY,node,UNTEN,u,y *vwrite (’Y-Verschiebung unten’) *vwrite,DISPLUY (e12.4) *vwrite (’Koordinate_y’,’ ’,’Spannung_x’) 133 134 135 136 *do,IK,1,ANZAHL *get,KOORDY,node,TABNODES(IK),loc,y *get,STRESSX,node,TABNODES(IK),s,x 137 138 139 *vwrite,KOORDY,STRESSX, (e12.4,1x,e12.4) 140 141 *enddo 142 143 144 145 ! Close solution file *cfclos finish Scheibe mit Stützen Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 15Lb ! Scheibe mit Stützen, Last aus Eigengewicht ! Elementtypen: plane42 ! Steffen Gerke, Nov. 2008 ! Einheiten: m, s, kg, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start 10 11 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 29 32 33 34 35 36 37 38 39 40 43 44 45 46 49 50 51 54 59 60 61 64 65 75 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 ! Schreibe Knotennummern ’Mitte’ in Tabelle nsel,s,loc,x,0 *get,ANZAHL,node,0,count *dim,TABNODES,array,ANZAHL *get,MAXNODEN,node,0,num,max *get,MINNODEN,node,0,num,min LAUFPARA = 0 *do,IJ,MINNODEN,MAXNODEN,1 *get,FLAGNODE,node,IJ,nsel *if,FLAGNODE,eq,-1,cycle LAUFPARA = LAUFPARA + 1 TABNODES(LAUFPARA)=IJ *enddo nsel,all finish 91 92 94 95 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Lösungsteil /solu solve finish 97 98 99 100 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Postprocessing /post1 101 102 103 ! Öffnen der Textdatei für Ausgabe *cfopen,RESNAME,txt 104 105 106 108 109 110 111 112 114 115 116 117 119 120 121 aglue,all ! Verschiebung u_y am Knoten ’Mitte-Unten’ *get,DISPLUY,node,UNTEN,u,y *get,DISPLULY,node,UNLI,u,y *vwrite (’Y-Verschiebung unten’) *vwrite,DISPLUY (e12.4) *vwrite (’Y-Verschiebung unten links’) *vwrite,DISPLULY (e12.4) *vwrite (’Koordinate_y’,’ ’,’Spannung_x’) 124 ˇ -Version vom 10. April 2013 *vwrite,KOORDY,STRESSX, (e12.4,1x,e12.4) 125 126 *enddo 127 128 ! Benennen Knoten ’Unten-Mitte’ UNTEN = node(0,-HO/2,,) UNLI = node(-BR/2+STBR,-HO/2,,) *do,IK,1,ANZAHL *get,KOORDY,node,TABNODES(IK),loc,y *get,STRESSX,node,TABNODES(IK),s,x 122 123 ! Vernetzen lesize,all,ELGR mshkey,1 amesh,all 62 63 ! Auflager lsel,s,loc,y,-HO/2-STHO dl,all,,all lsel,all 118 rectng,-BR/2,-BR/2+STBR,-HO/2-STHO,-HO/2 rectng,BR/2-STBR,BR/2,-HO/2-STHO,-HO/2 57 58 74 113 rectng,-BR/2,-BR/2+STBR,0,HO/2 rectng,BR/2-STBR,BR/2,0,HO/2 rectng,-BR/2,-BR/2+STBR,-HO/2,0 rectng,BR/2-STBR,BR/2,-HO/2,0 55 56 73 107 ! Geometrie rectng,-BR/2+STBR,0,0,HO/2 rectng,0,BR/2-STBR,0,HO/2 rectng,-BR/2+STBR,0,-HO/2,0 rectng,0,BR/2-STBR,-HO/2,0 52 53 72 96 47 48 71 79 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Elementtyp: reines Verschiebungselement et,1,42 keyopt,1,3,3 keyopt,1,2,1 ! Materialeigenschaften mp,ex,1,EMODUL mp,prxy,1,QUERK mp,dens,1,DICHTE ! Real Constant Set r,1,DICKE ! Randbedingungen ! Eigengewicht acel,,9.8 ! [m/s^2] 70 93 41 42 69 78 ! Geometrie HO = 1.0 ! [m] BR = 10.0 ! [m] DICKE = 0.25 ! [m] STBR = 0.30 ! [m] STHO = 2.0 ! Vernetzen ELGR = 1.0/10.0 ! Materialparameter EMODUL = 35E9 ! [N/m^2] QUERK = 0.2 ! [-] DICHTE = 2.6E3 ! [kg/m^3] ! Name der Ausgabedatei RESNAME = ’Name’ RESNAME = ’ScheibeStuetzen’ 30 31 68 77 27 28 67 76 ! Parameter 12 13 66 129 130 ! Close solution file *cfclos finish Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.2 Einflüsse der Lagerung 81 Vergleich der Ergebnisse Für die Maximale Durchbiegung in Feldmitte, bei horizontal verschieblichem rechtem Auflager, ergeben sich die in Tabelle 6.2 augelisteten Ergebnisse. Tabelle 6.2: Maximale Durchbiegung in Feldmitte bei verschiedenen Modellbildungen 3 fBalken 1; 14 103 m f(b) 1; 174 103 m3 f(d) 1; 160 103 m3 f(c) 0; 819 103 m3 f(c) 0; 293 103 m3 Der Vergleich der Spannungen in Feldmitte, bei horizontal verschieblichem rechtem Auflager, ergibt, dass Berechnungen (a), (b) und (d) fast identische Ergebnisse liefern, die Graphen in Abbildung 6.6 liegen übereinander. Lediglich die Lagerung mit Stützen liefert ein wesentlich anderes Ergebnis. 0,50 Mitte Unten Stützen Balken Höhe 0,25 0,00 -0,25 -0,50 -2,0E+06 -1,0E+06 0,0E+00 Spannung 1,0E+06 2,0E+06 Abbildung 6.6: Spannungen x in Balkenmitte Wird hingegen das rechte Auflager horizontal gehalten, unterscheiden sich für die Strukturen (b) und (d) die Spannungsverläufe wesentlich. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 82 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium 6.3 Weitere Einflüsse der Lagerung Eine wirklichkeitsnahe Abbildung der Lagerungsbedingungen ist ein sehr umfangreiches Bereich der Strukturmodellierung. Daher wird dieses Thema hier nur angerissen. Lagerungsbedingungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Berechnungsergebnisse (Schnittgrößen, Verformungen, Spannungen, Verzerrungen ...). Fehler in der Modellierung der Lagerungsbedingungen führen, zum Beispiel, im Betonbau zu geringen Bewehrungsmengen und zur falschen Konstruktionsdetails. Bauteile, die die Auflagerlasten aufnehmen sollen, werden bei falscher Modellierung der Lagerung unterdimensioniert. Wandartiger Träger auf drei Stützen Der im Bild 6.7 dargestellte wandartige Träger soll modelliert werden. Der Träger ist auf drei Stützen gelagert. Die Auswirkung der Lagerung auf die Auflagerkräfte soll untersucht werden. Hierzu sollen sechs ANSYS -Eingabedateien, die die Unterschiedlichen Möglichkeiten der Modellierung der Stützen realisieren, geschrieben werden. Jede der sechs Eingabedateien soll eine Ergebnissdatei, in der die Auflagerkräfte AV, BV und CV gespeichert sind, produzieren. qN le Detail A ld la AV lb la lb la BV lc CV Abbildung 6.7: Wandartiger Träger Sechs Varianten der Modellierung des Detail A sind im Bild 6.8 dargestellt. Sie werden im Folgenden erläutert: (a) Die Stützen werden als Scheiben modelliert und am Fuss unverschieblich gelagert. (b) Die Stützen werden durch starre Auflager ersetzt. (c) Zusätzlich zur starren Lagerung wird eine Stützensenkung der Stütze B von uN D 2mm angenommen. (d) Für die Modellierung der Stütze werden Balkenelemente beam3 verwendet. Der Anschluss ist gelenkig ausgeführt. (e) Die Freiheitsgrade der Balkenelemente werden mit denen der Scheibenelemente gekoppelt um einen Biegemoment aufnehmen zu können. (f) Anstatt die Freiheitsgrade zu koppeln werden Balkenelemente in die Scheibe verlängert. Durch Kräftepaare kann so ein Moment in die Stütze eingeleitet werden. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.3 Weitere Einflüsse der Lagerung 83 Bei der Modellierung des wandartigen Trägers soll auf eine regelmäßige Vernetzung geachtet werden. Eine vollständige Parametrisierung der Eingabedateien wird ebenfalls gefordert. a). c). b). uN e). d). f). Abbildung 6.8: Möglichkeiten der Modellierung des Detail A Anschließend sollen die Ergebnisse der sechs Berechnungen tabellarisch aufbereitet werden. Beurteilen Sie die Ergebnisse und Entscheiden Sie sich für ein Modell, das wirklichkeitsnahe Ergebnisse liefert und den Rechenaufwand begrenzt. Alle für die Berechnung erforderlichen Parameter sind der Tabelle 6.3 zu entnehmen. Für die Modellierung der Scheiben sollen PLANE182-Elemente verwendet werden. la D 0:24 lb D 6:14 lc D 0:24 ld D 2:8 Œm Œm Œm Œm le D 3:75 Œm qN D 0:6 ŒMN=m E D 30000 ŒMN=m2 D 0:3 Tabelle 6.3: Berechnungsparameter für den wandartigen Träger Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 84 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium 6.4 Lastaufbringung Beim Modellieren der Strukturbelastung müssen Annahmen bezüglich der Lasteinleitungsstellen, der Belastungsart (Einzellasten, Linienlasten, Flächenlasten und Volumenlasten) und der Lastfälle getroffen werden. Mangelhafte Lasteinleitungsstellen können zur Singularitätsstellen in den Spannungen und Verformungen führen. Die Verfeinerung des Netzes bringt in solchen Fällen keine genauere Ergebnisse, sondern vergrößert die Beträge der Spannungen an solchen Stellen. Der Ort der Lasteinleitungsstelle hat ebenfalls eine direkte Auswirkung auf die Berechnungsergebnisse. Wandartiger Träger auf zwei Stützen Die im Bild 6.9 dargestellte Struktur soll mit Hilfe der FEM berechnet werden. Die Auswirkung des Belastungsortes auf die Schnittkräfte soll untersucht werden. Die Schnittgrößen aus dem Eigengewicht der Struktur sollen bestimmt werden. le ld la lb la lc Abbildung 6.9: Wandartiger Träger Hierzu stehen vier Möglichkeiten zur Verfügung. Sie sind im Bild 6.10 dargestellt und werden im Folgenden erläutert: (a) Linienlast auf die Oberkante der Scheibe. (b) Unterkante der Scheibe wird mit einer Linienlast belastet. (c) Aufbringung einer Linienlast auf die Mittellinie der Scheibe. (d) Das Eigengewicht wird dadurch berücksichtigt, dass eine Beschleunigung (Gravitation) und die Dichte des Materials vorgegeben werden. Für jede der vier genannten Varianten der Belastung soll eine Berechnung durchgeführt werden. Bestimmen Sie jeweils die Schnittkräfte (Normalkräfte Nx und Ny ) im Schnitt a a der Struktur (siehe Bild 6.10 d). ). Beurteilen Sie die Ergebnisse. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.4 Lastaufbringung 85 a). qN b). qN d). c). a Eigengewicht qN a Abbildung 6.10: Varianten der Strukturbelastung Alle für die Berechnung erforderlichen Parameter sind der Tabelle 6.4 zu entnehmen. Für die Modellierung der Scheiben sollen PLANE182-Elemente verwendet werden. la D 0:24 lb D 6:14 lc D 0:24 ld D 2:8 le D 3:75 Œm Œm Œm Œm Œm bN D Œm=s 2 qN D 0:0277 ŒMN=m E D 30000 ŒMN=m2 D 0:3 D 2400 Œkg=m3 Tabelle 6.4: Berechnungsparameter für den wandartigen Träger Hinweis: Achten Sie auf die Einheiten der angegebenen Berechnungsparameter. Belastung durch eine Streckenlast 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Quellcode !-------------------------------------------!17Na !Wandartiger Träger auf zwei Stützen !PLANE182-Elemente !Indirekte Modellierung !Stützen werden als Scheiben modelliert !Gleichstreckenlast auf Scheibenober-/Unter! kante/Gleichstreckenlast auf Scheibenmit! tellinie !Nikolai Gerzen, November 2008 !-------------------------------------------- 12 13 14 17 20 21 22 25 26 27 29 !Längen [m] LASTF=0.02277 !Flächenlast F [MN/m] 30 31 ELEMSIZE=0.2 !Größe der Elemente 32 33 !-------------------------------------------- 34 36 ! Preprozessor starten /prep7 37 39 ! Hilfswert hw1=LNGD+LNGE 40 41 ! Eigene Parameter definieren MYE=30000 !E-Modul Material [MN/m^2] MYNU=0.3 !Querkontraktion Material LNGA=0.24 LNGB=6.14 LNGC=0.24 LNGD=2.8 LNGE=3.75 28 38 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 18 19 24 35 ! Aktuellen Prozess beenden finish 15 16 23 42 43 ! Flächen Erzeugen rectng,0,LNGA,0,LNGD rectng,LNGA+LNGB,2*LNGA+LNGB,0,LNGD 44 45 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS rectng,0,LNGA,LNGD,LNGD+LNGE ˇ -Version vom 10. April 2013 86 46 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium rectng,LNGA+LNGB,2*LNGA+LNGB,LNGD,hw1 82 47 83 48 49 84 rectng,LNGA,LNGA+LNGB,LNGD,LNGD+LNGE 85 50 51 52 86 ! Flächen Verkleben aglue,all 87 88 53 54 55 56 57 89 ! Elementtyp festlegen (Scheibenelement) ! B-bar-Element et,1,182 keyopt,1,3,3 90 91 92 93 58 59 60 61 64 95 96 97 98 ! Elementkonstanten angeben r,1,LNGC 99 100 65 66 67 101 ! Regelmäßige Vernetzung aktivieren mshkey,1 102 103 68 69 70 73 105 106 108 78 79 80 !-------------------------------------------- 109 110 ! Randbedingungen berüksichtigen 111 76 77 ! Preprozessor beenden finish 107 ! Vernetzen amesh,all 74 75 ! Last aufbringen (Scheibenmittellinie) !Hilfswert !hw1=(LNGD+0.45*LNGE) !hw2=(LNGD+0.5*LNGE) !nsel,s,loc,y,hw1,hw2 !nsel,r,loc,x,LNGA,(LNGA+LNGB) !*get,anzn,node,0,count !f,all,fy,(-LASTF/anzn) !alls 104 ! Elementgröße festlegen esize,ELEMSIZE 71 72 ! Last aufbringen (Scheibenunterkante) !lsel,s,loc,y,LNGD !lsel,r,loc,x,LNGA,LNGA+LNGB !Hilfswert !hw1=(-LASTF/LNGC)*(2*LNGA+LNGB)/LNGB !sfl,all,pres,hw1 !alls 94 ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE mp,prxy,1,MYNU 62 63 ! Last aufbringen (Scheibenoberkante) lsel,s,loc,y,LNGD+LNGE sfl,all,pres,LASTF/LNGC alls ! Lösungsteil starten /solu 112 ! Verschiebungsrandbedingungen berüksichtigen nsel,s,loc,y,0 d,all,all,0 allsel 113 114 ! System lösen solve 115 116 !-------------------------------------------- 81 Belastung mit Eigengewicht Hier ist die zusätzlichen Angabe über die Dichte und die Beschleunigung erforderlich, um die Volumenkräfte zu berücksichtigen. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Quellcode !-------------------------------------------!17Nb !Wandartiger Träger auf zwei Stützen !PLANE182-Elemente !Indirekte Modellierung !Stützen werden als Scheiben modelliert !Eigengewicht wird berücksichtigt !Nikolai Gerzen, November 2008 !-------------------------------------------- 10 11 12 15 18 19 22 23 24 25 LNGA=0.24 LNGB=6.14 LNGC=0.24 LNGD=2.8 LNGE=3.75 !Längen [m] DICHTE=2400 BESCHL=9.8 ![kg/m^3] ![m/s^2] ELEMSIZE=0.2 !Größe der Elemente 26 27 28 29 31 32 !-------------------------------------------- 33 ! Speicher leeren und Ansys neustarten /clear,start 34 35 16 17 21 30 ! Aktuellen Prozess beenden finish 13 14 20 ! Preprozessor starten /prep7 36 ! Eigene Parameter definieren MYE=3*10**10 !E-Modul Material [N/m^2] MYNU=0.3 !Querkontraktion Material ˇ -Version vom 10. April 2013 37 38 ! Hilfswert hw1=LNGD+LNGE 39 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 6.4 Lastaufbringung 40 41 42 ! Flächen Erzeugen rectng,0,LNGA,0,LNGD rectng,LNGA+LNGB,2*LNGA+LNGB,0,LNGD 43 44 45 87 68 69 70 71 rectng,0,LNGA,LNGD,LNGD+LNGE rectng,LNGA+LNGB,2*LNGA+LNGB,LNGD,hw1 72 74 47 75 rectng,LNGA,LNGA+LNGB,LNGD,LNGD+LNGE 49 50 51 52 53 54 55 56 59 60 61 62 63 66 79 81 82 ! Verschiebungsrandbedingungen berüksichtigen nsel,s,loc,y,0 d,all,all,0 allsel ! Materialeigenschaften deklarieren (E, nu) mp,ex,1,MYE mp,prxy,1,MYNU mp,dens,1,DICHTE ! Elementkonstanten angeben r,1,LNGC 84 ! Preprozessor beenden finish 86 87 !-------------------------------------------- 88 89 90 ! Lösungsteil starten /solu 91 92 ! Regelmäßige Vernetzung aktivieren mshkey,1 ! Gravitation vorgeben acel,,BESCHL 83 85 64 65 78 ! Randbedingungen berüksichtigen 80 ! Elementtyp festlegen (Scheibenelement) ! B-bar-Element et,1,182 keyopt,1,3,3 57 58 76 77 ! Flächen Verkleben aglue,all ! Vernetzen amesh,all 73 46 48 ! Elementgröße festlegen esize,ELEMSIZE 93 ! System lösen solve 94 95 !-------------------------------------------- Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 67 88 6 Übungsaufgaben zum Selbststudium 6.5 Öffnungen in Scheiben Bei bestimmten Tragwerken sind Öffnungen in der tragenden Struktur erforderlich (Fenster, Durchbrüche für TGA...). Abhängig von dem Ort und Größe der Öffnung ändert sich der Lastabtrag der Struktur. Eine grobe Vorstellung des Lastabtrages einer Struktur liefern die Spannungstrajektorien. Sie sind der Bestandteil des kommenden Abschnittes. Wandartiger Träger mit einer Öffnung Im Bild 6.11 ist eine Scheibe mit Öffnung dargestellt. Sie soll mit Hilfe der FEM berechnet werden. Die Auswirkung des Ortes und der Größe der Öffnung auf die Hauptspannungstrajektorien soll untersucht werden. lh qN lg lf le la la lb lc la ld Abbildung 6.11: Wandartiger Träger Modellieren Sie die Struktur. Führen Sie eine vollständige Parametrisierung der Eingabedatei durch (zumindest die Position und Größe der Öffnung sollen parametrisiert werden). Nehmen Sie die erforderlichen Parameter sinnvoll an. Verändern Sie die Größe und den Ort der Öffnung, führen Sie die FEM-Berechnung durch und betrachten Sie jeweils die Hauptspannungstrajektorien. Beurteilen Sie die Ergebnisse. Wo soll die Öffnung am Besten positioniert werden? Wie ändern sich die Spannungstrajektorien, wenn man den rechten Auflager horizontal verschieblich ausbildet? ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Kapitel 7 Aufbau der Studienleistung Die Lehrveranstaltung Lineare Finite Elemente Methode III: Ansys wird planmäßig über die eigenständige Bearbeitung einer Modellierungsaufgabe abgeschlossen. Der Aufbau der Studienlesitung orientiert sich an den untenstehenden Angaben. Verbindliche Aussagen für das aktuelle Semester werden in den zugehörigen Lehrveranstaltungen und durch Aushänge gemacht. Verbindlicher Besuch des Workshops Die Teilnahme an den ganztägigen Schulungen im Rahmen eines Workshops ist verbindlich. Aufgabenstellung der Hausübung Die Studienleistung wird im Rahmen einer Modellierungsaufgabe erbracht, die jeweils als Gruppenarbeit von zwei Telnehmern bearbeitet wird. Jede Gruppe erhält unterschiedliche baupraktische Systeme. a) Für das gewählte System soll eine vollständige Strukturanalyse durchgeführt werden. Gehen Sie bei der Lösung dieser Aufgabe wie folgt vor: - Erzeugen Sie eine APDL-Eingabedatei. - Parametrisieren Sie das Modell vollständig im Kopfbereich der Datei. - Erzeugen Sie ein Geometriemodell des Systems und vernetzen Sie es regelmäßig. - Bringen Sie die Randbedingungen auf und Lösen Sie das Problem. - Bestimmen Sie die relevanten Verschiebungen, Spannungen, Schnitt- und Auflagerkräfte. b) Führen Sie eine automatisierte Konvergenzstudie durch. Hierbei soll lediglich eine Kopie der ersten APDL-Datei modifiziert werden. c) Erzeugen Sie ein alternatives Modell für das Problem in einer weiteren APDL-Datei. Hierbei soll analog zur a) vorgegangen werden. d) Dokumentieren und diskutieren Sie die Ergebnisse. Geben Sie eine Empfehlung zur Wahl der Elemente und der Netzfeinheit für die untersuchte Struktur ab. Betreute Übungen Für die Beantwortung der Fragen zur Hausübung, für die Hilfestellung beim Erstellen der APDL-Dateien und für die Korrektur der Abgabeunterlagen werden betreute Übungen im Rechnerpool der Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen angeboten. Die Details werden rechtzeitig in den Lehrveranstaltungen bekanntgegeben. 90 7 Aufbau der Studienleistung Abgabekolloquium Zum Termin des Abgabekolloquiums sollen pro Gruppe eine schriftliche Ausarbeitung der Hausübung (maximal 5 Seiten Text plus Bilder), sowie eine CD mit Ein- und Ausgabedateien (APDL-Quellcode und die erzeugten Bilder (*.eps)) mitgebracht werden. Jede Gruppe berichtet in einem 15 minütigen Vortrag sowie einer 5 minütigen Diskussion über das bearbeitete Projekt. Die Teilnahme an allen Präsentationen (zum Ende der Vorlesungszeit) ist verpflichtend. Die Benotung der Studienleistungen erfolgt nach Abschluß aller Vorträge und der abschließenden Durchsicht der Ausarbeitungen. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Teil II Fortgeschrittene Anwendung von ANSYS Kapitel 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Die hier aufgeführten Beispiele behandeln vertiefend ein Themengebiet des Bauwesens. Diese Einheiten sollen wichtige Fähigkeiten, die zur Bearbeitung von Diplom-, Bachelor- oder Masterarbeiten benötigt werden, zur Verfügung stellen. Hierzu wurde die Zusammenarbeit mit den entsprechenden Lehrstühlen gesucht, die wertvolle Anregungen und Hilfestellung zur Modellierung der Aufgabenstellungen gegeben haben. Die Bandbreite der Aufgaben des Bauwesens zeigt sich in den nachfolgendne Anwendungen. Diese umfassen die thermische Simulation von Bauteilen, die Stabiltätsprobleme im Stahlbau, die Simulation dynamisch beanspruchter Strukturen. Im Aufbau befinden sich weiterhin Beispiele zur Simulation von Bauteilen in Massivbauweise sowie die Simulation von Problemen des Grundbaus. Für die Durchführung der Schulungen sind jeweils zwei Tage vorgesehen. 94 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen 8.1 Thermische Simulation von Bauteilen Die Finite Elemente Methode ermöglicht auch die Simulation von Temperaturfeldern, die beispielsweise bei der Untersuchung von Gebäudeecken1 wertvolle Hinweise auf die Energieeffizienz der Gebäudehülle liefert. Als weiterführende Literatur wird empfohlen: Fritscher und Zammert: FEM- Praxis mit ANSYS -Grundkurs. Vieweg Verlag, 1993, Müller und Groth: FEM für Praktiker, Band 3: Temperaturfelder. expert Verlag, 2008, Willems und Schild: Wärmebrücken - Berechnung, Bewertung, Vermeidung aus BauphysikKalender 2007. Ernst & Sohn Verlag, 2007, Willems, Schild und Dinter: Handbuch Bauphysik, Teil 1. Vieweg Verlag, 2007. Das Seminar soll einen Überblick über alle in ANSYS verfügbaren Features zur Berechnung von Problemstellungen der Wärmeübertragung (Temperaturverteilung und Wärmetransport durch Bauteile) geben. Im Vordergrund dieses Seminarteils soll die Berechnung von Baukonstruktionen unter bauphysikalischen Aspekten stehen. Im Zuge der energetischen Bewertung von Bauteilen oder ganzen Gebäuden kann mit ANSYS eine umfangreiche baupraktische Analyse und auch Visualisierung erfolgen, welche im Zuge von Gebäudeplanungen, Gutachten oder auch Bauteiloptimierungen eine breite Praxisanwendung findet. 8.1.1 2D-Modellierung einer Gebäudeecke Die in Abbildung 8.1 dargestellte Außenwand ist im Zuge einer bauphysikalischen Konstruktionsoptimierung hinsichtlich des Wärmeschutzes zu verbessern. dDämmung Aussen D 5ı C dIP Innen D 20ı C dAP dBeton Abbildung 8.1: Schnitt der Außenecke (WDV-gedämmte Außenwand aus Stahlbeton) Die weiteren Geometrie- und Materialparameter können aus Tabelle 8.1 entnommen werden 1 Wir danken dem Lehrstuhl Bauphysik und Technische Gebäudeausrüstung (Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang M. Willems) und insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Georg Hellinger ([email protected]) für die wertvollen Anregungen und die Hilfestellung bei der Modellierung der vorliegenden Aufgabenstellung. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.1 Thermische Simulation von Bauteilen d in Œm Außenputz Wärmedämmung Stahlbeton Innenputz 0,015 0,10 0,15 0,005 95 in kg=m3 in ŒW = .m K/ 1800 0,87 0,04 2300 2,30 1400 0,70 Tabelle 8.1: Geometrie- und Materialparameter der Gebäudeaussenecke Neben der reinen Modellerstellung und -berechnung sollen in diesem Beispiel auch Programmlösungen zur praktischen Visualisierung und Auswertung der Ergebnisse erläutert werden. Inhalte des Beispiels: Definieren von Bildschirm-Einstellungen Material-Zuordnung Netzerstellung Erstellung eines Maßstabes Auflegen der Randbedingungen Auswertung der Ergebnisse Grafische Ausgabe der Ergebnisse Ausgabe der Ergebnisse in eine TXT-Datei Als Variante 2 kann die Frage untersucht werden: Wie hoch ist die Temperaturänderung in der Innenecke bei einer 16 cm dicken Dämmschicht? Oder die Frage: Wie dick muss eine monolithische Außenwand sein, wenn das Mauerwerk eine Wärmeleitfähigkeit von D 0; 16W=.mš K/ aufweist und die Dämmwirkung mit der Variante 2 übereinstimmen soll? Quellcode 1 2 3 16L FINISH /CLEAR 24 25 27 /PREP7 28 6 7 29 ET,1,PLANE55 ! 2D-Element 8 9 10 13 14 15 16 17 /SHOW,WIN32C /UIS,MSGPOP,3 /UIS,ABORT,0 /UIS,DYNA,1 18 19 20 21 32 33 34 /GRAPHICS,POWER ! normal: POWER ! fuer Schnitte: FULL 35 36 37 ! Fehler-Benachrichtigung ! Dialog- und Status-Anz. ! nur in POWER aktiv 38 39 40 41 /EFACE,1 /GLINE,,0 /EDGE,0,0 ! Standart-Ansicht ! ZBUF BASIC SECT /DEVICE,VECTOR,0 /DEVICE,BBOX,1 /DEVICE,DITHER,1 30 31 C******************Bildschim-Einstellung***** C*************************BEGINN************* 11 12 /VIEW,1,,,1 /AUTO,1 /TYPE,1,ZBUF 26 4 5 23 42 43 44 /SSCALE,ALL,OFF /PLOPTS,FRAME,OFF /PLOPTS,INFO,OFF /PLOPTS,LEG1,OFF /PLOPTS,LEG2,OFF /PLOPTS,LEG3,OFF /PLOPTS,TITLE,ON /PLOPTS,DATE,OFF /PLOPTS,MINM,OFF /PLOPTS,LOGO,OFF /PLOPTS,WINS,AUTO /PLOPTS,WP,OFF /PLOPTS,FILE,OFF /TRIAD,OFF ! ! ! ! ! ! Rahmen Legende Header-Legende Legende 2 Legende 3 Titelanzeige ! Minimum-Maximum-Anz ! ANSYS-Logo ! "Working-Plane" ! Anzeige des KOS 22 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 96 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 110 /PNUM,KP,0 /PNUM,LINE,0 /PNUM,AREA,0 /PNUM,VOLU,0 /PNUM,NODE,0 /PNUM,MAT,1 /PNUM,TABN,0 /PNUM,SVAL,1 /NUMBER,1 111 112 113 114 115 116 117 118 ! nur Farben, keine Nummern 55 56 120 /PBC,ALL, ,0 59 60 61 122 /CONTOUR,1,,-5,1,20 /AUTO,1 C************************ENDE**************** C******************Bildschim-Einstellung***** 62 63 64 67 68 69 70 75 Außenputz Dämmung Statische Schicht Innenputz 78 79 80 81 84 85 86 87 90 91 92 93 94 95 98 ! Wärmeleitfähigkeiten: lambda1 = 0.87 lambda2 = 0.040 lambda3 = 2.30 lambda4 = 0.70 101 102 103 106 107 108 109 C*************************ENDE*************** C******************Material-Zuordnung******** C******************Netzerstellung************ C***********************BEGINN*************** 132 133 134 ! Anlegen der Material-Flächen ! Mat 1: RECTNG,0,si1 ,0 ,Lk+sges RECTNG,0,Lk+sges,Lk+si4+si3+si2,Lk+sges 135 ! Mat 2: RECTNG,0,si1+si2,0 ,Lk+sges RECTNG,0,Lk+sges,Lk+si4+si3,Lk+si4+si3+si2 139 140 Außenputz Dämmung Statische Schicht Innenputz ! Mat 3: RECTNG,0,si1+si2+si3,0 ,Lk+sges RECTNG,0,Lk+sges,Lk+si4,Lk+si4+si3 143 144 145 146 ! Mat 4: RECTNG,0,sges ,0 ,Lk+sges RECTNG,0,Lk+sges,Lk,Lk+si4 147 ! Dichten (hier nicht relevant) DI1 = 101 DI2 = 102 DI3 = 103 DI4 = 104 148 149 150 154 155 156 157 ! ! ! ! Außenputz Dämmung Normal-Beton Innenputz 159 160 162 BLAC MRED MAGE BMAG BLUE --> --> --> --> --> Black Magenta-Red Magenta Blue-Magenta Blue ˇ -Version vom 10. April 2013 MAT,2 ASEL,S,LOC,X, 0 , si1+si2 ASEL,A,LOC,Y, LK+si4+si3 , LK+si4+si3+si2 AMESH,ALL 163 165 166 167 MAT,3 ASEL,S,LOC,X, 0 ASEL,A,LOC,Y, LK+si4 AMESH,ALL , si1+si2+si3 , LK+si4+si3 168 169 ! ! ! ! ! ! Material-Zuordnung und Vernetzung MAT,1 ASEL,S,LOC,X, 0 , si1 ASEL,A,LOC,Y, LK+si4+si3+si2 , LK+sges AMESH,ALL 158 164 /COLOR,NUM,DGRA,1 /COLOR,NUM,BLUE,2 /COLOR,NUM,GREE,3 /COLOR,NUM,LGRA,4 ! Flächen-Überlappung ! Linien-Unterteilung ! für homogen. Netz 152 161 ! Farbzuweisung der Materialien: /PNUM,MAT,1 ALLSEL AOVLAP,ALL LESIZE,ALL,ND,,,-3.0 151 153 ! automatisches Einlesen der Materialwerte MatANZ = 4 *DO,NN,1,MatANZ,1 MP,KXX,NN,lambda%NN% MP,KYY,NN,lambda%NN% MP,DENS,NN,DI%NN% *ENDDO 104 105 129 142 ! ! ! ! 99 100 128 141 96 97 126 137 ! Wandlänge ! Netzdichte 88 89 125 138 Lk = 1.0 ND = 0.02 82 83 /PNUM,VOLU,0 /NUMBER,1 ! nur Farben, keine Nummern 124 136 sges = si4+si3+si2+si1 ! Gesamtdicke 76 77 123 131 ! ! ! ! 73 74 Cyan-Blue Cyan Green-Cyan Green Yellow-Green Yellow Orange Red Dark Gray Light Gray White 130 ! Schicht-Dicken: si1 = 0.015 si2 = 0.10 si3 = 0.15 si4 = 0.005 71 72 --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> 127 C******************Material-Zuordnung******** C************************BEGINN************** 65 66 CBLU CYAN GCYA GREE YGRE YELL ORAN RED DGRA LGRA WHIT 121 57 58 119 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 170 171 MAT,4 ALLSEL AMESH,ALL 172 173 174 ! "Aufräumen" aller geometrischen Objekte: NUMMRG,ALL Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.1 Thermische Simulation von Bauteilen 175 NUMCMP,ALL 176 177 178 181 182 183 184 185 186 C***********************ENDE***************** C******************Netzerstellung************ 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 205 208 209 210 211 212 213 218 219 220 /SOLU 223 224 225 228 229 230 249 250 251 253 254 255 256 257 258 259 260 261 ! Erstellung eines Ergebnis-Feldes ! als 1x2x1-Matrix *DIM,Matr,ARRAY,1,3,1 ! Gesamt-Waermestrom der Waermebruecke: ! hier mittels eins "Pfades" abgegriffen ALLSEL X1 = sges Y1 = 0 X2 = sges Y2 = Lk X3 = Lk+sges Y3 = Lk 262 263 264 265 266 267 269 270 PADELE,ALL PATH,Pfad1,3,,1E3 PPATH,1,,X1,Y1 PPATH,2,,X2,Y2 PPATH,3,,X3,Y3 ! ! ! ! ! Löschen aller Pfade Name des Pfades Knoten 1 Knoten 2 Knoten 3 ! Randbedingungen Innen: NSEL,S,LOC,X,sges,Lk+sges NSEL,R,LOC,Y,0,Lk SF,ALL,CONV, (1/0.13) , 20.0 273 274 275 276 ! über alle "Innen-Knoten" ! Speichern des Wärmestromes in der ersten ! Zeile der Ergebnis-Liste "Matrix" *GET,Matr(1,1,1),FSUM,0,ITEM,HEAT 277 278 280 282 ! Temperatur im "ungestörten" Bauteilbereich: NSEL,S,LOC,X, Lk+sges , Lk+sges NSEL,R,LOC,Y, 0 , Lk NSORT,TEMP *GET,Matr(1,2,1),SORT,0,MIN 283 284 285 287 288 ! Temperatur in der Ecke: NSEL,S,LOC,X, sges , Lk+sges NSEL,R,LOC,Y, 0 , Lk NSORT,TEMP *GET,Matr(1,3,1),SORT,0,MIN 289 290 C******************ENDE********************** C**********Auswertung der Ergebnisse********* 292 293 ALLSEL 294 295 296 ! Massstab soll ROT (20°C) sein: NSEL,S,LOC,X,xmax-5*mbr,xmax NSEL,R,LOC,Y,ymin,ymin+2*mho SF,ALL,CONV, (1/0.13) , 20.0 ESEL,S,PATH,Pfad1 NSEL,S,EXT FSUM,HEAT ! Summe der Wärmesströme 272 291 231 232 C**********Auswertung der Ergebnisse********* C*******************BEGINN******************* 248 286 ! Randbedingungen Aussen: NSEL,S,LOC,X,0 NSEL,A,LOC,Y,Lk+sges SF,ALL,CONV, (1/0.04) , -5.0 226 227 247 281 C*******Auflegen der Randbedingungen********* C*******************BEGINN******************* DDELE,ALL SFLDELE,ALL,ALL 221 222 246 279 216 217 /POST1 245 271 NUMMRG,ELEM NUMMRG,NODE C******************ENDE********************** C*******Erstellung eines Massstabes********** ALLSEL /AUTO,1 /REPLOT 214 215 243 268 MAT,1 ! Material frei wählbar! AMESH,ALL 206 207 ALLSEL SOLVE FINISH 252 ! Maximale Koordinaten für Gesamtabmessungen: *GET,xmin,NODE,0,MNLOC,X *GET,xmax,NODE,0,MXLOC,X *GET,ymin,NODE,0,MNLOC,Y *GET,ymax,NODE,0,MXLOC,Y *SET,ymin,ymin-0.10 hw1=ymin+mho ! Hilfswert RECTNG,xmax ,xmax-mbr ,ymin ,hw1 RECTNG,xmax-mbr,xmax-2*mbr,hw1,ymin+2*mho RECTNG,xmax-2*mbr,xmax-3*mbr,ymin ,hw1 RECTNG,xmax-3*mbr,xmax-4*mbr,hw1,ymin+2*mho RECTNG,xmax-4*mbr,xmax-5*mbr,ymin ,hw1 ALLSEL ASEL,S,LOC,X,xmax-5*mbr,xmax ASEL,R,LOC,Y,ymin,ymin+2*mho 203 204 242 244 C*******Erstellung eines Massstabes********** C*******************BEGINN******************* mbr = 0.1 ! Maßstabsbreite = 10 cm mho = 0.01 ! Maßstabshöhe = 1 cm ALLSEL ! Maximale Knotenanzahl (ges.): *GET,nmax,NODE,,NUM,max 187 188 240 241 179 180 97 C***************Grafische Ausgabe************ C*******************BEGINN******************* 297 304 ! 1 = Iso ; 2 = Vect; 3 = TF X-Ri ! 4 = TF Y-Ri ; 5 = CPLANE-Plot *IF,darst,EQ,1,THEN /CONTOUR,1,,-5,1,20 /AUTO,1 PLNSOL,TEMP,,2 *ELSEIF,darst,EQ,2,THEN Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 233 234 235 236 237 238 239 298 299 300 301 C******************ENDE********************** C*******Auflegen der Randbedingungen********* 302 303 darst = 2 98 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen /CONTOUR,1,,AUTO /AUTO,1 PLVECT,TF, , , ,VECT,NODE,ON,0 *ELSEIF,darst,EQ,3,THEN /CONTOUR,1,,AUTO /AUTO,1 PLNSOL,TF,X, 0 *ELSEIF,darst,EQ,4,THEN /CONTOUR,1,,AUTO /AUTO,1 PLNSOL,TF,Y, 0 *ELSEIF,darst,EQ,5,THEN /CONTOUR,1,,AUTO /VIEW,1,-1 /FOCUS,1,0,sges2/2,sges1/2 /CPLANE,0 PLNSOL,TEMP,,2 322 323 324 *ENDIF C******************ENDE********************** C***************Grafische Ausgabe************ 325 326 ALLSEL 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 C**Ausgabe der Ergebnisse in eine TXT-Datei** C*******************BEGINN******************* /OUTPUT,Modell-Auswertung,TXT,,APPEND /COM *VWRITE,Matr(1,1,1),Matr(1,2,1),Matr(1,3,1) (’ ’,F9.0,’ ’,F9.4,’ ’,F9.4) /COM /OUTPUT C******************ENDE********************** C**Ausgabe der Ergebnisse in eine TXT-Datei** Abbildung 8.2: Außenecke als Isothermendarstellung Abbildung 8.3: Außenecke als Wärmestromdarstellung ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.1 Thermische Simulation von Bauteilen 99 Also ergibt sich hier nach der ANSYS Berechnung folgendes Ergebnis: ˚ D 21; 05W 1 D 18; 8ı C 2 D 17; 9ı C (Wandbereich, innen) (’Ecke’, innen) 8.1.2 2D-Modellierung einer Metallständerwand Für die energetische Bilanzierung einer beheizten Werkshalle ist der exakte Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) der in Abbildung 8.4 dargestellten Metallständerwand zu berechnen. 5,0 57,5 [cm] Abbildung 8.4: Schnitt der Metallständerwand In Tabelle 8.2 sind alle Geometrie- und Materialparameter der Ständerwand angegeben. Die Innentemperatur soll D 20ı C und die Aussentemperatur D 5ı C betragen. d in Œcm Stahlprofil Wärmedämmung Gipskarton Luftschicht 0,06 8,0 1,25 2,0 in ŒW = .m K/ 50,0 0,040 0,25 0,1362 Tabelle 8.2: Geometrie- und Materialparameter der Ständerwand Neben der reinen Modellerstellung und -berechnung soll in diesem Beispiel auch Programmlösungen zur intern ablaufenden funktionalen Berechnung von Werten erläutert werden. Inhalte des Beispiels: Definieren von Bildschirm-Einstellungen Material-Zuordnung Netzerstellung, wobei auch die "Kopiertechnik"von vernetzter Struktur genutzt wird Erstellung eines Maßstabes Auflegen der Randbedingungen Auswertung der Ergebnisse inklusive der automatischen Berechnung des exakten U-Wertes Hinweis: Der U-Wert kann aus dem tatsächlichen Wärmestrom wie folgt abgeleitet werden: ˚ W U D A m2 K 2 Dieser Wert gilt nur für eine 25 mm dicke Luftschicht, welche horizontal durchströmt wird. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 100 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Grafische Ausgabe der Ergebnisse Ausgabe der Ergebnisse in eine TXT-Datei Weiterführende Aufgaben zum Beispiel: Entwicklung einer Variationsschleife für – den lichten Abstand der U-Profile (l1 = 50 cm; l2 = 65 cm; l3 = 80 cm; l4 = 100 cm) als Variante 2 – die Höhe h des U-Profils (h1 = 50 cm; h2 = 75 cm; h3 = 100 cm), wobei die Luftschicht konstant bleibt und der Dämmstoff ’mitwächst’ Kopie der vernetzten Struktur durch – Kopie und Verschieben – Symmetrische Kopie Hauptdatei 17La.ans 16 Quellcode 1 2 3 17La FINISH /CLEAR 17 18 19 4 5 /PREP7 21 ET,1,PLANE55 ! 2D-Element 23 24 /INPUT,Ausgabe-Fenster,ans 25 10 11 27 /POST1 28 /INPUT,Netz,ans 29 14 15 ALLSEL SOLVE FINISH 26 /INPUT,Material,ans 12 13 /INPUT,Rand,ans 22 8 9 /SOLU 20 6 7 /AUTO,1 /REPLOT /INPUT,Erg,ans 30 ALLSEL 31 ALLSEL 16 /VIEW,1,,,1 /AUTO,1 /TYPE,1,ZBUF Includedatei 17Lb.ans 1 2 3 Quellcode 17Lb C******************Bildschim-Einstellung***** C*************************BEGINN************* 4 5 8 9 10 /SHOW,WIN32C /UIS,MSGPOP,3 /UIS,ABORT,0 /UIS,DYNA,1 ! normal: POWER ! fuer Schnitte: FULL 13 14 ! Standart-Ansicht ! ZBUF BASIC SECT 19 21 22 /DEVICE,VECTOR,0 /DEVICE,BBOX,1 /DEVICE,DITHER,1 23 ! Fehler-Benachrichtigung ! Dialog- und Status-Anz. ! nur in POWER aktiv 11 12 18 20 /GRAPHICS,POWER 6 7 17 24 25 26 27 /EFACE,1 /GLINE,,0 /EDGE,0,0 15 ˇ -Version vom 10. April 2013 28 29 30 31 /SSCALE,ALL,OFF /PLOPTS,FRAME,OFF /PLOPTS,INFO,OFF /PLOPTS,LEG1,OFF /PLOPTS,LEG2,OFF /PLOPTS,LEG3,OFF /PLOPTS,TITLE,ON /PLOPTS,DATE,OFF ! ! ! ! ! ! Rahmen Legende Header-Legende Legende 2 Legende 3 Titelanzeige Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.1 Thermische Simulation von Bauteilen 32 33 34 35 36 37 /PLOPTS,MINM,OFF /PLOPTS,LOGO,OFF /PLOPTS,WINS,AUTO /PLOPTS,WP,OFF /PLOPTS,FILE,OFF /TRIAD,OFF ! Minimum-Maximum-Anz ! ANSYS-Logo 40 41 42 43 44 45 46 ! "Working-Plane" 47 /PNUM,MAT,1 /PNUM,TABN,0 /PNUM,SVAL,1 /NUMBER,1 ! nur Farben, keine Nummern 48 ! Anzeige des KOS 38 39 101 49 /PBC,ALL, ,0 50 /PNUM,KP,0 /PNUM,LINE,0 /PNUM,AREA,0 /PNUM,VOLU,0 /PNUM,NODE,0 51 52 53 54 /CONTOUR,1,,-5,1,20 /AUTO,1 C************************ENDE**************** C******************Bildschim-Einstellung***** Includedatei 17Lc.ans 1 2 3 Quellcode 17Lc C******************Material-Zuordnung******** C************************BEGINN************** 4 5 6 9 10 11 ! lichter Abstand ! Gesamtdicke 14 15 16 21 22 23 24 27 28 29 30 ! Netzdichte 33 34 43 44 45 46 49 50 51 53 54 ! Wärmeleitfähigkeiten: lambda1 = 50.0 lambda2 = 0.040 lambda3 = 0.25 lambda4 = 0.136 55 ! ! ! ! Metallständer-Prof Dämmung GBK-Platte Luft 56 57 58 59 60 ! Dichten (hier nicht relevant) DI1 = 101 DI2 = 102 DI3 = 103 DI4 = 104 31 32 41 52 ND = tPro 25 26 40 48 ! Dicke GBK-Platte ! Dicke Dämmung ! Dicke Luft 19 20 38 ! Farbzuweisung der Materialien: /PNUM,MAT,1 /COLOR,NUM,RED,1 /COLOR,NUM,BLUE,2 /COLOR,NUM,CBLU,3 /COLOR,NUM,YELL,4 ! ! ! ! Metallständer-Prof Dämmung GBK-Platte Luft 47 ! Schicht-Dicken: dGKB = 0.0125 dDae = 0.060 dLu = hPro-dDae 17 18 37 MP,KXX,NN,lambda%NN% MP,KYY,NN,lambda%NN% MP,DENS,NN,DI%NN% *ENDDO 42 ! Metallständer-Profil: hPro = 0.075 ! Höhe h bPro = 0.050 ! Breite b tPro = 0.0006 ! Dicke t 12 13 36 39 Lk = 0.575/2 DD = 0.10 7 8 35 61 62 63 BLAC MRED MAGE BMAG BLUE CBLU CYAN GCYA GREE YGRE YELL ORAN RED DGRA LGRA WHIT --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> --> Black Magenta-Red Magenta Blue-Magenta Blue Cyan-Blue Cyan Green-Cyan Green Yellow-Green Yellow Orange Red Dark Gray Light Gray White 64 65 66 ! automatisches Einlesen der Materialwerte MatANZ = 4 *DO,NN,1,MatANZ,1 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! /PNUM,VOLU,0 /NUMBER,1 ! nur Farben, keine Nummern 67 68 69 C*************************ENDE*************** C******************Material-Zuordnung******** Includedatei 17Ld.ans 1 2 3 Quellcode 17Ld C******************Netzerstellung************ C***********************BEGINN*************** 4 5 6 7 8 9 ! Mat 1: RECTNG,0,tPro RECTNG,0,bPro RECTNG,0,bPro ,dGKB ,dGKB+hPro ,dGKB ,dGKB+tPro ,dGKB+hPro-tPro ,dGKB+hPro 10 ! Anlegen der Material-Flächen 11 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ! Mat 2: ˇ -Version vom 10. April 2013 102 12 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen RECTNG,-Lk,bPro+Lk ,dGKB ,dGKB+hPro 52 13 14 15 53 ! Mat 3: RECTNG,-Lk,bPro+Lk ,0 54 ,2*dGKB+hPro 16 17 18 57 ,dGKB+dLu 21 22 23 24 25 59 ALLSEL AOVLAP,ALL ! Flächen-Überlappung DESIZE,,,1E6,,,ND,6*ND ! MOPT,VMESH,ALTERNATE NUMMRG,ALL NUMCMP,ALL 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 40 41 42 45 46 49 50 62 63 64 65 68 69 70 71 72 C*******Erstellung eines Massstabes********** C*******************BEGINN******************* mbr = 0.1 ! Maßstabsbreite = 10 cm mho = 0.01 ! Maßstabshöhe = 1 cm ALLSEL ! Maximale Knotenanzahl (ges.): *GET,nmax,NODE,,NUM,max 74 75 76 77 78 MAT,3 ASEL,S,LOC,Y, -Lk ASEL,A,LOC,Y, dGKB+hPro AMESH,ALL 79 ,dGKB ,2*dGKB+hPro 80 81 82 83 MAT,4 ASEL,S,LOC,Y,dGKB AMESH,ALL ! Maximale Koordinaten für Gesamtabmessungen: *GET,xmin,NODE,0,MNLOC,X *GET,xmax,NODE,0,MXLOC,X *GET,ymin,NODE,0,MNLOC,Y *GET,ymax,NODE,0,MXLOC,Y *SET,ymin,ymin-0.10 73 hw1=xmax-mbr hw2=xmax-3*mbr RECTNG,xmax ,xmax-mbr ,ymin ,ymin+mho RECTNG,hw1,xmax-2*mbr,ymin+mho,ymin+2*mho RECTNG,xmax-2*mbr,xmax-3*mbr,ymin ,ymin+mho RECTNG,hw2,xmax-4*mbr,ymin+mho,ymin+2*mho RECTNG,xmax-4*mbr,xmax-5*mbr,ymin ,ymin+mho ALLSEL ASEL,S,LOC,X,xmax-5*mbr,xmax ASEL,R,LOC,Y,ymin,ymin+2*mho 84 ,dGKB+dLu 85 86 MAT,1 ! Material frei wählbar! AMESH,ALL 87 47 48 61 67 43 44 60 66 ! Material-Zuordnung und Vernetzung MAT,1 ASEL,S,LOC,X,0,tPro ASEL,R,LOC,Y,dGKB ,dGKB+hPro AMESH,ALL ASEL,S,LOC,X,0,bPro ASEL,R,LOC,Y,dGKB ,dGKB+tPro AMESH,ALL ASEL,S,LOC,X,0,bPro ASEL,R,LOC,Y,dGKB+hPro-tPro ,dGKB+hPro AMESH,ALL 38 39 C***********************ENDE***************** C******************Netzerstellung************ 58 19 20 55 56 ! Mat 4: RECTNG,-Lk,bPro+Lk ,dGKB ! "Aufräumen" aller geometrischen Objekte: NUMMRG,ALL NUMCMP,ALL MAT,2 ALLSEL AMESH,ALL 88 89 90 91 51 NUMMRG,ELEM NUMMRG,NODE C******************ENDE********************** C*******Erstellung eines Massstabes********** Includedatei 17Le.ans 1 2 3 4 5 Quellcode 17Le C*******Auflegen der Randbedingungen********* C*******************BEGINN******************* DDELE,ALL SFLDELE,ALL,ALL 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 ! Randbedingungen Aussen: NSEL,S,LOC,Y,2*dGKB+hPro SF,ALL,CONV, (1/0.04) , -5.0 ! Randbedingungen Innen: NSEL,S,LOC,Y,0 SF,ALL,CONV, (1/0.13) , 20.0 ! Massstab soll ROT (20°C) sein: NSEL,S,LOC,Y,ymin,ymin+2*mho SF,ALL,CONV, (1/0.13) , 20.0 18 19 20 C******************ENDE********************** C*******Auflegen der Randbedingungen********* 10 Includedatei 17Lf.ans ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.1 Thermische Simulation von Bauteilen 1 2 3 Quellcode 17Lf C**********Auswertung der Ergebnisse********* C*******************BEGINN******************* 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 ! Erstellung eines Ergebnis-Feldes ! als 1x2x1-Matrix *DIM,Matr,ARRAY,1,3,1 18 19 20 ! ! ! ! Löschen aller Pfade Name des Pfades Knoten 1 Knoten 2 23 24 25 26 27 30 31 32 33 34 36 38 ! Gesamtbreite ! Temü-Diff ! Speichern des tats. U-Wertes in der ! zweiten Zeile der Ergebnis-Liste "Matrix" Matr(1,2,1)=Qges/(Ages*deltat) 43 44 47 59 60 61 62 63 65 66 67 68 70 71 72 73 75 77 78 79 ! 1 = Iso ; 2 = Vect; 3 = TF X-Ri ! 4 = TF Y-Ri ; 5 = CPLANE-Plot *IF,darst,EQ,1,THEN /CONTOUR,1,,-5,1,20 /AUTO,1 PLNSOL,TEMP,,2 *ELSEIF,darst,EQ,2,THEN /CONTOUR,1,,AUTO /AUTO,1 PLVECT,TF, , , ,VECT,NODE,ON,0 *ELSEIF,darst,EQ,3,THEN /CONTOUR,1,,AUTO /AUTO,1 PLNSOL,TF,X, 0 *ELSEIF,darst,EQ,4,THEN /CONTOUR,1,,AUTO /AUTO,1 PLNSOL,TF,Y, 0 *ELSEIF,darst,EQ,5,THEN /CONTOUR,1,,AUTO /VIEW,1,-1 /FOCUS,1,0,sges2/2,sges1/2 /CPLANE,0 PLNSOL,TEMP,,2 *ENDIF C******************ENDE********************** C***************Grafische Ausgabe************ 81 82 84 85 86 88 ! Mininmaltemperatur Innen: NSEL,S,LOC,Y, 0 NSORT,TEMP *GET,Matr(1,3,1),SORT,0,MIN 45 46 58 87 40 42 57 darst = 1 ALLSEL 83 39 41 55 80 Ages = bPro+2*Lk deltat = 20-(-5) 35 37 54 76 ! Speichern des Wärmestromes in der ersten ! Zeile der Ergebnis-Liste "Matrix" Matr(1,1,1)=Qges C***************Grafische Ausgabe************ C*******************BEGINN******************* 53 74 *GET,Qges,FSUM,0,ITEM,HEAT 28 29 51 69 ESEL,S,PATH,Pfad1 NSEL,S,EXT FSUM,HEAT ! Summe der Wärmesströme ! über alle "Innen-Knoten" ALLSEL 50 64 PADELE,ALL PATH,Pfad1,2,,1E3 PPATH,1,,X1,Y1 PPATH,2,,X2,Y2 21 22 49 56 ! Gesamt-Waermestrom der Waermebruecke: ! hier mittels eins "Pfades" abgegriffen ALLSEL X1 = -Lk Y1 = 0 X2 = bPro+Lk Y2 = 0 16 17 48 52 8 9 103 89 90 91 92 93 C******************ENDE********************** C**********Auswertung der Ergebnisse********* C**Ausgabe der Ergebnisse in eine TXT-Datei** C******************BEGINN******************** /OUTPUT,Modell-Auswertung,TXT,,APPEND /COM *VWRITE,Matr(1,1,1),Matr(1,2,1),Matr(1,3,1) (’ ’,F9.0,’ ’,F9.4,’ ’,F9.4) /COM /OUTPUT C******************ENDE********************** C**Ausgabe der Ergebnisse in eine TXT-Datei** 94 Abbildung 8.5: Ständerwerk als Isothermendarstellung Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 104 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Abbildung 8.6: Ständerwerk als Wärmestromdarstellung Also ergibt sich hier nach der ANSYS Berechnung folgendes Ergebnis: ˚ D 11; 94W min D 13; 97ı C Ureal D 0; 732W = m2 K Seitens des Herstellers wird eine U-Wert von 0,5 W = m2 K angegeben. Wie ist diese Distkrepanz zu bewerten? ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.2 Stabilitätsprobleme im Stahlbau 105 8.2 Stabilitätsprobleme im Stahlbau Die numerische Untersuchung von Stabilitätsproblemen im Stahlbau3 ist eine wichtige baupraktische Anwendung für die Finite Elemente Methode. Wir betrachten in diesem Abschnitt jeweils ein Beispiel zur Berechnung der Knicklast bei Stäben, zur Untersuchung des Biegedrillknickens sowie zum Plattenbeulen. 8.2.1 Knickberechnung Es handelt sich um ein Beispiel einer Knickstütze mit konstanter Drucknormalkraft. Dabei ist die Stütze, mit einem HEB 400 Profil, um die starke Biegeachse auf 16m frei tragend und um die schwache Achse durch ein zusätzlichen Auflager in Feldmitte gehalten. Starke Achse Schwache Achse PN 8000 16000 8000 PN x x z y Abbildung 8.7: Belasteter HEB 400 Träger aus S 235 In diesem Beispiel werden keine geometrischen oder Materialbedingten Imperfektionen einbezogen wodurch die ideele Verzweigungslast des Systems bestimmt wird. Die Bestimmung der Verzweigungslast könnte dann der Berechnung der Knickschlankheit der Stütze dienen, um damit den Abminderungsfaktor für die schlussendliche Traglast unter Berücksichtigung von tatsächlich vorhandenen Imperfektionen zu liefern. Knickberechnung unter Verwendung von beam4-Elementen 1 2 3 4 5 6 7 3 Quellcode !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!! 18La !!! !!! KNICKLASTBERECHNUNG HOCHBAUST+ANw-TZE !!! !!! BEAM4-ELEMENTE !!! !!! LS STAHLBAU, 01/2009 !!! !!! EINHEITEN mm, s, t, N !!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Wir danken dem Lehrstuhl Stalbau (Prof. Dr.-Ing. Dieter Ungermann) und hierbei insbesondere Herrn Dr.-Ing. Jens Kalameya ([email protected]), Herrn Dipl-Ing. Sebastian Lübke (sebastian.lü[email protected]) sowie Frau Dipl.-Ing. Eva Preckwinkel ([email protected]) für die wertvollen Anregungen und die Hilfestellung bei der Modellierung der vorliegenden Aufgabenstellung. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 106 8 9 10 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen !LEEREN DER DATENBASIS FINISH /CLEAR 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 !DEFINITION DER PARAMETER L=16000 !STABL+AMQ-NGE LAST=1000 !EINHEITSLAST A=19800 !QUERSCHNITTSFL+AMQ-CHE IY=576800000 !TR+AMQ-GHEITSMOMENT ACHSE Y-Y IZ=108200000 !TR+AMQ-GHEITSMOMENT ACHSE Z-Z H=400 !QUERSCHNITTSH+ANY-HE B=300 !QUERSCHNITTSBREITE 21 22 N_EL=80 !ANZAHL ELEMENTE +ANw-BER L N_EW=5 !ANZAHL DER ZU BERECHNENDEN !EIGENWERTE E=210000 QDehn=0.3 !E-MODUL !QUERDEHNZAHL 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 !DEFINITION DES MATERIALS /PREP7 !STARTEN PREPROCESSOR MP,EX,1,E !ZUWEISUNG MAT1 E-MODUL MP,PRXY,1,QDehn !ZUWEISUNG MAT1 !QUERDEHNZAHL 35 36 37 38 39 40 41 !DEFINITION DER KNOTEN N,1,0,0,0 !ANFANGSKNOTEN N,N_EL+ACs-1,L,0,0 !ENDKNOTEN FILL,1,N_EL+ACs-1,N_EL-1 !ERZEUGEN ZWISCHENKNOTEN 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 !DEFINITION DER ELEMENTE ET,1,BEAM4 !DEFINITION ELEMENTTYP 1 R,1,A,IZ,IY,H,B !DEFINITION REAL-KONST 1 MAT,1 !MATERIAL 1 TYPE,1 !ZUWEISUNG ELEMENTTYP 1 REAL,1 !ZUWEISUNG REAL-KONST 1 !SCHLEIFENSTART *DO,I,1,N_EL EN,I,I,I+ACs-1 !GENERIERUNG ELEMENTE !SCHLEIFENENDE *ENDDO 52 53 54 55 56 57 58 59 !GENERIERUNG DER AUFLAGER !AUFLAGER AM STABANFANG D,1,UX,,,,,UY,UZ,ROTX !AUFLAGER AM STABENDE D,N_EL+ACs-1,UY,,,,,UZ,ROTX !AUFLAGER IM 2. VIERTELSPUNKT D,N_EL/2+ACs-1,UY 60 61 62 63 64 !AUFBRINGEN DER LAST !DRUCKNORMALKRAFT AM STABENEDE F,N_EL+ACs-1,FX,-LAST 65 66 FINISH !BEENDEN PREPROCESSOR 67 68 69 70 71 72 !LINEARE STATISCHE BERECHNUNG /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROC. ANTYPE,STATIC,NEW !NEUE STAT. BERECHNUNG PSTRES,ON !PRESTRESS EFFEKTE F+ANw-R !FOLGENDE KNICKANALYSE ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.2 Stabilitätsprobleme im Stahlbau 107 73 74 75 SOLVE FINISH !L+ANY-SEN !BEENDEN SOLUTIONPROC. 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 !VERZWEIGUNGSLAST-BERECHNUNG !(BESTIMMUNG EIGENWERT) /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROC. ANTYPE,BUCKLE,NEW !NEUE VERZWEIGUNGS!ANALYSE BUCOPT,LANB,N_EW !EINSTELLEN DER BERECH!NUNGSPARAMETER SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROC. 86 87 88 89 90 91 92 93 94 !R+ANw-CKRECHNUNG AUF VERFORMUNGEN UND SPANNUNGEN /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROC. EXPASS,ON !STARTEN DES EXPANSION!PFADES MXPAND,N_EW,,,YES !AUSWERTEN DER EIGEN!WERTBERECHNUNG SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROC. 95 96 SAVE !SPEICHERN DER ERGEB!NISSE 97 Knickberechnung unter Verwendung von beam188-Elementen 1 2 3 4 5 6 7 Quellcode !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!! 18Lb !!! !!! KNICKLASTBERECHNUNG HOCHBAUST+ANw-TZE !!! !!! BEAM188-ELEMENTE !!! !!! LS STAHLBAU, 01/2009 !!! !!! EINHEITEN mm, s, t, N !!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8 9 10 11 !LEEREN DER DATENBASIS FINISH /CLEAR 12 13 14 15 16 17 18 19 !DEFINITION DER PARAMETER L=16000 !STABL+AMQ-NGE LAST=1000 !EINHEITSLAST H=400 !QUERSCHNITTSH+ANY-HE B=300 !QUERSCHNITTSBREITE T_F=24 !FLANSCHDICKE T_W=13.5 !STEGDICKE 20 21 N_EL=80 !ANZAHL ELEMENTE +ANw-BER L N_EW=5 !ANZAHL DER ZU BERECHNEN!DEN EIGENWERTE 22 23 24 25 26 27 28 E=210000 !E-MODUL QDEHN=0.3 !QUERDEHNZAHL G=E/(2*(1+ACs-QDEHN)) 29 30 31 32 33 34 !DEFINITION DES MATERIALS /PREP7 !STARTEN PREPROCESSOR MP,EX,1,E !ZUWEISUNG MAT1 E-MODUL Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 108 35 36 37 38 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen MP,PRXY,1,QDEHN !ZUWEISUNG MAT1 QUERDEHN!ZAHL MP,GXY,1,G !ZUWEISUNG MAT1 !SCHUBMODUL 39 40 41 42 43 44 45 46 !DEFINITION DER KNOTEN N,1,0,0,0 !ANFANGSKNOTEN N,N_EL+ACs-1,L,0,0 !ENDKNOTEN FILL,1,N_EL+ACs-1,N_EL-1 !ERZEUGEN ZWISCHEN!KNOTEN N,1000,0,0,1000 !HILFSKNOTEN ZUR !PROFILAUSRICHTUNG 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 !DEFINITION DER ELEMENTE ET,1,BEAM188 !DEFINITION ELEMENTTYP 1 KEYOPT,1,1,1 !VERW+ANY-LBUNG EINGESCHALTET SECTYPE,1,BEAM,I,,1 !QUERSCHNITTSTYP I-PROFIL SECDATA,B,B,H,T_F,T_F,T_W !GEOMETRIEPARAMETER !QUERSCHNITT SECOFFSET,CENT !STABACHSE IN SCHWERE!LINIE MAT,1 !MATERIAL 1 TYPE,1 !ZUWEISUNG ELEMENTTYP 1 SECNUM,1 !QS-NUMMER 1 AKTIVIEREN !SCHLEIFENSTART *DO,I,1,N_EL EN,I,I,I+ACs-1,1000 !GENERIERUNG ELEMENTE !(1000=HILFSKNOTENNUMMER) !SCHLEIFENENDE *ENDDO 65 66 67 68 69 70 71 72 !GENERIERUNG DER AUFLAGER !AUFLAGER AM STABANFANG D,1,UX,,,,,UY,UZ,ROTX !AUFLAGER AM STABENDE D,N_EL+ACs-1,UY,,,,,UZ,ROTX !AUFLAGER IM 2. VIERTELSPUNKT D,N_EL/2+ACs-1,UY 73 74 75 76 77 78 !AUFBRINGEN DER LAST !DRUCKNORMALKRAFT AM STABENEDE F,N_EL+ACs-1,FX,-LAST !BEENDEN PREPROCESSOR FINISH 79 80 !LINEARE STATISCHE BERECHNUNG 81 82 83 /SOLU ANTYPE,STATIC,NEW 84 85 PSTRES,ON 86 87 88 SOLVE FINISH !STARTEN SOLUTIONPROC. !NEUE STATISCHE !BERECHNUNG !PRESTRESS EFFEKTE F+ANw-R !FOLGENDE KNICKANALYSE !L+ANY-SEN !BEENDEN SOLUTIONPROC. 89 90 91 !VERZWEIGUNGSLAST-BERECHNUNG !(BESTIMMUNG EIGENWERT) 92 93 94 /SOLU ANTYPE,BUCKLE,NEW 95 96 BUCOPT,LANB,N_EW 97 98 99 SOLVE FINISH !STARTEN SOLUTIONPROC. !NEUE VERZWEIGUNGS!ANALYSE !EINSTELLEN BERECH!NUNGSPARAMETER !L+ANY-SEN !BEENDEN SOLUTIONPROC. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.2 Stabilitätsprobleme im Stahlbau 109 100 101 !R+ANw-CKRECHNUNG AUF VERFORMUNGEN UND SPANNUNGEN 102 103 104 /SOLU EXPASS,ON SOLVE FINISH !STARTEN SOLUTIONPROC. !STARTEN DES !EXPANSIONPFADES !AUSWERTEN DER EIGEN!WERTBERECHNUNG !L+ANY-SEN !BEENDEN SOLUTIONPROC. SAVE !SPEICHERN ERGEBNISSE 105 106 MXPAND,N_EW,,,YES 107 108 109 110 111 8.2.2 Biegedrillknicken Bei dem hier vorgestellten Beispiel handelt es sich um einen durch Endmomente, bzw. äußere Querlasten Belasteten Riegel aus IPE Profilen. Aufgrund der geringen Torsionssteifigkeit eines I-Profils besteht unter dieser Beanspruchungsart die Gefahr eines Stabilitätsversagens infolge Biegdrillknicken (nach EC3 wird dieses versagen als Lateral Torsional Buckling bezeichnet - abgekürzt LT). Dies hätte sowohl ein seitliches Ausweichen infolge der Biegebeanspruchung als auch eine gleichzeitige Verdrillung des Querschnittes zur Folge. Diese Verdrillung führt bei an der Profiloberkante angreifenden Lasten dazu, dass die Lasten nicht mehr durch den Schwerpunkt verlaufen sondern einen zusätzlichen Hebelarm zum Schwerpunkt haben. Dadurch entsteht ein zusätzliches Moment, dass den Effekt der Profilverdrillung noch verstärkt. MN MN 16000 Abbildung 8.8: Biegedrillknickgefährtdeter IPE 500 Träger, S 235 mit Randmomenten Wird nun das Profil im Schwerpunkt durch ein Balkenelement modelliert, kommt es in folge der Profilverdrehung nicht mehr zu einem zusätzlichen Moment um den Schwerpunkt und die Modellierung würde den zusätzlichen Abtriebseffekt nicht berücksichtigen. Daher ist es notwendig Hilfsknoten für die Lasteinleitung zu modellieren, wodurch die Lastexzentrizität infolge Verdrillung berücksichtigt wird. h h=2 16000 Abbildung 8.9: Biegedrillknickgefährtdeter IPE 500 Träger, S 235 mit zusätzlicher Lastexzentrizität Riegel belastet durch Endmomente Quellcode 1 2 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!! 19La !!! Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 110 3 4 5 6 7 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen !!! BDK-HOCHBAURIEGEL MIT ENDMOMENTEN !!! !!! BEAM188-ELEMENTE !!! !!! LS STAHLBAU, 01/2009 !!! !!! EINHEITEN mm, s, t, N !!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8 9 10 11 !LEEREN DER DATENBASIS FINISH /CLEAR 12 13 14 15 16 17 18 19 !DEFINITION DER PARAMETER L=16000 !STABL+AMQ-NGE M_LAST=1000000 !EINHEITSLAST MOMENT H=500 !QUERSCHNITTSH+ANY-HE B=200 !QUERSCHNITTSBREITE T_F=16 !FLANSCHDICKE T_W=10.2 !STEGDICKE 20 21 N_EL=80 !ANZAHL ELEMENTE +ANw-BER L N_EW=5 !ANZAHL DER ZU BERECHNEN!DEN EIGENWERTE 22 23 24 25 26 27 28 E=210000 !E-MODUL QDEHN=0.3 !QUERDEHNZAHL G=E/(2*(1+ACs-QDEHN)) 29 30 !DEFINITION DES MATERIALS 31 32 33 34 35 36 /PREP7 !STARTEN PREPROCESSOR MP,EX,1,E !ZUWEISUNG MAT1 E-MODUL MP,PRXY,1,QDEHN !ZUWEISUNG MAT1 QUERDEHN!ZAHL MP,GXY,1,G !ZUWEIS. MAT1 SCHUBMODUL 37 38 39 40 41 42 43 44 !DEFINITION DER KNOTEN N,1,0,0,0 !ANFANGSKNOTEN N,N_EL+ACs-1,L,0,0 !ENDKNOTEN FILL,1,N_EL+ACs-1,N_EL-1 !ERZEUGEN ZWISCHENKNOTEN N,1000,0,0,1000 !HILFSKNOTEN ZUR PROFIL!AUSRICHTUNG 45 46 !DEFINITION DER ELEMENTE 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 ET,1,BEAM188 !DEFINITION ELEMENTTYP 1 KEYOPT,1,1,1 !VERW+ANY-LBUNG EINGESCHALTET SECTYPE,1,BEAM,I,,1 !QUERSCHNITTSTYP I-PROFIL SECDATA,B,B,H,T_F,T_F,T_W !GEOMETRIEPARAMETER !QUERSCHNITT SECOFFSET,CENT !STABACHSE IN SCHWERE!LINIE MAT,1 !MATERIAL 1 TYPE,1 !ZUWEISUNG ELEMENTTYP 1 SECNUM,1 !QS-NUMMER 1 AKTIVIEREN !SCHLEIFENSTART *DO,I,1,N_EL EN,I,I,I+ACs-1,1000 !GENERIERUNG ELEMENTE !(1000=HILFSKNOTENNUMMER) !SCHLEIFENENDE *ENDDO 64 65 66 67 !GENERIERUNG DER AUFLAGER !AUFLAGER AM STABANFANG D,1,UX,,,,,UY,UZ,ROTX ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.2 Stabilitätsprobleme im Stahlbau 68 69 111 !AUFLAGER AM STABENDE D,N_EL+ACs-1,UY,,,,,UZ,ROTX 70 71 72 73 74 75 !AUFBRINGEN DER LAST F,1,MY,-M_LAST !ENDMOMENT AM STABANFANG F,N_EL+ACs-1,MY,M_LAST !ENDMOMENT AM STABENDE FINISH !BEENDEN PREPROCESSOR 76 77 78 79 80 !LINEARE STATISCHE BERECHNUNG /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROCESSOR ANTYPE,STATIC,NEW !NEUE STATISCHE BERECHNUNG 81 82 PSTRES,ON 83 84 85 SOLVE FINISH !PRESTRESS EFFEKTE F+ANw-R !FOLGENDE KNICKANALYSE !L+ANY-SEN !BEENDEN SOLUTIONPROCESSOR 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 !VERZWEIGUNGSLAST-BERECHNUNG !(BESTIMMUNG EIGENWERT) /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROCESSOR ANTYPE,BUCKLE,NEW !NEUE VERZWEIGUNGSANALYSE BUCOPT,LANB,N_EW !EINSTELLEN DER BERECH!NUNGSPARAMETER SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROCESSOR 97 98 99 100 101 102 103 104 105 !R+ANw-CKRECHNUNG AUF VERFORMUNGEN UND SPANNUNGEN /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROCESSOR EXPASS,ON !STARTEN EXPANSIONPFAD MXPAND,N_EW,,,YES !AUSWERTEN DER EIGENWERT!BERECHNUNG SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROCESSOR 106 107 SAVE !SPEICHERN DER ERGEBNISSE Riegel beansprucht durch Streckenlast Quellcode 1 2 3 4 5 6 7 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!! 19Lb !!! !!! BDK-HOCHBAURIEGEL MIT QUERLAST !!! !!! BEAM188-ELEMENTE !!! !!! LS STAHLBAU, 01/2009 !!! !!! EINHEITEN mm, s, t, N !!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8 9 10 11 !LEEREN DER DATENBASIS FINISH /CLEAR 12 13 14 15 16 17 18 19 !DEFINITION DER L=16000 Q_LAST=1 H=500 B=200 T_F=16 T_W=10.2 PARAMETER !STABL+AMQ-NGE !EINHEITSLAST STRECKENLAST !QUERSCHNITTSH+ANY-HE !QUERSCHNITTSBREITE !FLANSCHDICKE !STEGDICKE Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 112 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen 20 21 22 N_EL=80 N_EW=5 23 !ANZAHL ELEMENTE +ANw-BER L !ANZAHL DER ZU BERECHNENDEN !EIGENWERTE 24 25 26 27 E=210000 !E-MODUL QDEHN=0.3 !QUERDEHNZAHL G=E/(2*(1+ACs-QDEHN)) 28 29 30 31 32 33 34 !DEFINITION DES MATERIALS /PREP7 !STARTEN PREPROCESSOR MP,EX,1,E !ZUWEISUNG MAT1 E-MODUL MP,PRXY,1,QDEHN !ZUWEISUNG MAT1 QUERDEHNZAHL MP,GXY,1,G !ZUWEISUNG MAT1 SCHUBMODUL 35 36 37 38 39 40 41 42 43 !DEFINITION DER KNOTEN N,1,0,0,0 !ANFANGSKNOTEN N,N_EL+ACs-1,L,0,0 !ENDKNOTEN FILL,1,N_EL+ACs-1,N_EL-1 !ERZEUGEN ZWISCHENKNOTEN N,1000,0,0,1000 !HILFSKNOTEN ZUR PROFIL!AUSRICHTUNG 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 N,101,0,0,-H/2 !HILFSKNOTEN ZUR LAST!EINLEITUNG STABANFANG N,100+ACs-N_EL+ACs-1,L,0,-H/2 !HILFSKNOTEN ZUR LAST!EINLEITUNG STABENDE FILL,101,100+ACs-N_EL+ACs-1,N_EL-1 !ERZEUGEN ZWISCHENHILFS!KNOTEN 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 !DEFINITION DER ELEMENTE ET,1,BEAM188 !DEFINITION ELEMENTTYP 1 KEYOPT,1,1,1 !VERW+ANY-LBUNG EINGESCHALTET SECTYPE,1,BEAM,I,,1 !QUERSCHNITTSTYP I-PROFIL SECDATA,B,B,H,T_F,T_F,T_W !GEOMETRIEPARAMETER QUER!SCHNITT SECOFFSET,CENT !STABACHSE IN SCHWERE!LINIE MAT,1 !MATERIAL 1 TYPE,1 !ZUWEISUNG ELEMENTTYP 1 SECNUM,1 !QS-NUMMER 1 AKTIVIEREN !SCHLEIFENSTART *DO,I,1,N_EL EN,I,I,I+ACs-1,1000 !GENERIERUNG ELEMENTE !(1000=HILFSKNOTENNUMMER) !SCHLEIFENENDE *ENDDO 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 ET,2,BEAM4 !DEFINITION ELEMENTTYP 2 R,1,10E8,10E8,10E8 !DEFINITION REAL-KONST 1 MAT,1 !MATERIAL 1 TYPE,2 !ZUWEISUNG ELEMENTTYP 2 REAL,1 !ZUWEISUNG REAL-KONST 2 *DO,I,1,N_EL !SCHLEIFENSTART EN,100+ACs-I,I,100+ACs-I !GENERIERUNG HILFSELEMENTE 82 83 *ENDDO !SCHLEIFENENDE 84 ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.2 Stabilitätsprobleme im Stahlbau 113 85 86 87 88 89 90 !GENERIERUNG DER AUFLAGER !AUFLAGER AM STABANFANG D,1,UX,,,,,UY,UZ,ROTX !AUFLAGER AM STABENDE D,N_EL+ACs-1,UY,,,,,UZ,ROTX 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 !AUFBRINGEN DER LAST !ENDMOMENT AM STABANFANG ! F,1,MY,-M_LAST !ENDMOMENT AM STABENDE ! F,N_EL+ACs-1,MY,M_LAST *DO,I,1,N_EL+ACs-1 !SCHLEIFENSTART F,100+ACs-I,FZ,Q_LAST*L/N_EL !GENERIERUNG EINZELLAST !AUF HILFSKNOTEN !SCHLEIFENENDE *ENDDO FINISH !BEENDEN PREPROCESSOR 104 105 106 107 108 109 110 111 112 !LINEARE STATISCHE BERECHNUNG /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROCESSOR ANTYPE,STATIC,NEW !NEUE STATISCHE BERECHNUNG PSTRES,ON !PRESTRESS EFFEKTE F+ANw-R !FOLGENDE KNICKANALYSE SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROCESSOR 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 !VERZWEIGUNGSLAST-BERECHNUNG !(BESTIMMUNG EIGENWERT) /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROCESSOR ANTYPE,BUCKLE,NEW !NEUE VERZWEIGUNGSANALYSE BUCOPT,LANB,N_EW !EINSTELLEN DER BERECH!NUNGSPARAMETER SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROCESSOR 125 126 127 128 129 130 131 132 !R+ANw-CKRECHNUNG AUF VERFORMUNGEN UND SPANNUNGEN /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROCESSOR EXPASS,ON !STARTEN EXPANSIONPFAD MXPAND,N_EW,,,YES !AUSWERTEN DER EIGENWERTE SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROCESOOR 133 134 SAVE !SPEICHERN DER ERGEBNISSE 8.2.3 Beulen In diesem Beispiel handelt es sich um eine Hohlkastenstütze deren Profilabmessung ein lokales Stabilitätsversagen infolge Plattenbeulen begünstigen, es handelt sich um einen Beulgefährdeten Klasse 4 Querschnitt mit t1 D t2 D 10mm. Ein globales Versagen auf Biegeknicken der Gesamtstütze ist hier nicht maßgebend. Zur Lasteinleitung und zur Lagerung wird am Anfang und Ende der Stütze eine Kopfplatte angeordnet. Mit der linearen Verzweigungslastanalyse kann in weiteren Berechnungen die Beulschlankheit des Profils bestimmt werden, womit dann die Abminderungsfaktoren für die Bestimmung des effektiven Querschnitts infolge lokalem Stabilitätsversagens berechnet werden können. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 114 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Detail mit Kopfplatte PN 80 t1 80 t1 800 8000 Querschnitt t2 t2 800 Abbildung 8.10: Beulgefährdete Stütze aus S 235 Beulgefährdete Stütze 1 2 3 4 5 6 7 Quellcode !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!! 20L !!! !!! BEULBERECHNUNG KASTENST+ANw-TZE !!! !!! SHELL181-ELEMENTE !!! !!! LS STAHLBAU, 01/2009 !!! !!! EINHEITEN mm, s, t, N !!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 8 9 10 11 !LEEREN DER DATENBASIS FINISH /CLEAR 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 !DEFINITION DER PARAMETER L=8000 !STABL+AMQ-NGE LAST=1000 !EINHEITSLAST H=800 !QUERSCHNITTSH+ANY-HE B=800 !QUERSCHNITTSBREITE T_F=10 !FLANSCHDICKE T_W=10 !STEGDICKE T_K=80 !KOPFPLATTEDICKE N_EL_L=100 !ANZAHL ELEMENTE +ANw-BER L N_EL_B=10 !ANZAHL ELEMENTE +ANw-BER B N_EL_H=10 !ANZAHL ELEMENTE +ANw-BER H 24 25 N_EW=2 !ANZAHL DER ZU BERECH!NENDEN EIGENWERTE E=210000 QDehn=0.3 !E-MODUL !QUERDEHNZAHL 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 !DEFINITION DES MATERIALS /PREP7 !STARTEN PREPROCESSOR MP,EX,1,E !ZUWEISUNG MAT1 E-MODUL MP,PRXY,1,QDehn !ZUWEISUNG MAT1 !QUERDEHNZAHL 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 !DEFINITION DER KEYPOINTS K,1,0,-B/2,-H/2 !1.ECKPKT K,2,0,B/2,-H/2 !2.ECKPKT K,3,0,B/2,H/2 !3.ECKPKT K,4,0,-B/2,H/2 !4.ECKPKT K,11,L,-B/2,-H/2 !1.ECKPKT K,12,L,B/2,-H/2 !2.ECKPKT K,13,L,B/2,H/2 !3.ECKPKT K,14,L,-B/2,H/2 !4.ECKPKT PROFIL PROFIL PROFIL PROFIL PROFIL PROFIL PROFIL PROFIL STABANF STABANF STABANF STABANF STABANF STABANF STABANF STABANF 46 ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.2 Stabilitätsprobleme im Stahlbau 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 115 !DEFINITION DER LINIEN L,1,2 !OBERGURT STABANFANG L,2,3 !STEG STABANFANG L,3,4 !UNTERGURT STABANFANG L,4,1 !STEG STABANFANG L,11,12 !OBERGURT STABENDE L,12,13 !STEG STABENDE L,13,14 !UNTERGURT STABENDE L,14,11 !STEG STABENDE L,1,11 !L+AMQ-NGSKANTE 1 L,2,12 !L+AMQ-NGSKANTE 2 L,3,13 !L+AMQ-NGSKANTE 3 L,4,14 !L+AMQ-NGSKANTE 4 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 !UNTERTEILEN DER LINIEN LSEL,S,LINE,,1,7,2 !SELEKT GURTLINIEN LESIZE,ALL,,,N_EL_B !UNTERTEILEN DER !GURTLINIEN LSEL,ALL !ALLE LINIEN SELEKT LSEL,S,LINE,,2,8,2 !SELEKT STEGLINIEN LESIZE,ALL,,,N_EL_H !UNTERTEILEN DER !STEGLINIEN LSEL,ALL !ALLE LINIEN SELEKT LSEL,S,LINE,,9,12 !SELEKT L+AMQ-NGSLINIEN LESIZE,ALL,,,N_EL_L !UNTERTEILEN DER !L+AMQ-NGSLINIEN LSEL,ALL !ALLE LINIEN SELEKT 74 75 76 77 78 79 80 81 !DEFINITION DER FL+AMQ-CHEN AL,1,9,5,10 !OBERGURTFL+AMQ-CHE AL,3,12,7,11 !UNTERGURTFL+AMQ-CHE AL,2,11,6,10 !STEGFL+AMQ-CHE 1 AL,4,12,8,9 !STEGFL+AMQ-CHE 2 AL,1,2,3,4 !KOPFPLATTE STABANFANG AL,5,6,7,8 !KOPFPLATTE STABENDE 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 !DEFINITION DER ELEMENTE ET,1,SHELL181 !DEFINITION ELEMENTTYP 1 R,1,T_F !DEFINITION REAL-KONST !F+ANw-R FLANSCHE R,2,T_W !DEFINITION REAL-KONST !F+ANw-R STEGE R,3,T_K !DEFINITION REAL-KONST !F+ANw-R KOPFPLATTE MAT,1 !MATERIAL 1 TYPE,1 !ZUWEISUNG ELEMENTTYP 1 REAL,1 !ZUWEISUNG REAL-KONST !F+ANw-R FLANSCHE ASEL,S,AREA,,1,2 !SELEKTIEREN GURTFL+AMQ-CHEN 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 AMESH,ALL ASEL,ALL REAL,2 !VERNETZEN GURTFL+AMQ-CHEN !ALLE FL+AMQ-CHEN SELEKT !ZUWEISUNG REAL-KONST !F+ANw-R STEGE ASEL,S,AREA,,3,4 !SELEKTIEREN STEGFL+AMQ-CHEN AMESH,ALL !VERNETZEN STEGFL+AMQ-CHEN ASEL,ALL !ALLE FL+AMQ-CHEN SELEKT REAL,3 !ZUWEISUNG REAL-KONST !F+ANw-R KOPFPLATTE ASEL,S,AREA,,5,6 !SELEKTIEREN KOPFPLATTE AMESH,ALL !VERNETZEN KOPFPLATTE ASEL,ALL !ALLE FL+AMQ-CHEN SELEKT 109 110 111 !GENERIERUNG DER AUFLAGER Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 116 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen !SELEKT KNOTEN NSEL,S,LOC,X,0 !X-KOORDINATE 0 NSEL,R,LOC,Y,0 !Y-KOORDINATE 0 NSEL,R,LOC,Z,0 !Z-KOORDINATE 0 D,ALL,UX,,,,,UY,UZ,ROTX !AUFLAGER AM STABANFANG NSEL,ALL !ALLE KNOTEN SELEKTIEREN !SELEKTIEREN KNOTEN NSEL,S,LOC,X,L !X-KOORDINATE L NSEL,R,LOC,Y,0 !Y-KOORDINATE 0 NSEL,R,LOC,Z,0 !Z-KOORDINATE 0 D,ALL,UY,,,,,UZ,ROTX !AUFLAGER AM STABANFANG NSEL,ALL !ALLE KNOTEN SELEKTIEREN 126 127 !AUFBRINGEN DER LAST NSEL,S,LOC,X,L NSEL,R,LOC,Y,0 NSEL,R,LOC,Z,0 F,ALL,FX,-LAST !SELEKTIEREN KNOTEN !X-KOORDINATE L !Y-KOORDINATE 0 !Z-KOORDINATE 0 !DRUCKNORMALKRAFT AM !STABENEDE NSEL,ALL FINISH !ALLE KNOTEN SELEKTIEREN !BEENDEN PREPROCESSOR 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 !LINEARE STATISCHE BERECHNUNG /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROC ANTYPE,STATIC,NEW !NEUE STATISCHE !BERECHNUNG 142 143 PSTRES,ON 144 145 146 SOLVE FINISH !PRESTRESS EFFEKTE F+ANw-R !FOLGENDE KNICKANALYSE !L+ANY-SEN !BEENDEN SOLUTIONPROC 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 !VERZWEIGUNGSLAST-BERECHNUNG !(BESTIMMUNG EIGENWERT) /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROC ANTYPE,BUCKLE,NEW !NEUE VERZWEIGUNGS!ANALYSE BUCOPT,LANB,N_EW !EINSTELLEN DER BERECH!NUNGSPARAMETER SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROC 157 158 159 160 161 162 163 164 165 !R+ANw-CKRECHNUNG AUF VERFORMUNGEN UND SPANNUNGEN /SOLU !STARTEN SOLUTIONPROC EXPASS,ON !STARTEN EXPANSIONPFAD MXPAND,N_EW,,,YES !AUSWERTEN DER EIGENWERT!BERECHNUNG SOLVE !L+ANY-SEN FINISH !BEENDEN SOLUTIONPROC 166 167 168 SAVE !SPEICHERN DER ERGEBNISSE ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 117 8.3 Strukturdynamik Bei der Bemessung vieler Bauwerke ist die Betrachtung der Strukturdynamik4 für die Bemessung und den Nachweis der Standsicherheit von besonderer Bedeutung. 8.3.1 Modalanalyse Einmassenschwinger cu h m g Abbildung 8.11: Einmassenschwinger Von dem in Abbildung 8.11 gezeigten Einmassenschwinger sollen die Eigenfrequenz und die Eigenform gefunden werden. Die Masse beträgt hierbei m D 10 3 t und die Federkonstante cu D 0:03948N=mm. Das Ergebnis soll mit der analytischen Lösung verglichen werden. Analytische Lösung Zur Ermittlung der Bewegungsgleichung wird eine von der Ruhelage (entspannte Feder) gezählte Koordinate x eingeführt. Die einzige in vertikaler Richtung wirkende Kraft ist die Federkraft cu x . Diese Kraft ist eine Rückstellkraft, die der Auslenkung aus der Ruhelage entgegenwirkt. Das Newtonsche Grundgesetz ma D F liefert somit die Bewegungsgleichung mxR D cx und mit ! 2 D ! xR C ! 2 x D 0: cu m (8.2) Die allgemeine Lösung dieser homogenen Differentialgleichung zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten lautet x.t/ D A cos !t C B sin !t: (8.3) Mit Hilfe der Randbedingungen x.0/ D x0 und x.0/ P D v0 können die Integrationskonstanten zur v0 A D x0 und B D ! bestimmt werden. Somit lautet die Lösung der Bewegungsgleichung für den Einmassenschwinger v0 x.t/ D x0 cos !t C sin !t: (8.4) ! 4 Wir danken dem Lehrstuhl Tragkonstruktion (Prof. Dr.-Ing. Atilla Ötes) und insbesondere Herrn Dr.-Ing. Axel Wertenbroch ([email protected]) für die wertvollen Anregungen und die Hilfestellung bei der Modellierung der vorliegenden Aufgabenstellung. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 118 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Hierbei handelt es sich um eine harmonische Schwingung. Die Kreiseigenfrequenz ! des Einmassenschwingers ist somit r !D cu m mit der Umrechnung auf die Eigenfrequenz f D ! : 2 (8.5) Mit den Daten des betrachteten Beispiels erhalten wir s !D N 0:03948 mm D 6:2833s 0:001t 1 ! f D 6:2833 1Hz: 2 (8.6) Die Eigenform ist die geometrische Form, mit der ein Körper während einer Eigenschwingung schwingt und die er bei der größten Auslenkung annimmt. Wenn man die maximale Auslenkung der Masse mit x0 D 1 und die Anfangsgeschwindigkeit mit v0 D 0 wählt, so ist die Eigenform des Einmassenschwingers die Form, bei der die Masse sich um eins nach oben oder nach unten aus der Ruhelage bewegt hat. ANSYS Lösung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 29L ! Berechnung einer ungedämpften Schwingung ! Feder mit Punktmasse, Modalanalyse ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Definieren verschiedener Parameter FEDSTEI = 0.03948 ! Länge unwichtig, hier für Animation gewählt LAENGE = 1000 GEWICHT = 1.0E-3 ! /prep7 ! et,1,combin14 r,1,FEDSTEI keyopt,1,3,2 et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,2,GEWICHT ! n,1,0,0 ˇ -Version vom 10. April 2013 n,2,0,LAENGE type,1 real,1 e,1,2 type,2 real,2 e,1 26 27 28 29 30 31 32 33 ! d,1,ux,0 d,2,all 34 35 36 ! 37 finish /solu antype,modal modopt,lanb,1 mxpa,1 ! Lösen solve finish ! ! Postprocessing /post1 set,first *get,FREQ1,active,,set,freq pldisp anmode,10,0.5,,0 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 119 Balken mit Punktmasse m masselos 1 Element h Abbildung 8.12: Balken mit Punktmasse Von dem in Abbildung 8.12 gezeigtem eingespanntem Stab sollen die Eigenfrequenzen und Eigenformen bestimmt werden. Der Stab besteht aus einem quadratischem Vollquerschnitt mit einer Seitenlänge von a D 10; 0mm und hat eine Höhe von h D 1000; 0mm. Das Material soll als masselos angenommen werden und hat einen E-Modul von E D 210:000; 0N=mm2 und eine Querkontraktion von D 0; 3. Die Punktmasse beträgt m D 10 2 t . Diskretisieren Sie den Balken so, dass Sie die Anzahl der Elemente einfach ändern können. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 30L ! Balken mit masselosen Balkenelementen, ! Punktmasse am Kopfpunkt ! Anregung von Axel Wertenbroch ! Bearbeitet: Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Definieren verschiedener Parameter EYOUNG = 210.0E3 QUER = 0.3 ! DICHTE = 7.85E-9 FLAECHE = 100.0 HOEHE = 10 FLMO = 1/12*1.0E4 LAENGE = 1000 GEWICHT = 1.0E-2 ANZN = 2 ! /prep7 ! et,1,beam3 r,1,FLAECHE,FLMO,HOEHE et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,2,GEWICHT mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,QUER ! mp,dens,1,DICHTE 32 ! type,1 real,1 mat,1 *do,LAUF,1,ANZN n,LAUF,0,(LAUF-1)*LAENGE/(ANZN-1) *if,LAUF,eq,1,cycle e,LAUF-1,LAUF *enddo type,2 real,2 e,ANZN 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 ! 45 finish /solu d,1,all antype,modal modopt,lanb,2 mxpa,2 ! Lösen solve finish ! ! Postprocessing /post1 *do,LAUF,1,2 set,1,LAUF *get,FREQ%LAUF%,active,,set,freq *enddo set,1,2 pldisp anmode,10,0.5,,0 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 120 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Zweimassenschwinger c1 h1 m1 c2 h2 m2 Abbildung 8.13: Zweimassenschwinger Von dem in Abbildung 8.13 gezeigtem Zweimassenschwinger sollen die Eigenfrequenzen und Eigenformen bestimmt werden. Erstellen Sie die Eingabedatei so, dass einfach die Federsteifigkeiten c1 und c2 N sowie die Massen m1 und m2 geändert werden können. Vergleichen Sie das Ergebnis für c1 D 0:03 mm , N c2 D 0:03 mm , m1 D 0:001t und m2 D 0:002t mit der analytischen Lösung. Analytische Lösung Die Bewegungsgleichungen für den Zweimassenschwinger lauten m1 xR 1 C .c1 C c2 /x1 c2 x2 D 0 m2 xR 2 c2 x1 C c2 x2 D 0: (8.8) Dies ist ein System von zwei gekoppelten, homogenen Differentialgleichungen zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten. Hierbei zählen die Koordinaten x1 und x2 von der Ruhelage der Massenpunkte m1 und m2 aus. Mit dem Lösungsansatz x1 D A cos !t und x2 D C cos !t (8.9) erhält man das folgende homogene algebraische Gleichungssystem .c1 C c2 m1 ! 2 /A c2 A C .c2 c2 C D 0 m2 ! 2 /C D 0 (8.11) für die Konstanten A und C . Werden beide Konstanten zu Null gesetzt wird das Gleichungssystem erfüllt, das System bewegt sich aber gar nicht. Daher sucht man nach anderen Lösungen für A und C die erst möglich werden, wenn die Determinante der Koeffizientenmatrix c1 C c2 m1 ! 2 c2 det.B/ D 0 mit B D (8.12) c2 c2 m2 ! 2 zur Null wird. Damit handelt es sich hier um ein Eigenwertproblem der Form A B D 0: C ˇ -Version vom 10. April 2013 (8.13) Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 121 Die charakteristische Gleichung 0 D .c1 C c2 , 0 D m1 m2 ! 4 m1 ! 2 /.c2 m2 ! 2 / c22 .m1 c2 C m2 c1 C m2 c2 /! 2 C c1 c2 (8.15) liefert die zwei Lösungen !12 D 68; 4233 und !22 D 6:5767. Hiermit ergeben sich die Eigenfrequenzen zu !1 D !2 D 68; 4233 D 8:2718 ! 6:5767 D 2:5645 ! p p 8:2718 D 1:3165 2 2:5645 f2 D D 0:4082: 2 f1 D (8.17) Nach dem Einsetzen der Eigenfrequenzen (Kreissequenzen) in die Gleichung (8.11) erhalten wir die Beziehungen der Konstanten A und C mit Hilfe derer man die Eigenformen N N C 0:03 mm 0:001t 8:27182 0:03 mm c1 C c2 m1 !12 C1 D D D 1:7243 1 D N A1 c2 0:03 mm N N 0:03 mm C 0:03 mm 0:001t 2:56452 c1 C c2 m1 !22 C2 D 1:9145 2 D D D N A2 c2 0:03 mm (8.19) angeben kann. Wenn man den Lösungsansatz (8.9) genauer betrachtet, so stellt man fest, dass die Auslenkungen x1 .t/ und x2 .t/ zur gleichen Zeit maximal werden (Dies ist genau dann der Fall, wenn cos !t D 1 wird.). Hieraus folgt, dass man für die Konstante A einen Wert wählen kann, z.B. A D 1 und die Konstante C D A dann ausrechnen muss. Auf diese Weise erhält man zwei Eigenformen (jeweils für 1 und 2 ) mit den Auslenkungen x1 D A 1 D 1 und x1 D A 1 D 1 ! ! x2 D 1 A 1 D 1:7243 x2 D 2 A 1 D 1:9145: (8.21) ANSYS Lösung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 31L ! Berechnung einer ungedämpften Schwingung ! Zwei Federn mit Punktmassen, Modalanalyse ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Definieren verschiedener Parameter FEDST1 = 0.03 FEDST2 = 0.03 LAENGE = 500 MASSE1 = 1.0E-3 MASSE2 = 2.0E-3 ! /prep7 17 18 ! et,1,combin14 keyopt,1,3,2 r,11,FEDST1 r,12,FEDST2 et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,21,MASSE1 r,22,MASSE2 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ! n,1,0,0 n,2,0,-LAENGE n,3,0,-2*LAENGE type,1 real,11 ˇ -Version vom 10. April 2013 122 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen e,1,2 real,12 e,2,3 type,2 real,21 e,2 real,22 e,3 33 34 35 36 37 38 39 40 41 44 47 48 51 52 53 54 55 56 57 d,1,all d,2,ux,0 d,3,ux,0 43 46 50 ! 42 45 49 58 59 60 ! 61 finish /solu antype,modal 62 63 modopt,lanb,2 mxpa,2 ! Lösen solve finish ! ! Postprocessing /post1 *do,LAUF,1,2 set,1,LAUF *get,FREQ%LAUF%,active,,set,freq *enddo set,1,2 pldisp anmode,10,0.5,,0 Kragarm mit homogener Massenverteilung l Abbildung 8.14: Kragarm mit homogener Massenverteilung Mit dem in Abbildung 8.14 gezeigtem Kragarm soll eine Modalanalyse durchgeführt werden. Der Stab besteht aus einem Material mit E D 210:000; 0N=mm2 , D 0; 3 und % D 7:85 10 9 t =mm3 . Der Querschnitt ist kreisförmig mit einem Radius r D 2; 0mm und einer Länge von l D 500; 0mm. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 32L ! Modalanalyse eines Balkens mit ! kontinuirlicher Massenverteilung ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Definieren verschiedener Parameter MYPI = 2*asin(1) EYOUNG = 210.0E3 QUER = 0.3 DICHTE = 7.85E-9 DURCHM = 4 FLAECHE = DURCHM*DURCHM/4*MYPI HOEHE = DURCHM FLMO = MYPI/4*(DURCHM/2)**4 LAENGE = 500 ANZE = 10 ANZFORM = 4 ! /prep7 ! et,1,beam3 r,1,FLAECHE,FLMO,HOEHE mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,QUER ˇ -Version vom 10. April 2013 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 mp,dens,1,DICHTE ! ! Geometrie k,1,0,0 k,2,LAENGE,0 l,1,2 lesize,all,,,ANZE lmesh,all ! dk,1,all ! finish /solu antype,modal modopt,lanb,ANZFORM mxpa,ANZFORM ! Lösen solve finish ! ! Postprocessing /post1 *do,LAUF,1,ANZFORM set,1,LAUF *get,FREQ%LAUF%,active,,set,freq *enddo set,1,3 pldisp anmode,10,0.5,,0 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 123 8.3.2 Transiente Anlyse Integrationsverfahren für AWP 1. Ordnung Die meisten numerischen Integrationsverfahren basieren auf der Berechnung von Näherungslösungen für Differentialgleichungen 1. Ordnung. Die allgemeine Darstellung dieser Gleichungen lautet xP D f Œt; x.t /: (8.22) Die Grundidee der numerischen Behandlung ist die Approximation des zeitlichen Verlaufs (Intervall Œt0 ; te ) der gesuchten Funktion x.t/ an diskreten Punkten (Gitterpunkte/Knoten/Stützstellen) ti D t0 C it mit i D 0; 1; :::; n und t D te t0 (8.23) n Aus der Lösung xi zur Zeit ti (Beginn des Zeitschritts t ) wird die Lösung xiC1 zur Zeit tiC1 (Ende des Zeitschritts) mit der Vorschrift xiC1 D xi C tV Œti ; ti C1 ; xi ; xiC1 (8.24) berechnet. Hierbei ist V die Verfahrensfunktion. Gilt für diese Funktion V D V Œti ; xi ; (8.25) so spricht man von expliziten Verfahren. Das heißt der neue Funktionswert xi C1 kann aus den bereits vorhandenen Größen wie ti und xi direkt berechnet werden. Beispiele für explizite Verfahren sind: Eulersche Polygonzugverfahren (ein Einzelschrittverfahren) und die Runge-Kutta-Vefahren (Mehrschrittverfahren). Die Verfahrensfunktion des expliziten Euler-Vorwärts-Verfahrens lautet V D f Œti ; xi und damit xiC1 D xi C tf Œti ; xi : (8.26) Man spricht von impliziten Verfahren, wenn die Verfahrensfunktion die Form V D V Œti ; xi ; tiC1 ; xi C1 (8.27) hat. Das heißt, dass der Wert xi C1 der gesuchten Funktion, den man eigentlich sucht, selbst in der Verfahrensfunktion auftritt. Hierbei wird dieser Wert zuerst geschätzt mit einem der expliziten Verfahren (Prädiktorschritt) und anschließend verbessert mit z.B. Newton-Verfahren (Korrektorschritt/e). Beispiele für implizite Verfahren sind: Euler-Rückwerts-Verfahren, das Crank-Nicholson-Verfahren und die ˛ Verfahren. Das einfachste implizite Verfahren ist das Euler-Rückwerts-Verfahren mit der Verfahrensfunktion V D f ŒtiC1 ; xiC1 und damit xiC1 D xi C tf Œti C1 ; xiC1 : (8.28) Die expliziten Verfahren sind sehr einfach zu implementieren, sind schnell, benötigen aber eine sehr feine Diskretisierung der Zeit. Manche Problemstellungen liefern die sogenannten steifen Differentialgleichungen. Solche Gleichungen können aus Stabilitätsgründen mit expliziten Verfahren nicht gelöst werden. Die meisten impliziten Verfahren sind dagegen numerisch stabil. Die Konsistenz der Verfahren hat einen großen Einfluss auf die Effizienz eines Verfahrens. Die Mehrschrittverfahren (oder n Schrittverfahren) verwenden die Informationen aus den vorangegangenen Iterationsschritten i 1; i 2; :::; i n und haben meistens eine höhre Konsistenzordnung. Weitere Details finden sich zum Beispiel in [4] und [7]. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 124 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Anfangswertprobleme n ter Ordnung Die Problemstellungen aus dem Bereich Kinetik führen alle zu Bewegungsgleichungen, die lineare oder nichtlineare Differentialgleichungen 1. bzw 2. Ordnung sein können, für die zusätzliche Bedingungen gelten müssen. Dies sind Anfangswertprobleme 1. bzw 2. Ordnung (eventuell auch höherer Ordnung). Solche Gleichungssysteme sind nur für Sonderfälle analytisch lösbar. Daher werden für reale Problemstellungen numerische Integrationsverfahren zur Lösung dieser Gleichungen verwendet. Die meisten numerischen Integrationsverfahren sind in der Lage Probleme 1. Ordnung zu behandeln. Dies ist im Allgemeinen keine Einschränkung, da die Differentialgleichungen höherer Ordnung sich durch geeignete Transformationen immer auf Systeme von Differentialgleichungen 1. Ordnung überführen lassen. Eine Differentialgleichung n ter Ordnung y .n/ .t/ D f Œt; y.t /; y 0 .t /; :::; y n 1 .t / (8.29) kann bei Verwendung von Hilfsfunktionen z1 .t / D y.t / z2 .t / D y 0 .t / ::: D ::: (8.31) zn .t / D y . n 1/.t / auf ein System von n Differentialgleichungen 2 03 2 3 z1 z2 6z 0 7 6 7 z3 6 27 D 6 7 4 ::: 5 4 5 ::: 0 zn f Œt; z1 ; z2 ; :::; zn ! z0 D f Œt; z1 ; z2 ; :::; zn (8.32) transformiet werden. Um dieses System von Gleichungen in einem Interval Œta ; te eindeutig zu lösen, müssen die Anfangsbedingungen n 0 y.ta /; y .ta /; :::; y .n 1/ o .ta / ! ˚ z10 ; z20 ; :::; z.n 1/0 (8.33) angegeben werden. Weitere Details finden sich zum Beispiel in [4] und [7]. Vor- und Nachteile Expliziter und Impliziter Solver Hierraus ergibt sich, dass Implizite Solver (wie z.B. ANSYS ) und Explizite Solver (wie z.B. LS-Dyna) bestimmte Stärken und Schwächen haben und sich somit für verschiedene Problemstellungen mehr oder weniger gut eignen. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 125 Gedämpfter Einmassenschwinger cu d h m g Abbildung 8.15: Gedämpfte Einmassenschwinger Der in Abbildung 8.15 gezeigte gedämpfte Einmassenschwinger soll untersucht werden. Er wird durch die Erdanziehung belastet und die Anfangsbedingungen betragen x0 D xmax und v0 D 0; ferner beträgt die Masse m D 10 3 t und die Federkonstante cu D 0:03948N=mm. Die Dämpfungskonstante d soll so variiert werden, dass sowohl eine starke, wie auch eine schwache Dämpfung beobachtet werden kann. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 33L ! Berechnung einer un/gedämpften Schwingung ! Feder mit Punktmasse, Transiente Berechnung ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Definieren verschiedener Parameter FEDSTEI = 0.03948 ! DAEMPF = 0.0 DAEMPF = 0.0005 LAENGE = 1000 GEWICHT = 1.0E-3 BESCHL = 9.81E3 ZEITSCH = 0.05 ! /prep7 ! et,1,combin14 r,1,FEDSTEI,DAEMPF keyopt,1,3,2 et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,2,GEWICHT ! n,1,0,0 n,2,0,LAENGE type,1 real,1 e,1,2 type,2 real,2 e,1 28 29 30 31 32 33 34 35 36 ! d,1,ux,0 d,2,all acel,,BESCHL 37 38 39 40 ! 41 finish /solu antype,trans outres,all,all time,5 deltime,ZEITSCH,ZEITSCH,ZEITSCH ! Lösen solve finish ! Postprocessing /post26 nsol,2,1,U,Y, UYUNTEN xvar,1 plvar,2, 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 126 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen Balken mit Punktmasse, gedämpft m masselos 1 Element h Abbildung 8.16: Balken mit Punktmasse, gedämpft Mit dem in Abbildung 8.16 gezeigtem eingespanntem Stab soll eine transiente Berechnung durchgeführt werden. Der Stab besteht aus einem quadratischem Vollquerschnitt vom a D 10; 0mm und hat eine Höhe von h D 1000; 0mm. Das Material soll als masselos angenommen werden und hat einen E-Modul von E D 210:000; 0N=mm2 und eine Querkontraktion von D 0; 3. Die Punktmasse beträgt m D 10 2 t . Diskretisieren Sie den Balken so, dass Sie die Anzahl der Elemente einfach ändern können und ebenfalls die Dämpfungskonstante ändern können. Ferner sollen zwei unterschiedliche Anfangsbedingungen realisiert werden: a) x.t D 0/ D xmax und v.t D 0/ D 0, b) x.t D 0/ D 0 und v.t D 0/ D vmax . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 34L ! Einmassenschwinger mit masselosen ! Balkenelementen und Punktmasse ! Transiente Analyse ! Anregung von Axel Wertenbroch ! Bearbeitet: Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Definieren verschiedener Parameter EYOUNG = 210.0E3 QUER = 0.3 FLAECHE = 100.0 HOEHE = 10 FLMO = 1/12*1.0E4 LAENGE = 1000 GEWICHT = 1.0E-2 ANZN = 3 ! ! ANFST - Steuerparameter für die Anfangsb. ! ANFST == 1 => x_0 = 0, v_0 = v_max ! ANFST == 2 => x_0 = x_max, v_0 = 0 ANFST = 1 VEMAX = 50 GEMAX = 100 ! ! DAEMPF - Steuerparameter für die Dämpfung ! DAEMPF == 1 => Dämpfung, sonst keine ˇ -Version vom 10. April 2013 DAEMPF = 1 DAEMKO = 0.005 31 32 33 ! ZEITSCH = 0.05 /prep7 34 35 36 ! et,1,beam3 r,1,FLAECHE,FLMO,HOEHE et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,2,GEWICHT mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,QUER 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 ! type,1 real,1 mat,1 *do,LAUF,1,ANZN n,LAUF,0,(LAUF-1)*LAENGE/(ANZN-1) *if,LAUF,eq,1,cycle e,LAUF-1,LAUF *enddo type,2 real,2 e,ANZN ! ! Dämpfung *if,DAEMPF,eq,1,then et,3,combin14 keyopt,3,2,1 r,3,,DAEMKO Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik type,3 real,3 e,1,ANZN *endif finish /solu 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 127 finish *elseif,ANFST,eq,2 antype,trans timint,off d,ANZN,ux,VEMAX time,1 solve ddel,ANZN,ux timint,on time,6 outres,all,all deltim,ZEITSCH,ZEITSCH,ZEITSCH solve finish *endif 77 78 79 80 81 82 ! 83 d,1,all *if,ANFST,eq,1,then antype,trans outres,all,all time,5 deltim,ZEITSCH,ZEITSCH,ZEITSCH ic,ANZN,ux,0,GEMAX solve 84 85 86 87 88 89 90 91 Balken mit Punktmassen, Fusspunkterregung m2 h2 masselos m1 h1 masselos si n Abbildung 8.17: Balken mit Punktmassen, Fusspunkterregung Das in Abbildung 8.17 gezeigte System erfährt eine sinusförmige Erregung am Fusspunkt. Bestimmen Sie zuerst mittels einer Modalanalyse die Eigenfrequenzen. Die Fusspunkterregung soll jetzt wahlweise in der ersten und zweiten Eigenfrequenz erfolgen. Beobachten sie die Verschiebungsverläufe der Punktmassen. Realisieren Sie die Umsetzung so, dass Sie einfach die Abmessungen wie auch die Massenverhältnisse und Federseifigkeiten ändern können. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 35L ! Zweimassenschwinger mit masselosen ! Balkenelementen und Punktmassen, Fuß! punktanr. Modal- und Transiente Analyse ! Anregung von Axel Wertenbroch ! Bearbeitet: Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start *afun,rad ! Definieren verschiedener Parameter MYPI = 2*asin(1) EYOUNG = 210.0E3 QUER = 0.3 FLAECHE = 100.0 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS HOEHE = 10 FLMO = 1/12*1.0E4 LAENGE1 = 500 LAENGE2 = 300 GEWICHT1 = 1.0E-2 GEWICHT2 = 2.0E-2 ANZN1 = 4 ANZN2 = 3 ! entspricht hier Anz. El. ! ! DAEMPF - Steuerparameter für die Dämpfung ! DAEMPF == 1 => Dämpfung, sonst keine DAEMPF = 1 DAEMKO1 = 0.01 DAEMKO2 = 0.005 ! ! Anzahl der Berechneten Moden NMODE = 2 ! Angeregter Mode ˇ -Version vom 10. April 2013 128 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen MODAN = 1 ! Anzahl der Perioden Anregung ANPE = 2 ! Amplitude AMPLI = 10 !Zeitschritte pro Periode ZEITPE = 20 /prep7 ! et,1,beam3 r,1,FLAECHE,FLMO,HOEHE et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,21,GEWICHT1 r,22,GEWICHT2 mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,QUER ! type,1 real,1 mat,1 *do,LAUF,1,ANZN1 n,LAUF,0,(LAUF-1)*LAENGE1/(ANZN1-1) *if,LAUF,eq,1,cycle e,LAUF-1,LAUF *enddo *do,LAUF,ANZN1+1,ANZN1+ANZN2 hw1=(LAUF-ANZN1)*LAENGE2/ANZN2+LAENGE1 n,LAUF,0,hw1 e,LAUF-1,LAUF *enddo type,2 real,21 e,ANZN1 real,22 e,ANZN1+ANZN2 ! ! Dämpfung *if,DAEMPF,eq,1,then n,ANZN1+ANZN2+1,1,LAENGE1 n,ANZN1+ANZN2+2,1,LAENGE1+LAENGE2 d,ANZN1+ANZN2+1,all d,ANZN1+ANZN2+2,all et,3,combin14 keyopt,3,3,2 r,31,,DAEMKO1 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 r,32,,DAEMKO2 type,3 real,31 e,ANZN1,ANZN1+ANZN2+1 real,32 e,ANZN1+ANZN2,ANZN1+ANZN2+2 *endif finish /solu !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Modalanalyse d,1,all antype,modal modopt,lanb,NMODE mxpa,NMODE ! Lösen solve finish ! ! Postprocessing /post1 set,1,MODAN *get,FREQA,active,,set,freq !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /solu ZEITSCH = 1/ZEITPE/FREQA antype,trans ddel,1,ux outres,all,all nsub,1 autots,off ! *do,LAUF,1,ZEITPE*ANPE time,LAUF*ZEITSCH d,1,ux,AMPLI*sin(2*MYPI*LAUF*ZEITSCH) solve *enddo finish ! /post26 nsol,2,1,u,x,UXUNTEN nsol,3,ANZN1+ANZN2,u,x,UXOBEN nsol,4,ANZN1,u,x,UXMITTE xvar,1 plvar,2,3,4 Wasserturm, Erdbeben Der in Abbildung 8.18 gezeigte Wasserturm wird am Fußpunkt durch ein Erdbeben angeregt. Von diesen Erdbeben liegen diskrete Punkte einer Verschiebungs-Zeit-Kurve vor. Realisieren Sie zuerst eine zweidimensionale Berechnung mit ANSYS als implizitem Code und anschließend eine Berechnung mit LS-Dynaals explizitem Code. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 129 m masselos h freie Bewegung (Erdbeben) Abbildung 8.18: Wasserturm, Erdbeben Beschleunigung [mm/² ] 0,3 0,15 0 0 10 20 30 40 50 -0,15 -0,3 Zeit [s] Abbildung 8.19: Zeit-Beschleunigungsverlauf vom Erdbeben in Roermont Verschiebung [mm] 2 1 0 0 10 20 30 40 50 -1 -2 -3 Zeit [s] Abbildung 8.20: Zeit-Verschiebungsverlauf vom Erdbeben in Roermont Lösung in ANSYS 15 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start /config,nres,4500 ! Definieren verschiedener Parameter MYPI = 2*asin(1) EYOUNG = 35.0E9 QUER = 0.3 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 1 2 3 4 5 6 7 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 36L ! Simulation eines vereinfachten Modells ! eines Wasserturmes, beam3 und mass21 ! Anregung von Axel Wertenbroch ! Bearbeitet: Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: m, s, kg, N 8 9 10 11 12 13 14 130 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen DICHTE = 2.40E3 DUM = 2.0 DST = 0.2 FLAECHE=MYPI*((DUM/2)**2-((DUM/2)-DST)**2) HOEHE = 20 FLMO = MYPI*(DUM/2-DST/2)**3*DST ANZE = 10 GEWICHT = 20E3 NUMDP = 4499 ZEITSCHR = 0.01 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 ! 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 46 47 48 49 50 51 ! 52 finish /solu ! Löseroptionen antype,trans kbc,0 autots,off outres,all,all nsub,1 ! Einlesen und plotten der Kurve *dim,ROERDISP,table,NUMDP,1 *tread,ROERDISP,RoerUTInMM,txt /axlab,x,Zeit /axlab,y,Verschiebung *vplot,ROERDISP(1,0),ROERDISP(1,1) ! Lösen *do,LAUF,ZEITSCHR,ZEITSCHR*NUMDP,ZEITSCHR time,LAUF dk,1,ux,ROERDISP(LAUF)/1000.0 solve *enddo 53 54 55 /prep7 27 56 ! 57 et,1,beam3 r,1,FLAECHE,FLMO,DUM mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,QUER mp,dens,1,DICHTE et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,2,GEWICHT ! ! Geometrie type,1 mat,1 real.1 k,1,0,0 k,2,0,HOEHE l,1,2 lesize,all,,,ANZE lmesh,all KNOBEN = node(0,HOEHE,0,) type,2 real,2 e,KNOBEN 45 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 Wobei aus der (hier abgekürzten) Datei Daten eingelesen werden: Quellcode 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 .... 44.870 44.880 44.890 44.900 44.910 44.920 44.930 44.940 44.950 44.960 44.970 44.980 44.990 0 3.2226E-09 8.59233E-09 1.61081E-08 1.05019E-07 4.00074E-07 9.51271E-07 0.005439318 0.004747583 0.004070538 0.003437883 0.002859338 0.002329309 0.001852533 0.001421678 0.001020677 0.000656562 0.000330461 1.86453E-05 -0.000293173 Lösung in LS-DYNA 1 2 3 4 5 Quellcode $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ LS-Dyna input deck $ Simulation eines vereinfachten Modells eines Wasserturmes $ Steffen Gerke, Juni 2009 $ Einheiten: m, s, kg, N ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 131 $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *KEYWORD *TITLE $# title Wasserturm Dyna *INCLUDE E:\WasserTurmDyna\DynaRoerUTInMM.k *CONTROL_TERMINATION $# endtim endcyc dtmin endeng endmas 44.990002 *DATABASE_NODOUT $# dt binary 1.000000 2 *DATABASE_BINARY_D3PLOT $# dt lcdt beam npltc 0.010000 $# ioopt 0 *DATABASE_HISTORY_NODE $# id1 id2 id3 id4 id5 id6 id7 id8 1 2 *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_NODE $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $# nid dof vad lcid sf vid death birth 1 1 2 1 1.0e-3 *BOUNDARY_SPC_NODE $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $# nid cid dofx dofy dofz dofrx dofry dofrz 1 0 0 1 1 1 1 1 2 0 0 0 1 3 0 0 0 1 4 0 0 0 1 5 0 0 0 1 6 0 0 0 1 7 0 0 0 1 8 0 0 0 1 9 0 0 0 1 10 0 0 0 1 11 0 0 0 1 *PART $# title Balken Elemente Turm $# pid secid mid eosid hgid grav adpopt tmid 1 1 1 *SECTION_BEAM $# secid elform shrf qr/irid cst scoor nsm 1 2 $# a iss itt irr sa 1.130973 0.463699 0.463699 0.927398 $*SECTION_BEAM $# secid elform shrf qr/irid cst scoor nsm $ 1 5 3 1 $$# ts1 ts2 tt1 tt2 $ 2.0 2.0 1.6 1.6 *MAT_ELASTIC $# mid ro e pr da db not used 1 2400.00003.5000E+10 0.300000 *ELEMENT_BEAM $# eid pid n1 n2 n3 rt1 rr1 rt2 rr2 local 1 1 1 3 12 2 1 3 4 12 3 1 4 5 12 4 1 5 6 12 5 1 6 7 12 6 1 7 8 12 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 132 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen 7 1 8 9 12 8 1 9 10 12 9 1 10 11 12 10 1 11 2 12 *ELEMENT_MASS $# eid nid mass pid 11 2 20000.000000 2 *NODE $# nid x y 1 2 0.000 20.00000000 3 0.000 2.00000000 4 0.000 4.00000000 5 0.000 6.00000000 6 0.000 8.00000000 7 0.000 10.00000000 8 0.000 12.00000000 9 0.000 14.00000000 10 0.000 16.00000000 11 0.000 18.00000000 12 1.00000000 *END z tc rc Mit der (hier abgekürzten) Include-Datei: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Quellcode *KEYWORD *DEFINE_CURVE $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $# lcid sidr sfa sfo offa offo dattyp 1 $# a1 o1 0.000 0.000 0.01000000 0.02000000 3.2226000e-009 0.03000000 8.5923304e-009 0.04000000 1.6108100e-008 0.05000000 1.0501900e-007 ... 44.90999985 0.00285934 44.91999817 0.00232931 44.93000031 0.00185253 44.93999863 0.00142168 44.95000076 0.00102068 44.95999908 6.5656198e-004 44.97000122 3.3046101e-004 44.97999954 1.8645300e-005 44.99000168 -2.9317301e-004 *END Ball trift Wand Ein Ball trifft mit einer konstanten Geschwindigkeit vz auf eine ’unten’ eingespannte Wand. Der Ball ist aus Vollgummi und soll mit 8 Knoten Solid-Elementen modelliert werden. Die Wand hingegen besteht aus Stahl und soll mit Schalen-Elmenten abgebildet werden. Beide Materialien werden nur elastisch beansprucht. Es soll versucht werden, dass Problem mit ANSYS und LS-Dynazu lösen. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 133 y vz x z Abbildung 8.21: Ball trifft Wand Löungsversuch ANSYS 81 mp,ex,2,EYOUNG2 mp,prxy,2,QUER2 mp,dens,2,DICHTE2 ! Real-Constant r,2,DIKW r,4 ! Netz ANELK = 2 ELGRW = 100 ! Geschwindigkeit der Kugel GEMAZ = 100 ZEITSCH = 0.05 ENDZEIT = 2.0 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Kugel *do,i1,-1,1,2 *do,i2,-1,1,2 *do,i3,-1,1,2 blc4,0,0,i3*LAI,i2*LAI,i1*LAI blc4,0,0,i3*LAA,i2*LAA,i1*LAA *enddo *enddo *enddo vovlap,all ! Benennen der KP *do,i1,1,3,2 *do,i2,1,3,2 *do,i3,1,3,2 j1 = i1-2 j2 = i2-2 j3 = i3-2 PI%i1%%i2%%i3% = kp(j1*LAI,j2*LAI,j3*LAI,) PA%i1%%i2%%i3% = kp(j1*LAA,j2*LAA,j3*LAA,) *enddo *enddo *enddo ! Flächen a,PA111,PA113,PI113,PI111 a,PA131,PA133,PI133,PI131 a,PA113,PA313,PI313,PI113 a,PA133,PA333,PI333,PI133 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 37L ! Kugel trifft Wand ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Material-Parameter ! Kugel EYOUNG1 = 10.0E3 QUER1 = 0.3 DICHTE1 = 2.0e-9 ! Wand EYOUNG2 = 210.0E3 QUER2 = 0.3 DICHTE2 = 7.85e-9 ! Geometrie, Kugel RAK = 50 KUXC = 200 KUYC = 400 KUZC = 100 ! Wand WANDX = 400 WANDY = 800 DIKW = 10 ! ! Intern LAI = 0.4*RAK LAA = 1.1*RAK /prep7 ! Elementtypen et,1,185 et,2,181 et,3,173 et,4,170 ! Material mp,ex,1,EYOUNG1 mp,prxy,1,QUER1 mp,dens,1,DICHTE1 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 134 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen a,PA313,PA311,PI311,PI313 a,PA333,PA331,PI331,PI333 a,PA311,PA111,PI111,PI311 a,PA331,PA131,PI131,PI331 a,PA113,PA133,PI133,PI113 a,PA313,PA333,PI333,PI313 a,PA311,PA331,PI331,PI311 a,PA111,PA131,PI131,PI111 ! Volumen mit Flächen teilen vsba,all,all vglue,all ! Kugel sphere,RAK vovlap,all ! Äussere Rechteckteile löschen ksel,s,loc,x,LAA ksel,a,loc,x,-LAA ksel,a,loc,y,LAA ksel,a,loc,y,-LAA ksel,a,loc,z,LAA ksel,a,loc,z,-LAA lslk,s,0 asll,s,1 vsla,s,0 vdele,all,,,1 alls ! Vernetzen lesize,all,,,ANELK mat,1 type,1 vmesh,all cm,KUKNO,node ! Verschieben vgen,1,all,,,KUXC,KUYC,KUZC,,,1 ! Contact-Elemente type,3 real,4 esurf !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 ! Wand asel,none rectng,0,WANDX,0,WANDY esize,ELGRW mat,2 real,2 type,2 amesh,all nsel,s,loc,z,0 esln,s,1 type,4 real,4 esurf alls ! Wand einspannen nsel,s,loc,y,0 d,all,all alls !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /eof ! Geht dies mit ANSYS überhaupt? /solu ! antype,trans outres,all,all timint,off d,KUKNO,uz,-25.0 d,KUKNO,uy,0 d,KUKNO,ux,0 time,0.25 solve ddel,KUKNO,uz timint,on deltim,ZEITSCH,ZEITSCH,ZEITSCH time,ENDZEIT solve finish Lösung in LS-DYNA Hier das gekürzte Deck: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Quellcode $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $ LS-Dyna Input deck $ Ball trifft Wand $ Steffen Gerke, Juli 2009 $ Einheiten: mm,s,t,N $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 *KEYWORD *TITLE $# title LS-DYNA keyword deck by LS-PRE *CONTROL_TERMINATION $# endtim endcyc dtmin endeng endmas 0.00500 *DATABASE_BINARY_D3PLOT $# dt lcdt beam npltc 0.000005 $# ioopt 0 ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 135 *BOUNDARY_SPC_NODE $# nid cid dofx dofy dofz dofrx dofry dofrz 322 0 1 1 1 1 1 1 323 0 1 1 1 1 1 1 324 0 1 1 1 1 1 1 325 0 1 1 1 1 1 1 326 0 1 1 1 1 1 1 *CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE $# cid title $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $# ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr 5 6 $# fs fd dc vc vdc penchk bt dt 0.100000 0.100000 $# sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 *SET_SEGMENT $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $# sid da1 da2 da3 da4 5 $# n1 n2 n3 n4 a1 a2 a3 a4 133 127 128 134 131 133 134 132 134 128 126 130 132 134 130 129 148 145 146 149 ... weitere Segmente der Kugeloberfläche 318 310 248 261 302 318 261 200 308 316 320 312 316 292 293 320 312 320 273 272 320 293 164 273 *SET_SEGMENT $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $# sid da1 da2 da3 da4 6 $# n1 n2 n3 n4 a1 a2 a3 a4 322 324 346 345 324 325 353 346 325 326 360 353 326 323 328 360 345 346 347 344 ... weitere Segmente der Wand 365 333 334 366 339 352 338 335 352 359 337 338 359 366 336 337 366 334 327 336 *PART $# title Kugel $# pid secid mid eosid hgid grav adpopt tmid 1 1 1 *SECTION_SOLID $ Kugel $# secid elform aet 1 *MAT_ELASTIC $ Gummi $# mid ro e pr da db not used 19.2000E-10 100.00000 0.300000 *PART $# title Wand Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 136 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen $# pid secid mid eosid hgid grav adpopt tmid 2 2 2 *SECTION_SHELL $# secid elform shrf nip propt qr/irid icomp setyp 2 16 0.833330 2 3 $# t1 t2 t3 t4 nloc marea idof edgset 10.000000 10.000000 10.000000 10.000000 *MAT_ELASTIC $ Stahl $# mid ro e pr da db not used 2 7.8500E-9 2.1000E+5 0.300000 *INITIAL_VELOCITY $---+----1----+----2----+----3----+----4----+----5----+----6----+----7----+----8 $# nsid nsidex boxid irigid 1 $# vx vy vz vxr vyr vzr 0.000 0.000 -25000.00 *SET_NODE_LIST $# sid da1 da2 da3 da4 1 $# nid1 nid2 nid3 nid4 nid5 nid6 nid7 nid8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 ... weitere Knoten 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 *ELEMENT_SOLID $# eid pid n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 1 1 2 8 9 3 19 21 27 25 2 1 8 6 7 9 21 20 26 27 3 1 3 9 5 1 25 27 24 23 4 1 9 7 4 5 27 26 22 24 ... weitere Solid-Elemente 252 1 317 296 108 119 321 298 114 124 253 1 312 320 321 314 272 273 278 276 254 1 320 293 298 321 273 164 176 278 255 1 314 321 124 122 276 278 99 98 256 1 321 298 114 124 278 176 72 99 *ELEMENT_SHELL $# eid pid n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 353 2 322 324 346 345 354 2 324 325 353 346 355 2 325 326 360 353 356 2 326 323 328 360 357 2 345 346 347 344 ... weitere Schell-Elemente 380 2 365 333 334 366 381 2 339 352 338 335 382 2 352 359 337 338 383 2 359 366 336 337 384 2 366 334 327 336 *NODE $# nid x y z tc rc 1 180.00000000 400.00000000 80.00000000 2 180.00000000 380.00000000 80.00000000 3 180.00000000 390.00000000 80.00000000 4 200.00000000 400.00000000 80.00000000 5 190.00000000 400.00000000 80.00000000 ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 8.3 Strukturdynamik 149 150 151 152 153 154 155 ... weitere 362 363 364 365 366 *END 137 Knoten 300.00000000 300.00000000 300.00000000 300.00000000 300.00000000 300.00000000 400.00000000 500.00000000 600.00000000 700.00000000 8.3.3 Frequenzganganalyse Rahmen mit Punktmasse, Frequenzganganalyse m masselos masselos masselos masselos h l Abbildung 8.22: Rahmen mit Punktmasse, Frequenzganganalyse Bestimmen sie zuerst die Eigenfrequenzen des in Abbildung 8.22 gezeigten Rahmens mittels einer Modalanalyse. Bringen Sie anschließend an der Punktmasse wahlweise eine Last in x- oder y-Richtung auf und führen Sie eine Frequenzganganalyse durch. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 38L ! Rahmen mit masselosen Balkenelementen, ! relativ starrem Riegel und Punktmasse ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: m, s, kg, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Definieren verschiedener Parameter EYOUNG = 210.0E9 QUER = 0.3 ! Profil Stiehl HEM 200 FLAECHE = 131.0E-4 HOEHE = 0.220 FLMOS = 10640E-8 ! Riegel FLMOR = 10*FLMOS ! Geometrie BREITE = 10.0 HOEST = 5.0 ! GEWICHT = 1000.0 EBR = 1 ! Belastung für Frequenzganganalyse ! BEFR == 1 => F_x; BEFR == 2 => F_y BEFR = 2 LAFR = 1000.0 27 28 29 ! 30 /prep7 et,1,beam3 r,1,FLAECHE,FLMOS,HOEHE r,2,FLAECHE,FLMOR,HOEHE et,2,mass21 keyopt,2,3,4 r,3,GEWICHT mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,QUER ! Geometrie k,1,0,0 k,2,0,HOEST k,3,BREITE/2,HOEST k,4,BREITE,HOEST k,5,BREITE,0 l,1,2 l,2,3 l,3,4 l,4,5 ! Netz lesize,all,EBR type,1 real,1 mat,1 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 138 8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen lsel,s,loc,x,0 lsel,a,loc,x,BREITE lmesh,all alls lsel,s,loc,y,HOEST real,2 lmesh,all alls KNMITTE = node(BREITE/2,HOEST,0,) type,2 real,3 e,KNMITTE 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 66 ! 94 67 dk,1,all dk,5,all !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Modalanalyse finish /solu antype,modal modopt,lanb,2 mxpa,2 ! Lösen solve finish ! ! Postprocessing /post1 95 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 ˇ -Version vom 10. April 2013 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 *do,LAUF,1,2 set,1,LAUF *get,FREQ%LAUF%,active,,set,freq *enddo ! set,1,1 ! pldisp ! anmode,10,0.5,,0 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Frequenzganganalyse finish /solu antype,harmic harfrq,0,50 nsubst,100 kbc,1 *if,BEFR,eq,1,then fk,3,fx,LAFR *elseif,BEFR,eq,2 fk,3,fy,LAFR *endif solve finish ! ! Postprocessing /post26 nsol,2,KNMITTE,u,x,UXMITTE nsol,3,KNMITTE,u,y,UYMITTE plvar,2,3 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Kapitel 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen Die Finite Elemente Methode kann neben den dargestellen Problemen des Bauwesens auf vielfältige Weise in anderen Bereichen des Ingenieurwesens und der Naturwissenschaften eingesetzt werden. Dabei eignet sie sich insbesondere bei der numerischen Simulation komplexer nichtlinearer Problemstellungen. An dieser Stelle werden einige typische Problemklassen der nichtlinearen Mechanik angesprochen. Hierbei geben wir einerseits Hinweise auf die zugehörigen theoretischen Grundlagen. Andererseits suchen wir auch bei diesen Problemen die Kooperation mit den Anwendern. Wir betrachten Problemstellungen der Strukturoptimierung Geometrische Nichtlinearitäten Physikalische Nichtlinearitäten sowie Kontaktprobleme. 140 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen 9.1 Geometrische Nichtlinearitäten Ein Kragarm der Länge l0 D 1000mm wird durch die Lasten PNx und PNy belastet. Vedeutlichen Sie sich an diesem Beispiel die Begriffe ’load-step’, ’sub-step’ und ’iteration’ sowie die Auswirkungen des Befehls nlgeom. Beachten Sie insbesondere die Effekte, die hier mit zunehmender Last auftreten und sich vergrößern. y PNy PNx x l0 Abbildung 9.1: Kragarm zur Betrachtung von geometrischen Nichtlinearitäten Der Kragarm soll aus beam3 Elementen modelliert werden. Als Profil soll ein einfaches Rechteckvollprofil der Höhe h D 30mm und der Breite b D 20mm verwendet werden. Das Materialverhalten soll rein elastisch sein, mit einem E-Modul von E D 210000N=mm2 und einer Querkontraktions von D 0; 3. Bei der Lösung ist zu beachten, dass der Parameter MLO die Art der Lösung und SNL steuert, ob nlgeom,on oder nlgeom,off gilt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 21L ! Verschiedene Load-Steps, Substeps ! geometrische Nichtlinearität ! Am Bsp. eines Balkens ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Geometrie LAE = 1000 HOE = 30 BRE = 20 ! Material EMO = 210E3 POI = 0.3 ! Netz NEL = 10 ! Kraefte KRX = -100 KRY = 10000 ! Steuerparameter für Lösungsart MLO = 3 NLS = 10 NSS = 1 SNL = ’off’ !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ FLA = HOE*BRE FLZ = 1/12*HOE*HOE*HOE*BRE ˇ -Version vom 10. April 2013 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Geometrie k,1,0,0,0 k,2,LAE,0,0 l,1,2 ! Elemente et,1,beam3 ! Real-Constant-Set r,1,FLA,FLZ,HOE ! Material mp,ex,1,EMO mp,prxy,1,POI ! Vernetzen lesize,all,,,NEL lmesh,all !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /solu ! Auflager dk,1,all ! *if,MLO,eq,1,then ! Load-Step 1 time,1 fk,2,fy,-KRY solve ! Load-Step 2 time,2 ! fk,2,fy,0 fk,2,fx,KRX Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.1 Geometrische Nichtlinearitäten 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 ! solve *elseif,MLO,eq,2 Load-Step 1 time,1 fk,2,fy,-KRY solve *elseif,MLO,eq,3 nlgeom,SNL *do,LAU,1,NLS time,LAU fk,2,fy,-LAU/NLS*KRY 141 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS solve *enddo *elseif,MLO,eq,4 fk,2,fy,-KRY nlgeom,SNL nsubst,NSS,NSS,NSS outres,all,all solve *endif finish ˇ -Version vom 10. April 2013 142 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen 9.2 Physikalische Nichtlinearität Zugprobe mit homogenen Spannungsverhältnissen Ein Stahlblech der Länge l D 50mm, Breite b D 10mm und Höhe h D 2mm wird in Längsrichtung gezogen. Zur Beschreibung des Materialverhaltens wird die ANSYS Option BISO mit denen in Tabelle 9.1 angegebenen Parametern verwendet. Wählen Sie die Randbedingungen so, dass in der Probe ein homogener Spannungszustand entsteht. Die Modellierung soll mit plane182-Elementen im ebenen Spannungszustand erfolgen. Erstellen Sie ein zugehöriges Last-Verschiebungs-Diagramm. E-Modul Querkontraktion Fließspannung Tangentenmodul E D 210000N=mm2 D 0:3 C1 D 200N=mm2 C2 D 10000N=mm2 Tabelle 9.1: Materialparameter ANSYS Option BISO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 22L ! Nichtlineares Materialverhalten ! Ansys-Option BISO ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Geometrie LAE = 50 DIC = 2 BRE = 10 ! Material EMO = 210E3 POI = 0.3 FSP = 200 TMO = 10E3 ! Netz EGR = 2 ! Verschiebung VRX = 2 NSU = 200 ! Steuerparameter für Auflager AUF = 2 ! Ausgabedatei ADA = ’LastVerschiebung’ !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Geometrie rectng,0,LAE/2,0,BRE/2 rectng,0,LAE/2,-BRE/2,0 rectng,LAE/2,LAE,0,BRE/2 rectng,LAE/2,LAE,-BRE/2,0 aglue,all UKP = kp(0,0,0,) r,1,DIC ! Elemente et,1,plane182 keyopt,1,3,3 ˇ -Version vom 10. April 2013 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 ! Material ! Linear mp,ex,1,EMO mp,prxy,1,POI ! Plastisch tb,biso,1,1 tbdata,1,FSP,TMO ! Netz esize,EGR mshkey,1 amesh,all ORN = node(LAE,BRE/2,0,) URN = node(LAE,-BRE/2,0,) !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /solu ! Lösungseinstellungen nlgeom,on nsubst,NSU,NSU,NSU outres,all,all ! Auflager *if,AUF,eq,1,then dk,UKP,uy,0 lsel,s,loc,x,0 dl,all,,ux,0 alls *elseif,AUF,eq,2 lsel,s,loc,x,0 dl,all,,all,0 alls *endif ! Verschiebung lsel,s,loc,x,LAE dl,all,,ux,VRX alls ! Lösen solve !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /post1 ! Daten-Ausgabe Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.2 Physikalische Nichtlinearität 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 143 ! Integration erfolgt über Trapezregel *cfopen,ADA,txt ! *get,GNO,node,0,count nsel,s,loc,x,LAE *get,ANO,node,0,count ! *do,LAS,1,NSU,1 GSX = 0.0 set,1,LAS *do,LAU,1,GNO,1 ! *get,NAC,node,LAU,nsel *if,NAC,eq,-1,cycle *get,VSH,node,ORN,u,x 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 *get,SPX,node,LAU,s,x *if,LAU,eq,ORN,or,LAU,eq,URN,then SPX = SPX/2 *endif GSX = GSX+SPX *enddo LAX = GSX/(ANO-1.0)*DIC*BRE ! *vwrite,VSH,LAX (e12.4,’ ’,e12.4) ! *enddo *cfclos finish Zugprobe Mit der in Abbildung 9.2 gezeigten Probe wurden Zugversuche durchgeführt. In Abbildung 9.3 ist ebenfalls der Dehnungsmesser zu erkennen, der die Last-Verzerrungskurve in Abbildung 9.4 geliefert hat. Die in Abbildung 9.2 grau hinterlegten Teile des Probekörpers wurden in die Maschine eingespannt und müssen in der Simulation nicht berücksichtigt werden. Die Geometriedaten können Tabelle 9.2 entnommen werden, wobei die Dicke der Probe t D 1:59mm beträgt. l2 l3 r h1 h2 l1 Abbildung 9.2: Zugprobe l1 l2 l3 200mm 50mm 30mm h1 h2 r 20mm 10mm 12; 5mm Tabelle 9.2: Geometriedaten der Zugprobe Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 144 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen Abbildung 9.3: Aufbau eines Zugversuches 8000 Last [N] 6000 4000 2000 Experiment 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 ε Abbildung 9.4: Last-Verzerrungsdiagramm Zugversuch Die numerische Simulation soll mit Scheibenelementen plane182 im ebenen Spannungszustand durchgeführt werden. Hierbei soll die doppelte Symmetrie ausgenutzt werden. Zur Beschreibung des Materialverhaltens soll die von Mises Fließbedingung mit bilinearer isotroper Verfestigung verwendet werden. Die elastischen Materialparameter wurden bereits zu E D 72000N=mm2 und D 0; 3 bestimmt. Variieren Sie die plastischen Materialparameter so, dass Sie eine gute Übereinstimmung mit der Versuchskurve bekommen. Der Dehnungsmesser hatte eine Länge von lDehnungsmesser D 50mm. Die Dehnungen sollen bei der Simulation auch an der gleichen Stelle abgegriffen werden. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 23L ! Nichtlineares Materialverhalten ! Von Mises Plastizität mit bilinearer ! Verfestigung. ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Geometrie ˇ -Version vom 10. April 2013 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 LA1 = 50 LA2 = 20 LA3 = 25 BR1 = 10 BR2 = 5 RA1 = 12.5 DIC = 1.5875 ! Material EMO = 72E3 POI = 0.3 FSP = 340 TMO = 1500 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.2 Physikalische Nichtlinearität 125 nsubst,NSU,NSU,NSU outres,all,all ! Auflager lsel,s,loc,x,0 dl,all,,ux,0 alls lsel,s,loc,y,0 dl,all,,uy,0 alls ! Verschiebung lsel,s,loc,x,LA1+LA2 dl,all,,ux,VRX alls ! Lösen solve !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /post1 ! Daten-Ausgabe ! Integration erfolgt über Trapezregel *cfopen,ADA,txt ! *get,GNO,node,0,count nsel,s,loc,x,LA1+LA2 *get,ANO,node,0,count alls ! *do,LAS,1,NSU,1 GSX = 0.0 set,1,LAS *get,VSH,node,MPN,u,x nsel,s,loc,x,LA1+LA2 ! *do,LAU,1,GNO,1 *get,NAC,node,LAU,nsel *if,NAC,eq,-1,cycle *get,SPX,node,LAU,s,x *if,LAU,eq,ORN,or,LAU,eq,URN,then SPX = SPX/2 *endif GSX = GSX+SPX *enddo LAX = GSX/(ANO-1.0)*DIC*BR1 ! *vwrite,VSH,LAX (e12.4,’ ’,e12.4) ! alls *enddo *cfclos finish Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 ! Netz EGR = 2 ! Verschiebung VRX = 5 NSU = 200 ! Ausgabedatei ADA = ’C1_320_C2_500’ !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ BR3 = RA1-(BR1-BR2) LA4 = sqrt(RA1*RA1-BR3*BR3) !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Geometrie k,1,LA1,BR1 k,2,LA1+0.5*BR1,0 l,1,2 rectng,LA1-LA4,LA1+LA2,0,BR1 asbl,all,all cyl4,LA1-LA4,BR2+RA1,RA1 aovlap,all lsel,s,loc,x,LA1-LA4 lsel,r,loc,y,BR2,BR1 asll,s,0 adele,all,,,1 alls rectng,0,LA3,0,BR2 rectng,LA3,LA1-LA4,0,BR2 aglue,all r,1,DIC ! Elemente et,1,plane182 keyopt,1,3,3 ! Material mp,ex,1,EMO mp,prxy,1,POI tb,biso,1,1 tbdata,1,FSP,TMO ! Netz lsel,s,loc,x,0 lesize,all,EGR alls mshkey,1 amesh,all MPN = node(LA3,0,0,) ORN = node(LA1+LA2,0,0,) URN = node(LA1+LA2,BR1,0,) !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /solu ! Lösungseinstellungen nlgeom,on 145 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 146 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen 10000 Last [N] 8000 6000 4000 Experiment C1= 250; C2=5000 C1= 320; C2=500 C1= 340; C2=1500 2000 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 ε Abbildung 9.5: Last-Verzerrungsdiagramm Zugversuch mit Rechenergebnissen ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.3 Kontaktprobleme 147 9.3 Kontaktprobleme Kontaktprobleme treten in vielfältiger Form bei praxisrelevanten Aufgabenstellungen des Bauwesens sowie des Maschinenbaus auf. Beispielsweise ist die numerische Behandlung von Umformprozessen1 sowohl industriell relevant als auch mechanisch anspruchsvoll. 9.3.1 Streckziehen Ein hochkant stehendes Blech der Dicke t D 5mm, Breite b D 20mm und Länge l D 500mm wird über eine starre halbkreisförmige Form mit Radius r D 125mm gezogen. Die Materialparameter wurden für die ANSYS Option KINH angepasst. Das entsprechende Spannungs-Dehnungs-Diagramm ist in Abbildung 9.7 gezeigt und die Datenpunkte in Tabelle 9.3 angegeben. Die elastischen Materialparameter sind E-Modul E D 210000N=mm2 , Querkontraktionszahl D 0; 3 und Reibungskoeffizient D 0; 15. Verwenden Sie für die Simulation plane42-Elemente im ebenem Spannungszustand. Der Kontakt soll über TARGE169 und CONTA175-Elemente definiert werden. Die Gesamtverschiebung uy D 150mm soll in 150 Lastschritten aufgebracht werden. uy uy uy uy Abbildung 9.6: Streckziehen 1200 1000 σ 800 600 400 200 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ε Abbildung 9.7: Spannungs-Dehnungs-Diagramm Streckziehen 1 Wir danken dem Institut für Umformtechnik und Leichtbau (Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner und Prof. Dr.-Ing. A. Erman Tekkaya) der Fakultät für Maschinenbau der TU Dortmund und insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Andres Weinrich ([email protected]) für die wertvollen Anregungen und die Hilfestellung bei der Modellierung der vorliegenden Aufgabenstellung. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 148 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen 0 0,001 0,005 0,036 0,080 0,165 0,240 0,307 0,365 0,461 0 210 316 346 397 658 784 885 968 1094 Tabelle 9.3: Datenpunkte ANSYS Option KINH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 24L ! Streckziehen mit Kontakt, 2D Bsp. ! Institut für Umformtechnik und Leichtbau ! Andres Weinrich ! Bearbeitet: Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start /filname,STRECKZIEHEN /title,KONTAKT !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Geometrie LAE = 500.0 HOE = 20.0 RA = 125.0 DIC = 5.0 EPY = 0.1 ! Material EMO = 210000 POI = 0.3 REI = 0.15 ! Netz EGR = 10 ! Verschiebung VRY = 150 NLS = 150 ! Solver Optionen FAS = 0 UTO = 0.01 TOA = 0.5 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Geometrie k,1,0,0,0 circle,1,RA,,,180,2 rectng,-LAE/2,LAE/2,RA+EPY,RA+EPY+HOE r,1,DIC ! Elemente et,1,plane42 keyopt,1,3,3 et,2,targe169 et,3,conta175 ! Material ˇ -Version vom 10. April 2013 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 mp,ex,1,EMO mp,prxy,1,POI mp,mu,1,REI tb,kinh,1,1,9 tbpt,,0.001,210 tbpt,,0.005,316 tbpt,,0.036,346 tbpt,,0.080,397 tbpt,,0.165,658 tbpt,,0.240,784 tbpt,,0.307,885 tbpt,,0.365,968 tbpt,,0.461,1094 ! Netz Blech type,1 mat,1 real,1 esize,EGR amesh,all ! Benennen der Randknoten nsel,s,loc,x,-LAE/2 *get,AO,node,0,count alls *do,i,1,AO,1 hw1=RA+EPY !Hilfswert N%i%=node(-LAE/2,hw1+(i-1)*HOE/(AO-1),,) N%i+AO%=node(LAE/2,hw1+(i-1)*HOE/(AO-1),,) *enddo ! Netz Target Stempel type,2 real,4 ksel,s,loc,y,0 lslk,s,0 lmesh,all alls ! Netz Contact Blech type,3 real,4 lsel,s,loc,y,RA+EPY nsll,s,1 esurf alls !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /solu ! Optionen für den Löser Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.3 Kontaktprobleme 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 149 antype,static,new nlgeom,on *if,FAS,eq,1,then nrop,full,,on cnvtol,u,UTO,TOA,0 *endif ! Lösen *do,i,1,NLS time = i nsel,s,node,,N1 *do,ii,2,2*AO nsel,a,node,,N%ii% 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 *enddo d,all,uy,-i/NLS*VRY alls esel,s,type,,1 nsle,s nsel,r,loc,x,0 d,all,ux,0 alls solve *enddo finish 9.3.2 Druckprobe Die in Abbildung 9.8 gezeigte rotationssymmetrische Druckprobe der Höhe l D 10mm und Durchmesser b D 6mm hat einen Schlitz der Breite bSchlitz D 1mm und der Höhe lSchlitz D 3mm. Die Probe wird zwischen zwei starren Platten gedrückt. Die Probe besteht aus Aluminium und es wurden die Materialparameter für die ANSYS -Option BISO wie in Tabelle 9.4 bestimmt. Führen Sie eine Parameterstudie über die Reibungskoeffizienten durch. Die Modellbildung soll mit Elementen plane182 erfolgen. Der Kontakt soll über TARGE169 und CONTA172-Elemente definiert werden. E D 72000N=mm2 D 0:3 C1 D 340N=mm2 C2 D 1500N=mm2 E-Modul Querkontraktion Fließspannung Tangentenmodul Tabelle 9.4: Materialparameter ANSYS Option BISO für Aluminium b uy l lSchlitz bSchlitz Abbildung 9.8: Druckprobe Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 150 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 25L ! Druckprobe ! Ursprünglich: Andrea Sindern ! Überarbeitet: Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start ! Geometrie HSCHL = 3 HGES = 10 BGES = 3.0 BSCHL = 0.5 ! Verschiebungen VERSCH1 = 3.0 NSU = 50 ! Anzahl Elemente Breite ELMBRE = 10 ! Materialeigenschaften EMO = 72000 POI = 0.3 REIO = 0.01 REIU = 0.8 FSP = 200 TMO = 10E3 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Elementtyp et,1,182 keyopt,1,3,1 ! Materialeigenschaften mp,ex,1,EMO mp,prxy,1,POI mp,mu,2,REIO mp,mu,3,REIU tb,biso,1,1 tbdata,1,FSP,TMO ! Geometrie k,1,BSCHL,0,0 k,2,BGES,0,0 k,3,BGES,HSCHL k,4,0,HSCHL,0 k,5,BGES,HGES k,6,0,HGES a,1,2,3,4 a,4,3,5,6 aglue,all ! Vernetzen lsel,s,loc,y,0 lesize,all,,,ELMBRE lsel,all lsel,s,loc,x,BGES lsel,r,loc,y,0,HSCHL lesize,all,(((BGES-BSCHL)+BGES)/2)/ELMBRE lsel,all lsel,s,loc,x,BGES lsel,r,loc,y,HSCHL,HGES lesize,all,BGES/ELMBRE lsel,all ˇ -Version vom 10. April 2013 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 mshkey,1 mat,1 amesh,all ! Symmetriebedingungen (Rotationssymmetrisch) lsel,s,loc,x,0 dl,all,,symm lsel,all ! Contact-Körper rectng,0,(BGES)+(4.0),-(0.1),, blc4,0,HGES,(BGES)+(4.0),0.1 ! Contact (1) erzeugen r,3 real,3 mat,3 et,2,169 et,3,172 ! Target-Surface (1) erzeugen asel,s,loc,y,-0.1,0 lsla,s type,2 lmesh,all alls ! Contact-Surface (1) erzeugen ksel,s,kp,,2 lslk,s,0 nsll,s,1 type,3 esurf allsel ! contact (2) erzeugen r,4 real,4 mat,2 et,4,169 et,5,172 ! Target-Surface (2) erzeugen asel,s,loc,y,HGES,(HGES)+(0.1) lsla,s type,2 lmesh,all alls ! Contact-Surface2 erzeugen ksel,s,kp,,5 lslk,s,0 nsll,s,1 type,3 esurf alls ! Verschiebungen lsel,s,loc,y,HGES+0.1 dl,all,,uy,-VERSCH1 alls !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /solu antype,static nlgeom,on nsubst,NSU,NSU,NSU outres,all,all solve finish Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.3 Kontaktprobleme 151 9.3.3 Bolzen Durch die Öffnung eines eingespannten Bleches ist ein Bolzen gesteckt. Die beiden Enden des Bolzens erfahren eine Verschiebung ux . Blech und Bolzen sollen die gleichen Materialeigenschaften haben; wählen Sie diese sinnvoll für die ANSYS Option BISO. Die Abmessungen der Geometrie können Tabelle 9.5 entnommen werden. Die Modellierung soll mit Elementen solid185 mit einem regelmäßigem Netz erfolgen. Der Kontakt soll über TARGE170 und CONTA173-Elemente definiert werden. Nutzen Sie die Symmetrie bezüglich der xy -Ebene aus. Führen sie eine Parameterstudie über die Bolzenlänge und die Blechleibung durch. y y z x h t lBolzen lBlech Abbildung 9.9: Kontakt Problem zwischen Bolzen und Blech lBlech lBolzen rBolzen lLeibung 100mm 12 60mm 4mm 2 10mm h 20mm t 5mm rBlech 5mm Tabelle 9.5: Geometriedaten des Kontaktproblems mit Bolzen 48 POI = 0.3 REI = 0.15 FSP = 200 TMO = 10E3 ! Verschiebung VRX = 5.0 NSU = 50 ! Netz ER1 = 3 ER2 = 4 ED1 = 3 ED2 = 4 ED3 = 5 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Geometrie ! Blech cyl4,L1-L8-R1,0,R1,0,L1,360 asel,none rectng,L1-2*(L8+R1),L1,-HOE/2,HOE/2 adele,all alls asbl,all,all clocal,11,1,L1-(L8+R1),0,0 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 26L ! Kontakt am Bolzen ! Steffen Gerke, Juni 2009 ! Einheiten: mm, s, t, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ finish /clear,start *afun,deg !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Geometrie ! Blech L1 = 100.0 HOE = 20.0 R1 = 5.0 DIC = 5.0 L8 = 4.0 ! Bolzen L2 = 60 R2 = 4.0 E1 = 0.01 E3 = 2.0 ! Material EMO = 210000 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 152 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen csys,11 ksel,s,loc,x,L1 lslk,s,0 asll,s,0 adele,all,,,1 alls csys,0 *get,HKP,kp,0,num,max k,HKP+1,L1-R1-L8,-HOE/2 k,HKP+2,L1-R1-L8,HOE/2 l,HKP+1,HKP+2 k,HKP+3,L1-2*(R1+L8),0 k,HKP+4,L1,0 l,HKP+3,HKP+4 KUL = kp(L1-2*(R1+L8),-HOE/2,0,) KOR = kp(L1,HOE/2,0,) l,KUL,KOR KOL = kp(L1-2*(R1+L8),HOE/2,0,) KUR = kp(L1,-HOE/2,0,) l,KOL,KUR asbl,all,all,,,delete rectng,0,L1-2*(L8+R1),-HOE/2,0 rectng,0,L1-2*(L8+R1),0,HOE/2 aglue,all alls ! Material mp,ex,1,EMO mp,prxy,1,POI tb,biso,1,1 tbdata,1,FSP,TMO ! Elemente et,1,182 et,2,185 et,7,170 et,8,173 ! Vernetzen type,1 csys,11 lsel,s,loc,x,R1 lesize,all,,,ER1 alls csys,0 mshkey,1 amesh,all ! Extrudieren type,2 esize,,ED1 vext,all,,,,,DIC/2 aclear,all csys,11 nsel,s,loc,x,R1 cm,TARGETX,node csys,0 alls ! Bolzen *do,i,1,8 cyl4,L1-E1-L8-R2,0,R2,(i-1)*45,,i*45 *enddo hw1=L1-E1-L8 !Hilfswert rectng,hw1-1.5*R2,hw1-R2/2,-R2/2,R2/2 clocal,12,1,L1-E1-L8-R2,0,0 csys,12 ksel,s,loc,x,0,R2 lslk,s,1 asll,s,1 ˇ -Version vom 10. April 2013 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 aovlap,all aglue,all alls csys,0 ksel,s,loc,x,L1-E1-L8-1.5*R2,L1-E1-L8-R2 ksel,r,loc,y,-R2/2,0 lslk,s,1 asll,s,1 aadd,all alls ksel,s,loc,x,L1-E1-L8-1.5*R2,L1-E1-L8-R2 ksel,r,loc,y,0,R2/2 lslk,s,1 asll,s,1 aadd,all alls ksel,s,loc,x,L1-E1-L8-R2,L1-E1-L8-0.5*R2 ksel,r,loc,y,0,R2/2 lslk,s,1 asll,s,1 aadd,all alls ksel,s,loc,x,L1-E1-L8-R2,L1-E1-L8-0.5*R2 ksel,r,loc,y,-R2/2,0 lslk,s,1 asll,s,1 aadd,all alls csys,12 ksel,s,loc,x,R2 lslk,s,1 lesize,all,,,ER2 alls ksel,s,loc,x,0,R2 lslk,s,1 asll,s,1 csys,0 type,1 mshkey,1 amesh,all ! Extrudieren type,2 esize,,ED2 vext,all,,,,,DIC/2+E3 aclear,all csys,12 ksel,s,loc,x,R2 lslk,s,1 asll,s,1 cm,CONTACTX,area csys,0 alls asel,s,loc,z,DIC/2+E3 esize,,ED3 vext,all,,,,,L2/2-(DIC/2+E3) aclear,all alls ! ! Kontaktbedingungen mp,mu,10,REI mat,10 r,10 real,10 ! target nsel,s,,,TARGETX Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.3 Kontaktprobleme 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 type,7 esln,s,0 esurf ! contact asel,s,area,,CONTACTX type,8 nsla,s,1 esln,s,0 esurf alls ! Weitere Randbedingungen nsel,s,loc,x,0 d,all,all,0 alls nsel,s,loc,z,L2/2 d,all,ux,VRX alls csys,12 153 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS nsel,s,loc,x,0,R2 csys,0 nsel,r,loc,y,0 d,all,uy,0 alls ! Symmetrie nsel,s,loc,z,0 d,all,uz,0 alls ! Lösen finish /solu antype,static nlgeom,on nsubst,NSU,NSU,NSU outres,all,all solve finish ˇ -Version vom 10. April 2013 154 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 9.4.1 Einführung Ziel der Optimierung ist es, durch Veränderung bestimmter Größen die bestmögliche Lösung für ein Problem zu finden. Der Begriff ’Optimierung’ ist in [1] genauer erläutert. Begriffe: Zielfunktion, Designvariablen und Restriktionen Es sei im Folgenden eine Minimierungsaufgabe angenommen. Die mathematische Funktion, die das eigentliche Problem beschreibt und somit optimiert werden soll, wird als Zielfunktion bezeichnet. Das, was variiert wird, sind die Parameter oder Designvariablen des Optimierungsproblems. Die Anzahl der unabhängigen Designvariablen bestimmt die Dimension des Optimierungsproblems. Bei einer zweidimensionalen Optimierungsaufgabe kann man sich die Zielfunktion räumlich vorstellen, indem die Designvariablen die Längen- und Tiefenachse aufspannen. Die Höhe ist dann der Zielfunktionswert (siehe hierzu Bild 9.10). Im Allgemeinen entsteht so eine Fläche im Raum. Da die Zielfunktion eine Fläche darstellt, ist das Optmimierungsproblem damit gleichzusetzen, auf dieser Fläche den tiefsten (Minimum) oder den höchsten (Maximum) Punkt zu finden. Der Aufwand zur Lösung der Aufgabe hängt entscheidend von der Form der Fläche ab. Häufig ist man nur an solchen Werten für die Designvariablen interessiert, die zusätzliche Nebenbedingungen (Restriktionen) erfüllen. Diese Nebenbedingungen können in Form von Gleichungen oder Ungleichungen beschrieben sein. Die Menge aller Parameterwerte, die die Nebenbedingungen erfüllen, bezeichnet man als zulässige Menge. glob. Minimum lok. Minimum Abbildung 9.10: Beispielzielfunktion Man unterscheidet zwischen der linearen und der nichtlinearen Optimierung. Bei der linearen Optimierung ist die Zielfunktion linear und die Nebenbedingungen sind durch ein System linearer Gleichungen und Ungleichungen darstellbar. Jedes lokale Optimum ist automatisch auch globales Optimum, da der zulässige Bereich konvex ist. Schwieriger als die lineare Optimierung ist der Fall der nichtlinearen Optimierung, bei der die Zielfunktion, die Nebenbedingungen, oder sogar beide nichtlinear sind. Siehe [1] für weitere Details. Mathematische Beschreibung des Problems ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 155 Ein skalares Optimierungsproblem lässt sich mathematisch als Minimiere=maximiere J.s/ unter der Nebenbedingung s 2 S (9.1) darstellen. Hierbei ist J W Rn ! R eine reelwertige Funktion und S Rn ist die zulässige Menge der Designvariablen. Diese Menge ist häufig indirekt durch eine Funktion gegeben, gewöhnlich standardisiert in der Form S D fs 2 Rn W g.s/ 0 und h.s/ D 0g (9.2) mit den vektorwertigen Funktionen g.s/; h.s/ W Rn ! Rm Ungleichheitsrestriktionen können alle auf die Form (9.2) überführt werden. Zum Beispiel sollen die zulässigen Spannungen nicht überschritten werden vorh zul , vorh zul 10 , 1 vorh 0: zul (9.3) Manche Verfahren können entweder Gleichheitsrestriktionen, oder Ungleichheitsrestriktionen verarbeiten, dann wird es notwendig Ungleichheitsrestriktionen in Gleichheitsrestriktionen umzuwandeln oder umgekehrt. Für die Ungleichheitsrestriktionen gilt gj .s/ 0 , gj .s/ cj D 0 mit cj 0; (9.4) wobei cj als weitere, sogenannte Schlupfvariable aufgenommen wird. Die Gleichheitsrestriktion hk .s/ ist erfüllt, wenn gleichzeitig hk .s/ 0 und hk .s/ 0 gilt: (9.5) Strukturoptimierung Die Strukturoptimierung befasst sich mit den Grundlagen, Methoden und Anwendungen der mathematischen Optimierung für die rechnerunterstützte optimale Auslegung von Bauteilen, Tragwerken und ähnlichen mechanischen Systemen. In der Strukturoptimierung unterscheidet man hauptsächlich zwischen zwei Optimierungsarten: Formoptimierung Topologieoptimierung. Diese Arten der Optimierung werden in Folgendem vorgestellt. 9.4.2 Formoptimierung Die Formoptimierung ermöglicht die Optimierung der Bauteilgestalt ausgehend von einer bereits gegebenen Form. Dabei werden die äußeren Konturen dieser Ausgangsform im Laufe des Optimierungsprozesses iterativ modifiziert. Der Ingenieur lässt hierbei seine Kenntnisse und Erfahrungen in den Entwurf eines Bauteils einfließen. Topologische Eigenschaften der Gestalt wie z.B. Löcher und Verzweigungen lassen sich damit aber nicht erzeugen. Schwierigkeiten bei der Vernetzung des Modells in jeder Iteration Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 156 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen sind typisch für die Formoptimierung. Ansys bietet dem Benutzer zwei Optimierungsverfahren, die im folgendem beschrieben werden. Beide Verfahren haben gemeinsam, dass die Restriktionen mit Hilfe der Straffunktionen (penalty functions) berücksichtigt werden. Außerdem ist die Definition der Variablen, Funktionen und der Restriktionen in beiden Verfahren gleich. Verfahren nullter Ordnung Da dieses Verfahren nur die Werte der Zielfunktion und der Restriktionen benutzt und keine Ableitungen dieser Funktionen benötigt werden, hat es den Namen ’zero-order’ , oder ’Verfahren nullter Ordnung’. In Ansys wird dieses Verfahren unter dem Namen ’Subproblem Approximation Method’ geführt. Dies erklärt sich dadurch, dass Die Zielfunktion und die Restriktionen durch quadratische Funktionen approximiert werden. In folgendem werden die einzelnen Schritte dieses Verfahrens erläutert. 1). Die Grenzen der Variablen (Max- und Minwerte) werden entschärft, indem man jeweils die Toleranzwerte dieser Variablen zu den Grenzwerten addiert, oder von diesen abzieht. 2). Die Restriktionen und die Zielfunktion werden durch quadratische ein-, oder mehrdimensionale Funktionen approximiert. Der allgemeiner Ansatz für die Approximation lautet dann JO D a0 C n X i ai s i C n X n X i bij si sj (9.6) j Der Benutzer des Programms kann selbst entscheiden welche Terme des Ansatzes berücksichtigt werden, oder auch nicht. Die Koeffizienten ai und bij werden nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt (least squares technique). Die Fehler werden gewichtet und zu einem Gesamtfehler zusammengefasst. Wie die Fehler gewichtet werden, kann der Benutzer selbst entscheiden. 3). Die beschränkte Optimierungsaufgabe wird in eine nicht beschränkte (Subproblem) konvertiert. Dies wird mit Hilfe der Straffunktionen ausgeführt. 4). Die unbeschränkte Optimierungsaufgabe wird gelöst. Die Lösung dieser unbeschränkten Aufgabe ist eine Näherung der Lösung der beschränkten Anfangsaufgabe. Der Startvektor der Designvariablen wird mit Hilfe der Lösung verbessert. Diese Schritte werden mehrmals wiederholt, bis die Konvergenz erreicht wird. Vorteil diese Verfahrens ist es, dass die Liniensuche entfällt und die Lösung der approximierten Funktion direkt angegeben werden kann. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Informationen des Modells nicht vollständig benutzt werden (keine Ableitungsinformationen werden benutzt). Verfahren erster Ordnung Dieses Verfahren benutzt die ersten Ableitungen der Zielfunktion um möglichst mehr Informationen aus dem gegebenem Modell herauszuholen, daher der Name ’First Order Optimization Method’. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 157 Die Toleranzen für die Restriktionen und für die Designvariablen werden eingearbeitet. Die beschränkte Optimierungsaufgabe wird mit Hilfe der Straffunktionen in eine nicht beschränkte Aufgabe konvertiert. Die nicht beschränkte Optimierungsaufgabe wird jetzt gelöst. Beim ersten Iterationsschritt wird dazu die ’Methode des steilsten Abstiegs’ (method of steepest descent) benutzt. Bei den weiteren Iterationsschritten wird die ’Methode der konjugierten Gradienten’ (conjugate directions) benutzt. Vorteil diese Verfahrens ist, dass nur wenige Iterationsschritte gebraucht werden. Außerdem sind die Ergebnisse viel genauer als bei ’zero order method’. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass diese wenige Iterationsschritte sehr viel Rechenintensiver sind und daher mehr Zeit brauchen. Dies liegt in der Tatsache, dass außer der Zielfunktionswerten die Gradienten der Zielfunktion berechnet werden müssen. Beispiel: Formoptimierung eines Kragarms Der abgebildete Kragträger soll bezüglich seines Gewichtes optimiert werden, d.h. der Materialverbrauch soll minimiert werden. Hierbei darf die vorgegebene maximale Spannung zul nicht überschritten werden. Der Trägerquerschnitt soll rechteckig bleiben. System Querschnitt FN b x h y L z Abbildung 9.11: Kragträger mit Einzellast L b zul 250Œmm 10Œmm 100ŒN=mm2 FN h 100ŒN variabel Tabelle 9.6: Berechnungsparameter Die Höhe des Balkens ist variabel und soll mit einem Spline approximiert werden. (4 Stützstellen sollen vorhanden sein) Exakte Lösung Bei Konstanter Breite ist die Höhe des Querschnitts wie folgt gegeben. s 6F .l x/ h.x/ D zul b Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS (9.7) ˇ -Version vom 10. April 2013 158 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen Hierbei wurde das Eigengewicht vernachlässigt. Der Querschnitt wird als symmetrisch angenommen. Daher werden in folgendem die halben Höhen angegeben (jeweils von der Mittellinie bis zu der oberen/unteren Kante). 1 1 2 0 L L L L x.relativ/ 3 2 3 x.absolut/Œmm 0 83:3 125:0 166:7 250 hŒmm 6:1 5 4:3 3:5 0 Tabelle 9.7: Berechnungsparameter Der Wert in der Mitte wird für die Kontrolle der Lösung mit drei Stützstellen benötigt (zusätzlich zu den Randwerten). In folgendem wird die Lösung graphisch dargestellt. Abbildung 9.12: Exakte Lösung Das Volumen des Balkens kann ebenfalls exakt berechnet werden. V D 20412Œmm3 (9.8) Das der Kragarm am rechten Ende die Höhe Null haben soll, ist physikalisch nicht möglich da an einem Punkt keine Kraft eingeleitet werden kann. Lösung mit Ansys Um die Aufgabe zu lösen, wird zuerst die Geometrie erzeugt. Die x Achse des Kragarms ist gleichzeitig die x Achse des Ansyskoordinatensystems. Daher werden an den Stützstellen jeweils halbe Höhe nach oben/unten Keypoints erzeugt. Durch die vier oberen/unteren Keypoints werden Splines durchgeführt, die jeweils eine einzige Linie darstellen. Die beiden linken/rechten Keypoints werden mit einer vertikalen Linie verbunden. Diese vier Linien (2 x Spline und 2 x vert. Linien) bilden eine Fläche, die regelmäßig vernetzt werden kann. Die Linien werden vorher vorvernetzt. Die halben Höhen an den Stützstellen sind die Designvariablen (DV). Die Fläche wird vernetzt mit plane42 Elementen (plane stress). Die Auflagerbedingungen und die Belastung werden auf Knoten aufgebracht. Das System wird gelöst und die maximale Spannung in x Richtung wird herausgefunden. Dies ist die einzige Restriktion der Aufgabe gewesen und damit ist Sx;max die statische Variable (SV). Das Volumen V des Kragarms wird berechnet und dies ist auch die Zielfunktion (OBJ) dieser Optimierungsaufgabe. Nach der Fertigstellung des Modells wird die Optimierung gestartet. Würde man Ansys viel Freiraum, was die möglichen Grenzen der DV (z.B 0 < DVi < 50) und den Startvektor (z.B. x D Œ50 50 50 50T ) betrifft, lassen, so würde es sich als unbedacht erweisen, da Ansys viel Zeit ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 159 damit verbringen würde die nicht interessierenden Gebiete zu beschreiten. Außerdem würde man die Gefahr lokale Minima hinzu zu gewinnen (an denen man nicht interessiert ist) vergrößern. Aus der Überlegung heraus, dass man das maximale Moment kennt und dass dieser an der Einspannstelle ist kann man die maximale Höhe h, wie folgt M max D 250mm 100N D 25000N mm und M 25000N mm D 250mm3 W D D zul 100N=mm2 bh2 W D r r6 6W 6 250mm3 hD D D 12:24mm b 10mm (9.10) abschätzen. Also wird die halbe Höhe mit DVmax D 7mm geschätzt. So konvergieren die beiden in Ansys vorhandenen Verfahren (’zero order’ und ’first order’) relativ schnell. Beim Zero-Order-Verfahren hat die Wahl des Startvektors nur unwesentliche Auswirkungen auf die Konvergenz des Verfahrens und auf den Wert des Minimum der Zielfunktion (˙10 %). Beim First-Order-Verfahren führt die Veränderung des Startvektors zu Konvergenz gegen eine ganz anderen Lösung, die manchmal ganz unphysikalisch sein kann, da dieses Verfahren sehr anfällig ist, was lokale Minima angeht. Beim Optimierungsverlauf hat sich herausgestellt, dass bei bestimmter Wahl der Designvariablen sich der obere und der untere Splines zwischen der vierten und der dritten Stützstelle sehr nahe kommen. Weiterhin bildet sich rechts ein nicht ausgenutzter Bereich. Sobald das Programm versucht hatte die vierte DV zu minimieren, kam es zu einer Überschneidung der oberen und der unteren Kante. Außerdem haben kleine Änderungen der einzelnen DV sehr große Änderungen der gesamten Form des Kragarms bewirkt. Ein weiterer Grund für das Problem an der vierten Stützstelle ist, dass die Kraft eine bestimmte Höhe am Kragarmende braucht um eingeleitet zu werden (damit die zulässigen Spannungen eingehalten werden). Um das Problem der unphysikalischen Ergebnisse zu entschärfen, werden Bedingungen eingebaut, die die Höhen vom Auflagerrand bis zur Krafteinleitungsstelle absteigen lassen. Dies beschleunigt ebenfalls die Konvergenz und liefert bessere Ergebnisse. Das Optimierungsproblem bleibt aber mit dem ’First-Order-Verfahren’ immer noch sehr stark vom Startvektor abhängig. Wenn man aber einen guten Startvektor irgendwoher hat, liefert das ’First-Order-Verfahren’ genauere Ergebnisse, als das ’Zero-Order-Verfahren’. Fazit: Das ’Zero-Order-Verfahren’ sollte dazu benutzt werden um gute Näherung des Optimums zu finden. Diese Näherung sollte im nächsten Schritt als Startvektor für das ’First-Order-Verfahren’ benutzt werden um genauere Ergebnisse zu bekommen. Darstellung der Ergebnisse Mit den oberen Überlegungen wurde die Optimierung im ersten Schritt mit dem ’Zero-Order-Verfahren’ durchgeführt. Als Startvektor wurde der Vektor x .0/ D Œ7 7 7 7T (9.11) verwendet. Die oberen Grenzen der DV sind ebenfalls 7 gewesen. Diese Optimierung lieferte den DVVektor x .1/ D Œ6:23 5:29 4:19 1:47T ; Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS (9.12) ˇ -Version vom 10. April 2013 160 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen .1/ das Volumen V .1/ D 22500mm3 und die maximale Spannung in x Richtung x;max 96:67N=mm2 . Die Konvergenzkurven der vier DV sind im Bild 9.13 dargestellt. D Abbildung 9.13: Konvergenzkurven ’zero-order’ Im zweiten Schritt wurde der Vektor x 1 als Startvektor für das ’Zero-Order-Verfahren’ verwendet und die Optimierung wurde noch mal durchgeführt. So wurden der neue DV-Vektor x .2/ D Œ5:84 5:51 4:33 1:00T ; (9.13) .2/ das Volumen V .2/ D 22200mm3 und die maximale Spannung in x Richtung x;max 99:96N=mm2 berechnet. Die Konvergenzkurven diese Schrittes sind im Bild 9.14 dargestellt. D Abbildung 9.14: Konvergenzkurven ’zero-order’ ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 161 Man sieht, dass die Kurven am Anfang sehr stark streuen. Da am Anfang der Optimierung nur ein Startvektor vorliegt, aber mehrere gebraucht werden (um die Approximation zu bestimmen), erzeugt der Zufallsgenerator die restlichen Startvektoren. So das besonders am Anfang die Ergebnisse schlecht sind. Außerdem sieht man dass bei dieser Optimierung die Designvariablen schon nach 15 Iterationen gut angenähert wurden, aber die Kurven trotzdem noch flatterten. Dies liegt an den Toleranzeinstellungen der Variablen. Der so gewonnene DV-Vektor wird jetzt als Startvektor für das ’First-Order-Verfahren’ benutzt. Der neue DV-Vektor x .3/ D Œ6:19 5:03 3:63 1:00T ; (9.14) .3/ das Volumen V .3/ D 20736mm3 und die maximale Spannung in x Richtung x;max 99:69N=mm2 wurden berechnet. Die Konvergenzkurven sind im Bild 9.15 dargestellt. D Abbildung 9.15: Konvergenzkurven ’first-order’ Man sieht das mit gutem Startvektor das ’First-Order-Verfahren’ schon nach 3 Iterationen gute Ergebnisse hatte und bei 8 Iterationen schon ein Ergebniss, deren Zielfunktionswert um weniger als 1% von der exakten Lösung abweicht, hatte. Der Ingenieur hatte bei dieser Aufgabe nur zwei zusätzliche Vorüberlegungen durchgeführt: a). Die maximalen Schranken für die DV wurden aufgestellt. b). Für die Stützstellen wurde die Bedingung eingeführt, die diese in absteigender Reihenfolge hielt. Eingabedateien Im Folgenden wird der Quellcode für das Beispiel abgebildet. Um das richtige Verfahren auszuwählen sollen die Kommentarzeichen der entsprechenden Zeilen für das ’Zero-Order-Verfahren’ oder das ’First-Order-Verfahren’ entfernt werden. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 162 1 2 3 4 5 6 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen Quellcode !-------------------------------------------! 19Na ! Nikolai Gerzen 02.05.2009 ! Formoptimierung eines Kragarms ! Zero-Order-Verfahren !-------------------------------------------- 7 8 9 10 65 66 67 68 69 70 71 72 ! Speicher leeren finish /clear,start 73 74 76 12 77 14 ! Aufzeichnung des Macrofiles *create,OPTIMIERUNG1 78 79 15 16 80 !-------------------------------------------- 17 18 84 b=10 !Breite [mm] 25 26 27 28 29 86 L=250 !Länge [mm] 87 88 ! Splineparameter [mm] ! (Abstände von X-achse bis zu den Keypoints) splp1=7 splp2=7 splp3=7 splp4=7 30 31 32 33 34 35 38 39 ! Hilfsdesignvariablen die, ! die Parameter Splp1-4 absteigend halten. hp1=splp2/splp1 hp2=splp3/splp2 hp3=splp4/splp3 42 45 46 47 48 49 52 55 56 59 64 94 102 103 104 105 ! Zulässige Spannung sigmazul=100 ![N/mm^2] ! Dicken angeben r,1,b ! vernetzen mshkey,1 amesh,all ! Auflagerbedingungen nsel,s,loc,x,0 d,all,ux,0 d,all,uy,0 nsel,all 106 107 108 ! Schalter setzen Schalter1=3 !0 Plane stress !2 Plane strain ! (Z strain = 0.0) !3 Plane stress ! (with thickness) 109 110 111 112 113 114 ! Kraft aufbringen lsel,s,loc,x,L nsll,s,0 f,all,fy,-(Lastf/(Anzelem2)) nsel,inve nsel,r,loc,x,L f,all,fy,-(0.5*Lastf/(Anzelem2)) allsel 115 ! Systembelastung LastF=100 ![N] 116 117 ! Elemente ploten eplot 118 ! Parameter für die Vernetzung Anzelem1=30 !Anzahl Elemente für Splines Anzelem2=5 !Anzahl Elemente für Linien 119 finish 120 121 !-------------------------------------------- 122 ! Startwert für maximale Vergleichsspannung spaneq=0 123 124 125 !-------------------------------------------- 62 63 ! Materialparameter festlegen mp,ex,1,Emodul1 mp,prxy,1,Querkontraktion1 93 101 ! Materialparameter Emodul1=210000 !E-Modul Querkontraktion1=0.2 !Querkontraktion 60 61 92 99 57 58 ! Elementtyp festlegen et,1,42 keyopt,1,3,Schalter1 100 53 54 91 98 50 51 90 97 43 44 ! Flächen erzeugen al,all 96 40 41 ! Linien erzeugen bspline,1,3,5,7 bspline,2,4,6,8 lesize,all,,,Anzelem1 l,1,2,Anzelem2 l,7,8,Anzelem2 89 95 36 37 innen innen innen innen 85 23 24 81 83 21 22 links links links links rechts rechts rechts rechts 82 ! Parameter definieren 19 20 !unten !oben !unten !oben !unten !oben !unten !oben 75 11 13 ! Keypoints erzeugen k,1,0,-splp1 k,2,0,splp1 k,3,(1*L/3),-splp2 k,4,(1*L/3),splp2 k,5,(2*L/3),-splp3 k,6,(2*L/3),splp3 k,7,L,-splp4 k,8,L,splp4 126 127 ! Preprozessor starten /prep7 ˇ -Version vom 10. April 2013 ! Lösen des Systems /solu solve finish 128 129 !-------------------------------------------- Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 130 131 132 171 172 133 134 135 136 137 173 ! Volumen berechnen etable,ElmVol,volu ssum *get,GesVol,ssum,,item,ElmVol 174 175 140 177 178 ! max Spannung finden *GET, anzk, NODE, 0, count !Anzahl Knoten 141 142 143 144 145 146 147 152 183 184 186 187 157 158 189 190 ! Beenden Aufzeichnung Macrofile *end 191 193 !-------------------------------------------- 163 166 197 198 199 !-------------------------------------------- 169 ! Optimierung beenden opexe 200 201 ! Optimierung /opt !-------------------------------------------- 202 203 204 ! Festlegen des Macro-files für Optimierung opanl,OPTIMIERUNG1 167 168 ! Zero-Order-Verfahren optype,subp opsubp,200,100 196 164 165 194 195 ! Ausführen des Macro-files *use,OPTIMIERUNG1 finish 161 162 ! First-Order-Verfahren !optype,firs !opfrst,300,100,0.02 192 159 160 ! Festlegen des Optimierungstyps ! und start der Optimierung 188 finish 155 156 ! Definition der Zielfunktion opvar,GesVol,obj,,,100 185 153 154 180 ! Definition der Hilfsdesignvariablen opvar,hp1,sv,0.5,1,0.02 opvar,hp2,sv,0.5,1,0.02 opvar,hp3,sv,0.1,1,0.02 182 150 151 179 181 *do,laufa,1,anzk *GET, spanlauf, NODE, laufa,s,x *if,spaneq,lt,abs(spanlauf),then spaneq=spanlauf *endif *enddo 148 149 ! Definition der statischen Variablen opvar,spaneq,sv,(sigmazul-5),sigmazul,0.001 176 138 139 opvar,splp2,dv,3,7,0.02 opvar,splp3,dv,2,7,0.02 opvar,splp4,dv,1,7,0.02 170 ! Postprocessor starten /post1 163 205 206 207 ! Definition der Optimierungsvariablen opvar,splp1,dv,3,7,0.02 ! Ergebnisse ploten plvaropt,splp1,splp2,splp3,splp4 /axlab,x,Iterationsschritt /axlab,y,p1,p2,p3,p4 /replot 208 209 Beispiel: Formoptimierung einer Scheibe mit Loch R 500 q 1000 Gegeben sei die im Bild 9.16 abgebildete Struktur. MP x 2000 Œmm Abbildung 9.16: Scheibe mit Loch Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 164 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen Ermitteln Sie die Position des Kreismittelpunktes MP x und den Kreisradius R so, dass das Volumen V der Scheibe minimal wird und die zulässigen Spannungen zul nicht überschritten werden. Führen Sie dazu eine Formoptimierung mit Ansys durch. Die Resultierende Kraft der Streckenlast wird im Folgendem mit Q und die Dicke der Scheibe mit t bezeichnet. Weitere Angaben: 210000ŒN=mm2 0:2 240ŒN=mm2 4Œmm E zul t Q MP x R V 20000ŒN variabel variabel Minimum Tabelle 9.8: Berechnungsparameter Lösung mit Ansys Im Folgenden wird die Ansyseingabedatei ausgegeben. 1 2 3 4 5 6 7 Quellcode !-------------------------------------------! 20N ! Nikolai Gerzen 02.05.2009 ! Formoptimierung einer Scheibe mit Loch ! Zero-Order-Verfahren / ! First-Order-Verfahren !-------------------------------------------- 8 9 10 11 41 42 43 44 45 46 48 ! Speicher leeren finish /clear,start 50 51 54 ! Aufzeichnung des Macrofiles *create,OPTIMIERUNG1 55 56 16 57 !-------------------------------------------- 18 19 20 21 22 23 26 27 30 ! Position des Kreismittelpunktes AbstMPx=500.0 !in x-Richtung AbstMPy=500.0 !in y-Richtung ! Kreiseigenschaften radius=100 33 34 35 36 37 40 66 68 70 71 73 74 76 77 78 79 ! Systembelastung lastF=20000 ˇ -Version vom 10. April 2013 ! Kreis erzeugen k,9,AbstMPx,AbstMPy !Kreismittelpunkt circle,9,radius,,,,8 67 75 ! Materialparameter Emodul=210000 Querkontraktion1=0.2 38 39 64 72 ! Dicke der Scheibe dicke=4 ! Geometrie erzeugen ! Keypoints des Rechtecks erzeugen k,1,0,0 ! links unten k,2,0,AbstMPy ! mitte links k,3,0,Lngy ! links oben k,4,AbstMPx,Lngy ! mitte oben k,5,Lngx,Lngy ! rechts oben k,6,Lngx,AbstMPy ! mitte rechts k,7,Lngx,0 ! rechts unten k,8,AbstMPx,0 ! mitte unten 63 69 31 32 62 65 28 29 60 61 ! Längen des Rechtecks Lngx=2000.00 !Länge in x-Richtung Lngy=1000.00 !Länge in y-Richtung 24 25 58 59 ! Parameter setzen ! Preprozessor starten /prep7 52 53 17 !-------------------------------------------- 49 13 15 ! zulässige Spannung sigmazul=240 47 12 14 ! Parameter für die Vernetzung Anzelem=8 !Anz der Elemente einer Linie 80 ! Linien erzeugen l,1,2 l,2,3 l,3,4 l,4,5 l,5,6 l,6,7 l,7,8 l,8,1 l,1,15 l,2,14 l,3,13 l,4,12 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 81 82 83 84 l,5,11 l,6,10 l,7,17 l,8,16 85 86 87 90 91 92 93 94 95 96 97 ! Anzahl der Linienunterteilungen festlegen LESIZE,all,,,Anzelem 102 105 106 109 112 113 ! Dicke angeben r,1,dicke 116 117 120 121 122 123 124 127 128 129 130 133 140 141 142 145 160 161 162 ! max Spannung finden spaneq=0 *GET, anzk, NODE, 0, count *do,laufa,1,anzk *GET, spanlauf, NODE, laufa,s,eqv *if,spaneq,lt,abs(spanlauf),then spaneq=abs(spanlauf) *endif *enddo finish 165 166 !-------------------------------------------- 167 169 ! Beenden Aufzeichnung des Macrofiles *end 170 171 173 ! Ausführen des Macro-files *use,OPTIMIERUNG1 finish 174 !-------------------------------------------- 176 177 178 180 181 ! Optimierung /opt 184 185 186 187 188 ! Definition der Optimierungsvariablen ! Designvariablen mpxmin=10+(Lngy-20)/2 mpxmax=Lngx-10-(Lngy-20)/2 opvar,AbstMPx,dv,mpxmin,mpxmax,0.02 opvar,Radius,dv,10,(Lngy-20)/2,0.02 189 191 ! Statische Variablen opvar,spaneq,sv,(sigmazul-5),sigmazul,0.001 192 193 194 ! Zielfunktion opvar,GesVol,obj,,,10000 195 197 198 ! Festlegen des Optimierungstyps ! First-Order-Verfahren !optype,firs !opfrst,300,100,10 200 202 ! Zero-Order-Verfahren optype,subp opsubp,200,100 204 205 206 ! Optimierung beenden opexe 207 208 !-------------------------------------------- ! Festlegen des Macro-files für Optimierung opanl,OPTIMIERUNG1 182 203 ! Lösen des Systems /solu solve finish 143 144 159 201 !-------------------------------------------- 138 139 158 199 finish 136 137 157 196 ! Elemente ploten eplot 134 135 156 190 ! außere Knoten nsel,s,loc,x,Lngx nsel,u,loc,y,(0.1),(Lngy-0.1) f,all,fy,-(lastF/Anzelem)/2 allsel 131 132 155 183 ! Kraft aufbringen ! innere Knoten nsel,s,loc,x,Lngx nsel,u,loc,y,Lngy nsel,u,loc,y,0 f,all,fy,-(lastF/Anzelem) 125 126 ! Volumen bestimmen etable,ElmVol,volu ssum *get,GesVol,ssum,,item,ElmVol 179 ! Auflager einbauen nsel,s,loc,x,0 d,all,all,0 118 119 154 175 ! vernetzen MSHKEY,2 amesh,all 114 115 152 172 110 111 151 168 ! Materialparameter festlegen mp,ex,1,Emodul mp,prxy,1,Querkontraktion 107 108 149 164 ! Elementtyp festlegen et,1,42 keyopt,1,3,3 103 104 148 163 99 101 ! Postprocessor starten /post1 153 ! Flächen erzeugen al,17,9,18,5 al,18,10,19,4 al,19,11,20,3 al,20,12,21,2 al,1,21,13,22 al,8,22,14,23 al,7,23,15,24 al,6,24,16,17 98 100 147 150 88 89 146 165 !-------------------------------------------- 209 210 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS !Ergebnisse ploten ˇ -Version vom 10. April 2013 166 211 212 213 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen plvaropt,radius,abstmpx /axlab,x,Iterationsschritt /axlab,y,radius,MPx 214 /replot 215 216 !-------------------------------------------- 9.4.3 Topologieoptimierung Was ist Topologieoptimierung? Das bisher beschriebene Verfahren ermöglicht die Optimierung der Bauteilgestalt ausgehend von einer bereits gegebenen Form. Dabei werden die äußeren Konturen dieser Ausgangsform im Laufe des Optimierungsprozesses iterativ modifiziert. Der Ingenieur lässt hierbei auf Grund des eigenen Berufsethos seine Kenntnisse und Erfahrungen in den Entwurf eines Bauteils einfließen. Topologische Eigenschaften der Gestalt wie z.B. Löcher und Verzweigungen lassen sich damit aber nicht erzeugen. Schwierigkeiten mit der Netzgeometrie bei sehr großen Veränderungen der Geometrie markieren ebenfalls eine Grenze der oben beschriebenen Formoptimierung. Die Topologieoptimierung ist die Optimierung der soeben erwähnten globalen Gestalt und ihrer topologischen Eigenschaften. Die Topologieoptimierung stellt ein radikales und faszinierendes Mittel zur weitgehend freien automatischen Generierung mechanischer Strukturen dar. Weitere Details finden sich in der Literatur [2] und [1]. Verfahren variabler Materialdichte Im Folgenden wird eine mögliche Strategie der Topologieoptimierung, die auch bei ANSYS verwendet wird, vorgestellt. Die Basisidee zur Topologieoptimierung mit Finiten Elementen geht von einem homogenen mit Masse belegten Entwurfsvolumen aus. Die Verformung des Volumens läßt sich über eine Diskretisierung in finite Elemente für jede Art mechanischer Lasten und Randbedingungen numerisch ermitteln. Ziel des Verfahrens ist es, durch Materialkonzentrationen im Entwurfsvolumen die Verformung zu minimieren. Die insgesamt konstant gehaltene Masse wird sich über eine variable Dichtefunktion in geeigneter Weise auf die finiten Elemente des Entwurfsvolumens verteilen. Dabei kann ein Element höchstens die Dichte des massiven Materials annehmen und wird im entgegengesetztem Extremfall die Dichte Null haben. Zwischen diesen beiden Extremen befinden sich Zustände mehr oder weniger ausgedünnten Materials. Diese "grauenMaterialdichten sind schlußendlich unerwünscht aber als temporäre Zustände in Verlaufe eines stetigen Optimierungsprozesses unvermeindlich. Im optimierten Entwurf sollte sich schließlich das ganze Material auf einen Teil der Elemente konzentriert haben, während der Rest leer ist. Die mit Masse belegten Elemente stellen dann die generierte Form des zu entwerfenden Bauteils dar. Beispiel: Topologieoptimierung eines Einfeldträgers Der im Bild 9.17 abgebildete Einfeldträger soll bezüglich seiner topologischen Eigenschaften optimiert werden. Das heißt die Steifigkeit soll maximiert werden. Hierbei darf das vorgegebene maximale Volumen Vmax D 0:4 V0 nicht überschritten werden. ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) F 1:0 F 167 2 1:7 0:6 1:3 1:0 0:4 1 0:4 1:0 4:0 Abbildung 9.17: Einfeldträger mit zwei Lasten Für die spätere Nutzung soll der Träger eine Öffnung für die Durchführung von Rohren unten in der Mitte haben. Für die Befestigung von weiteren TGA-Installationen soll am rechten Auflager ein rechteckiges Gebiet 2 erhalten bleiben. Die Lasten F sind Verkehrslasten und können unabhängig von eindander Auftreten. Zur Vereinfachung sind alle Größen einheitenlos. E 118 109 0:3 FN Vmax 1000 0:4 V0 Tabelle 9.9: Berechnungsparameter Zur Bearbeitung der Aufgabe: Modellieren Sie den Träger ohne die Öffnung in der Mitte und ohne das Gebiet 2 . Nehmen Sie an, dass die Lasten F gleichzeitig auftreten. Ermitteln Sie die optimale Topologie und beurteilen Sie die Ergebnisse. Berücksichtigen Sie jetzt das unabhängige Auftreten der Lasten F und ermitteln Sie die optimale Topologie neu. Beurteilen Sie die Ergebnisse. Berücksichtigen Sie jetzt das Gebiet Topologie neu. 2, das nicht optimiert werden soll und ermitteln Sie die Berücksichtigen Sie jetzt die Öffnung in der Mitte des Trägers und ermitteln Sie die Topologie neue. Lösung mit ANSYS Im Folgenden wird der Quellcode für das Beispiel abgebildet. Hierbei handelt es sich um eine Lösung, bei der die Unabhängigkeit der Lasten und ein passive Bereich (rechts unten) berücksichtigt wurden. Um die Öffnung zu realisieren, kann diese einfach im Geometriemodell erzeugt werden. 1 2 3 Quellcode !-------------------------------------------!---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 21N 4 5 6 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ! Nikolai Gerzen 02.05.2009 ! Topologieoptimierung eines Einfeldträgers ! Minimierung der Compliance ˇ -Version vom 10. April 2013 168 7 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen !-------------------------------------------- 8 9 10 11 73 ! Speicher leeren finish /clear,start 74 75 77 !-------------------------------------------- 14 15 16 17 18 19 ! Rechteck erzeugen BLC4,0,0,4,1 22 23 26 27 ! Öffnung erzeugen !BLC4,0.5,0.2,0.5,0.2 !ASBA,1,2, 30 31 ! Elementtyp festlegen ET,1,82 ! Type 1 wird optimiert ET,2,82 ! Type 2 wird nicht optimiert 34 35 38 39 42 43 44 45 46 47 86 88 91 92 94 95 96 98 99 100 102 103 105 ! Passive Bereiche vernetzen NSEL,S,LOC,X,3.6,4 NSEL,R,LOC,Y,0,0.4 ESLN TYPE,2 EMODIF,ALL ALLSEL 106 107 108 110 111 54 55 56 57 58 121 ! Kräfte aufbringen FORCE = 1000 59 60 61 62 63 66 67 70 71 ˇ -Version vom 10. April 2013 ! Topologieoptimierung starten ! Höchstens 20 Iterationen durchführen /DSCALE,,OFF TOLOOP,20,1 ! Topologieoptimierung beenden FINISH !-------------------------------------------! Pause einlegen *ASK, WEITER ,,1 ! Ergebnisse ploten als Kurven TOGRAPH,OBJ ! Pause einlegen *ASK, WEITER ,,1 TOGRAPH,CON 125 126 127 ! Pause einlegen *ASK, WEITER ,,1 128 130 131 132 133 ! Alle Lasten löschen FDEL,ALL ! Initialisieren der Topologieoptimierung TODEF 123 129 ! Schreiben des ersten Lastfalls ALLSEL LSWRITE,1 68 69 122 124 ! Kraft 1 NSEL,S,LOC,X,1 NSEL,R,LOC,Y,1 F,ALL,FY,-FORCE 64 65 ! Verfahren wählen ! Optimalitätskriterium-Verfahren TOTYPE,OC 112 113 53 ! Volumenrestriktion als Nebenbedingung ! 60% Volumenreduktion TOVAR,VOLUME,CON,,60 109 ! Verschiebungsrandbedingungen berücksichtigen 114 NSEL,S,LOC,X,0 115 NSEL,R,LOC,y,0 116 D,ALL,ALL,0 117 NSEL,S,LOC,X,4 118 NSEL,R,LOC,Y,0 119 D,ALL,UY,0 120 52 ! Compliance als Zielfunktion definieren TOVAR,MCOMP,OBJ 104 49 51 ! Multiple Compliance-Function definieren TOCOMP,MCOMP,MULTIPLE,2 90 48 50 ! Parameter für die Topologieoptimierung 87 101 ! Aktive Bereiche vernetzen TYPE,1 AMESH,ALL 40 41 !-------------------------------------------- 97 ! Vernetzung ! Elementgrösse ESIZE,0.05 36 37 84 93 ! Materialparameter festlegen MP,EX,1,118E9 MP,NUXY,1,0.3 32 33 ! Alle Lasten löschen FDEL,ALL 83 89 28 29 81 85 24 25 ! Schreiben des zweiten Lastfalls ALLSEL LSWRITE,2 80 82 20 21 78 79 ! Preprocessor starten /PREP7 ! Kraft 2 NSEL,S,LOC,X,3 NSEL,R,LOC,Y,1 F,ALL,FY,-FORCE 76 12 13 72 TOPRINT,OBJ TOPRINT,CON *GET,TITER,TOPO,,ITER *GET,OCMP,TOPO,TITER-1,TOHO finish 134 135 136 ! Postprozessor starten /post1 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 137 138 139 140 141 WEITER ,,1 145 146 147 148 142 143 *ASK, 144 ! Dichten ploten ETABLE,EDENS,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENS 169 ! Elemente mit Dichten > 0.9 ploten ESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1.0 EPLOT 149 ! Pause einlegen 150 !-------------------------------------------- Beispiel: Topologieoptimierung eines Rohrträgers Der im Bild 9.18 abgebildete Rohrträger soll bezüglich seiner topologischen Eigenschaften optimiert werden. Das heißt die Steifigkeit soll maximiert werden. Hierbei darf das vorgegebene maximale Volumen Vmax D 0:3 V0 nicht überschritten werden. F 2:0 1:0 F 2:0 1:0 2:0 Abbildung 9.18: Rohrträger mit zwei Lasten Die Rohre werden unabhängig von einander genutzt. Vereinfacht greifen die Lasten aus den Rohren direkt am Trägerrand. Alle Größen sind einheitenlos. E 118 109 0:3 FN Vmax 1000 0:3 V0 Tabelle 9.10: Berechnungsparameter Zur Bearbeitung der Aufgabe: Modellieren Sie den Träger. Nehmen Sie an, dass die Lasten F gleichzeitig auftreten. Ermitteln Sie die optimale Topologie und beurteilen Sie die Ergebnisse. Berücksichtigen Sie jetzt das unabhängige Auftreten der Lasten F und ermitteln Sie die optimale Topologie neu. Beurteilen Sie die Ergebnisse. Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 170 9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen Modifizieren Sie das Modell so, dass die Endstruktur eine horizontale Last (z.B. aus Wind) abtragen kann. Wie ändert sich das Endergebnis, wenn man die Horizontallast berücksichtigt? Lösung mit ANSYS Im Folgenden wird der Quellcode für das Beispiel abgebildet. Hierbei handelt es sich um eine Lösung, bei der die Unabhängigkeit der Hauptlasten berücksichtigt wurde. Die Berücksichtigung der Horizontallast kann auf eine analoge Weise erfolgen. 1 2 3 4 5 6 Quellcode !-------------------------------------------! 22N ! Nikolai Gerzen 02.05.2009 ! Topologieoptimierung eines Rohrträgers ! Minimierung der Compliance !-------------------------------------------- 7 8 9 10 15 18 19 20 21 24 ! Preprocessor starten /PREP7 27 28 ! Rechtecke erzeugen BLC4,0,2,2,1 BLC4,2,0,1,2 BLC4,2,2,1,1 BLC4,3,2,2,1 31 32 ! Rechtecke verkleben aglue,all 60 61 35 36 39 40 ! Materialparameter festlegen MP,EX,1,200E9 MP,NUXY,1,0.3 43 66 68 69 70 72 74 77 79 81 ! Alle Lasten löschen FDEL,ALL !-------------------------------------------- ! Vernetzung ! Elementgrösse ESIZE,0.05 ! Parameter für die Topologieoptimierung 82 83 ! Multiple Compliance-Function definieren TOCOMP,MCOMP,MULTIPLE,2 85 86 87 ! Compliance als Zielfunktion definieren TOVAR,MCOMP,OBJ 88 ! Aktive Bereiche vernetzen TYPE,1 AMESH,ALL 89 90 91 ! Volumenrestriktion als Nebenbedingung ! 70% Volumenreduktion TOVAR,VOLUME,CON,,70 92 ! Passive Bereiche vernetzen !--- 93 94 95 49 50 ! Schreiben des zweiten Lastfalls ALLSEL LSWRITE,2 78 ! Verschiebungsrandbedingungen berücksichtigen 96 NSEL,S,LOC,y,0 97 D,ALL,ALL,0 98 ALLSEL 99 48 ! Kraft 2 KSEL,S,LOC,Y,3 KSEL,R,LOC,X,5 NSLK,S F,ALL,FY,-FORCE 75 45 47 ! Alle Lasten löschen FDEL,ALL 71 44 46 ! Schreiben des ersten Lastfalls ALLSEL LSWRITE,1 65 84 41 42 ! Kraft 1 KSEL,S,LOC,Y,3 KSEL,R,LOC,X,0 NSLK,S F,ALL,FY,-FORCE 80 37 38 63 76 ! Elementtyp festlegen ET,1,82 ! Type 1 wird optimiert ET,2,82 ! Type 2 wird nicht optimiert 33 34 57 73 29 30 56 67 25 26 55 64 22 23 54 62 16 17 53 59 !-------------------------------------------- 13 14 FORCE = 1000 52 58 ! Speicher leeren finish /clear,start 11 12 51 100 ! Verfahren wählen ! Optimalitätskriterium-Verfahren TOTYPE,OC ! Initialisieren der Topologieoptimierung TODEF ! Topologieoptimierung starten ! Kräfte aufbringen ˇ -Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 9.4 Strukturoptimierung (Formoptimierung und Topologieoptimierung) 101 102 103 ! Höchstens 20 Iterationen durchführen /DSCALE,,OFF TOLOOP,30,1 104 105 106 111 114 117 134 136 ! Postprozessor starten /post1 139 ,,1 142 143 ! Pause einlegen *ASK, WEITER ! Pause einlegen *ASK, WEITER ,,1 140 141 TOGRAPH,CON ! Dichten ploten ETABLE,EDENS,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENS 137 138 ! Pause einlegen *ASK, WEITER 120 121 131 135 ! Ergebnisse ploten als Kurven TOGRAPH,OBJ 118 119 129 133 ,,1 115 116 128 TOPRINT,OBJ TOPRINT,CON *GET,TITER,TOPO,,ITER *GET,OCMP,TOPO,TITER-1,TOHO finish 132 ! Pause einlegen *ASK, WEITER 112 113 126 130 !-------------------------------------------- 109 110 125 127 ! Topologieoptimierung beenden FINISH 107 108 124 171 ! Elemente mit Dichten > 0.9 ploten ESEL,S,ETAB,EDENS,0.2,1.0 EPLOT 144 145 !-------------------------------------------- Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 122 ,,1 123 Kapitel 10 Ergänzende Hinweise zur Modellierung mit ANSYS Die kommerziellen Simulationswerkzeuge bieten noch zahlreiche Hilfsmittel an, die in den vielfältigen Anwendungen sinnvoll eingesetzt werden können. Eine vollständige Behandlung in diesem Skriptum ist nicht sinnvoll möglich. Es werden daher nur exemplarisch zwei Methoden vorgestellt. 10.1 Kill and reanimate Elements Scheibe mit Loch Elemente über einer bestimmten Vergleichsspannung werden gelöscht.... 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 27L ! Beispiel zu KILL-Elements ! Scheibe mit Loch, 1/4 modelliert ! Plane 182 mit ’reduced integration’ ! Steffen Gerke, Juli 2009 ! Einheiten: m, s, kg, N !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Clear Database finish /clear,start ! PIM = 4*atan(1) *afun,deg !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Parameter ! Material Parameter, elastic EYOUNG = 72000 POIS = 0.3 ! Plastic, ANSYS option ’nliso’ NLDP1 = 425 NLDP2 = 1000 NLDP3 = 40 NLDP4 = 80 ! ! Geometry ! Dimensions of specimen EDGEX = 1 EDGEY = 1 ! Radius RADPO = 0.15 ! ! Boundary conditions 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 VERSCHX = 0.00384 VERSCHY = 0.00192 ! ! Solveroption ! Number of load steps INCRE = 200 ! ! Mesh RAD2 = 1.5*RADPO EZRAD = 0.01 EZTAN = 0.01 ! ! Killing elements SPAKIL = 450 !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ /prep7 ! Goemetry k,1,0,0 k,2,EDGEX,0 k,3,EDGEX,EDGEY k,4,0,EDGEY a,1,2,3 a,1,3,4 aglue,all cyl4,0,0,RADPO,0,RAD2,90 aovlap,all ksel,s,kp,,1 lslk,s,0 asll,s,0 adele,all,,,1 alls ! element-type, material and mesh 174 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 10 Ergänzende Hinweise zur Modellierung mit ANSYS mp,ex,1,EYOUNG mp,prxy,1,POIS tb,nliso,1 tbdata,,NLDP1,NLDP2,NLDP3,NLDP4 et,1,182 ! keyopt,1,1,0 keyopt,1,1,1 keyopt,1,3,0 csys,1 lsel,s,loc,x,RADPO lesize,all,EZRAD alls csys,0 lsel,s,loc,y,0 lsel,r,loc,x,RADPO,RAD2 lesize,all,EZTAN alls mshkey,1 amesh,all finish !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! To demonstrate how to ! ! delete geometry items ! ! ! ! Delete Geometry items ! cdwrite,db,FESAVE,cdb,,’’,’’ ! finish ! parsav,all,PARASAVE ! /clear,start ! parres,new,PARASAVE ! /INPUT,FESAVE,cdb ! finish ! !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 1. Load Step /solu ! Symmetry condition nsel,s,loc,x,0 d,all,ux,0 nsel,all nsel,s,loc,y,0 d,all,uy,0 nsel,all ! ! Displacements nsel,s,loc,x,EDGEX d,all,ux,1/INCRE*VERSCHX nsel,all nsel,s,loc,y,EDGEY d,all,uy,1/INCRE*VERSCHY nsel,all ! ! solveroptionen antype,static rescontrol,define,none time,1 nlgeom,on outres,all,all nropt,full ! Solve solve finish ! !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Getting s_eqv /post1 ˇ -Version vom 10. April 2013 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 set,last etable,TABSP,s,eqv finish !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! For graphical output only ! ! Killing elements ! /solu ! esel,s,etab,TABSP,SPAKIL ! ekill,all ! ! ! finish ! /post1 ! esel,s,live ! plesol,s,eqv,0,1.0 ! ! Writing a jpeg-file ! /SHOW,JPEG,,0 ! /CMAP,_TEMPCMAP_,CMP,,SAVE ! /RGB,INDEX,100,100,100,0 ! /RGB,INDEX,0,0,0,15 ! /REPLOT ! /CMAP,_TEMPCMAP_,CMP ! /DELETE,_TEMPCMAP_,CMP ! /SHOW,CLOSE ! /DEVICE,VECTOR,0 ! finish ! ! ! !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 2. and following load steps *do,i,2,INCRE /solu antype,,rest ! time,i ! Killing elements esel,s,etab,TABSP,SPAKIL ekill,all esel,all ! Displacements nsel,s,loc,x,EDGEX d,all,ux,i/INCRE*VERSCHX nsel,all nsel,s,loc,y,EDGEY d,all,uy,i/INCRE*VERSCHY nsel,all !/eof ! Solve solve finish ! Getting s_eqv /post1 set,last etable,TABSP,s,eqv finish !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! For graphical output only ! ! Killing elements ! /solu ! esel,s,etab,TABSP,SPAKIL ! ekill,all ! ! ! finish ! /post1 ! esel,s,live ! plesol,s,eqv,0,1.0 ! ! Writing a jpeg-file ! Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS 10.1 Kill and reanimate Elements 206 /DELETE,_TEMPCMAP_,CMP ! /SHOW,CLOSE ! /DEVICE,VECTOR,0 ! finish ! !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ *enddo Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 195 196 197 198 199 200 /SHOW,JPEG,,0 /CMAP,_TEMPCMAP_,CMP,,SAVE /RGB,INDEX,100,100,100,0 /RGB,INDEX,0,0,0,15 /REPLOT /CMAP,_TEMPCMAP_,CMP 175 ! ! ! ! ! ! 201 202 203 204 205 176 10 Ergänzende Hinweise zur Modellierung mit ANSYS 10.2 P-Elemente Scheibe mit Loch Aufgabe P-Elemente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Quellcode !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! 28L ! Scheibe mit Loch, Verwendung ! von Symmetriebedingungen und p-Elementen ! Elementtypen: plane145 (ESZ) ! Einfaches Beispiel zur Demonstration ! Steffen Gerke, Jan. 2010 ! (in Anlehnung an die Ansys Hilfe) !---+----1----+----2----+----3----+----4----+ ! Leeren der Datenbasis finish /clear,start ! Geometrieparameter L1 = 20.0 L2 = 10.0 R1 = 5.0 DIC1 = 0.25 ! Materialparameter EMOD1 = 210.0e6 POS1 = 0.3 ! Elementgröße für Smartsize EGR1 = 5.0 ! Last LASTF = 100 !! Konvergenz ! Knotenkoordinaten ! if KONV1 == 1 X=L1 und Y=L2 ! if KONV1 == 2 X=0 und Y=R1 KONV1 = 1 ! Wert KONVAL = 0.01 ! /prep7 !Elementtyp et,1,plane145 keyopt,1,3,3 ! Real Constants r,1,DIC1 ! Material mp,ex,1,EMOD1 ˇ -Version vom 10. April 2013 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 mp,prxy,1,POS1 ! Geometrie rectng,0,L1,0,L2 pcirc,R1,,0,90 aovlap,all ksel,s,loc,x,0 ksel,r,loc,y,0 lslk,s,0 asll,s,0 adele,all,,,1 alls ! Vernetzen smrtsiz,EGR1 amesh,all ! finish /solu ! Symmetriebedingungen lsel,s,loc,x,0 dl,all,,symm lsel,s,loc,y,0 dl,all,,symm ! Zugkraft lsel,s,loc,x,L1 sfl,all,pres,-LASTF alls ! Konvergenzkontrolle *if,KONV1,eq,1,then NCVG=node(20,10,0) *elseif,KONV1,eq,2 NCVG=node(0,5,0) *endif pconv,KONVAL,S,X,NCVG solve ! finish /post1 set,1 pldisp,1 finish Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS Kapitel Workbench 11 179 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS ˇ -Version vom 10. April 2013 Literatur [1] H. Baier, C. Seßelberg und B. Specht. Optimierung in der Strukturmechanik. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1994. [2] M.P. Bendsøe und O. Sigmund. Topology Optimization. Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, 2003. [3] P. Fröhlich. FEM-Anwendungspraxis. Vieweg, 2005. [4] D. Gross u. a. Technische Mechanik 3 (Kinetik). Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2010. [5] C. Groth und G. Müller. FEM für Praktiker - Band 1: Grundlagen. Expert-Verlag GmbH, 2007. [6] C. Groth und G. Müller. FEM für Praktiker - Band 3: Temperaturfelder. Expert-Verlag GmbH, 2009. [7] R. Kusterer. Mathematische Methoden im Bauwesen (MBI-III). Techn. Ber. Universität Dortmund, 2003. [8] W. Schätzing und G. Müller. FEM für Praktiker - Band 4: Elektrotechnik. Expert-Verlag GmbH, 2009. [9] U. Stelzmann, C. Groth und G. Müller. FEM für Praktiker - Band 2: Strukturdynamik. ExpertVerlag GmbH, 2008.
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