Einführung ANSYS CLASSIC & WORKBENCH Workshop

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1 Einführung ANSYS CLASSIC & WORKBENCH Workshop Universität Dortmund / Fakultät Bauwesen Lehrstuhl Numerische Methoden und Informationsverarbeitung Prof. Dr.-Ing. habil. Franz-Joseph Barthold F.-J. BARTHOLD D. MATERNA M. ROTTHAUS ST. GERKE VERSION: 2. OKTOBER 2006

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3 Vorbemerkungen Dieser Workshop soll helfen, den ersten Einstieg in ANSYS CLASSIC und WORK- BENCH zu finden, d.h. es soll die erste Hürde übersprungen werden, die ein neues Programm immer darstellt. Hierbei sollen grundlegende Arbeitsweisen vorgestellt und an Übungsbeispielen vertieft werden. Für viele Aspekte, die über das im Workshop Vorgestellte hinaus gehen, ist eine individuelle Einarbeitung notwendig. Dies kann nicht im Workshop geleistet werden; allenfalls können entsprechende Hilfestellungen gegeben werden. Bei einigen Beispielen sind wir uns bewusst, dass der Inhalt über das in den Vorlesungen Bereitgestellte hinausgeht. Diese Teile sind als Appetizer zu verstehen, sich weitergehend mit den benötigten Grundlagen zu beschäftigen, und Interesse zu wecken. Keinesfalls können hier die benötigten theoretischen Grundkenntnisse vermittelt werden. Die hier bereitgestellten Unterlagen zum Workshop Einführung ANSYS CLASSIC & WORKBENCH sollen das Vorgestellte unterstützen, d.h. begleitenden Charakter haben, und ggf. nach dem Workshop das persönliche Nacharbeiten erleichtern. Daher sind die Unterlagen während des Workshops mit persönlichen Anmerkungen zu ergänzen. Die vorliegende Fassung stellt den ersten Rohentwurf dar, d.h. einige Teile sind noch unvollständig bzw. bedürfen einer genauen Nacharbeitung. Insbesondere die begleitenden Texte müssen nachgearbeitet werden. Es wird daher ausdrücklich um Kritik und Verbesserungsvorschläge gebeten. Für Hinweise auf Fehler sind wir dankbar. Diese können beispielsweise per oder auf persönlichem Wege übermittelt werden. Besonders freuen wir uns, dass Frau cand. Ing. Eva Preckwinkel und Herr cand. Ing. Daniel Albrecht für diesen Workshop eigene Beispiele vorbereitet haben und so das Vorgestellte bereichern. Ebenfalls danken möchten wir Herrn Dipl.-Ing Frank Platte vom HRZ der Universität Dortmund für seine Unterstützung bei den ersten Schritten in WORKBENCH.

4 Kontakt: Lehrstuhl Numerische Methoden und Informationsverarbeitung Fakultät Bauwesen, Universität Dortmund, August-Schmidt-Str. 8 D Dortmund Internet: Prof. Dr.-Ing. habil. Franz-Joseph Barthold franz-joseph.barthold@uni-dortmund.de Dipl.-Ing. Daniel Materna daniel.materna@uni-dortmund.de Dipl.-Ing. Monika Rotthaus monika.rotthaus@uni-dortmund.de Cand.-Ing. Steffen Gerke steffen.gerke@udo.edu

5 Inhaltsverzeichnis 1 Vorab Zeitplan Weitere Hinweise zu Informationsquellen Software Ein kleiner Überblick ANSYS-Classic Allgemeine Informationen zu ANSYS CLASSIC Ein erstes Beispiel Direkte Generierung Kragarm mit veränderlicher Höhe verschiedene Elementtypen D-Struktur, Platte Plastisches Materialverhalten, Symmetriebedingungen Rahmen mit Streckenlast, Gelenk und verdrehtem Auflager Knicken und Beulen Buckling Analysis Stahlbau, Verzweigungslast und Traglast Wärmeleitung, ein 3D-Beispiel Betonbau, Eine erste Annäherung Dynamische Berechnungen Modalanalyse Frequenzganganalyse (Harmonic Analysis) Transiente Analyse Optimierung Optimierung der Beullast, Bsp. Platte mit Steife Optimierung des Volumens, Bsp Balken mit Einzellast Workbench Allgemeine Informationen zu WORKBENCH DesignModeler Simulation Ein Einstieg Flächen Volumenmodell; Z-Profil, Modellieren und Berechnen Externe Geometriedaten, Mittelflächengenerierung Literatur 69 Index 71

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7 1 Vorab 1.1 Zeitplan Da der Workshop in diesem Format und mit diesem Inhalt zum erstem Mal stattfindet, ist der nachfolgende Zeitplan eher als Entwurf zu verstehen. ANSYS Classic: Umfasst den größten Teil des Workshops. Angedacht ist, dass an den Tagen Montag bis Donnerstag die einzelnen Beispiele vorgestellt werden. Hierbei steht so viel Material zur Verfügung, dass einzelne Übungen ausgelassen werden können und Übungen, die von größerem Interesse sind, verstärkt behandelt werden können. U.U. können die Übungen auch individuell ausgewählt werden. WORKBENCH: Umfasst den kleinere Teil des Workshopsund ist für den Freitag vorgesehen. Dieser Programmteil wird zum erstem Mal vorgestellt, von daher muss auch die Arbeitsweise hier erprobt werden. Arbeitseinheiten: Vormittags Nachmittags 9:00 bis 12:15 Uhr, incl. Frühstückspause 13:15 bis 16:30 Uhr, incl. Kaffeepause Dies entspricht 40 Unterrichtseinheiten, d.h. 30 Zeitstunden. Soziales: Um auch die sozialen Kompetenzen des angehenden Ingenieurs zu schulen 1, soll an einem Abend etwas gemeinsam unternommen werden. Genaueres wird am erstem Workshoptag besprochen. Anregungen werden gerne entgegen genommen. 1.2 Weitere Hinweise zu Informationsquellen Nachfolgend noch einige Hinweise zur Informationsbeschaffung. Über weitere Tipp s, um die Liste zu ergänzen, würden wir uns freuen. Eine Sammlung an Tutorials, zu denen auch die Eingabe-Datei zur Verfügung steht findet sich von der University of Alberta (UofA) unter: 1 grins

8 2 Vorab Eine deutschsprachige Sammlung mit Erläuterungen zu vielen Befehlen wird von der Fachhochschule Osnabrück bereitgestellt und findet sich unter: moehlenkamp/downloads/handbuch/ansys2.pdf Das wohl größte deutschsprachige Forum zu CAD und FEM: Eine weitere gute Informationsquelle im Internet, ggf. eher für Fortgeschrittene: Beispiele zu ANSYS und WORKBENCH aus den Kursen der PennState. Auch Infos zum Geometrie-Daten-Import: ANSYS-Tutorials die vom Herstellers bereitgestellt werden und bei der Installation der Software mit kopiert werden, finden sich unter: GRAFISCHE OBERFLÄCHE Help Topics ANSYS Release... Documentation ANSYS Tutorials Im Ansys ANSYS Verification Manual finden sich viele Beispiele, zu denen zum einem die Eingabe-Datei zur Verfügung steht und zum anderem eine wissenschaftliche Referenz angegeben ist. Hier sind veröffentliche Beispiele mit AN- SYS zum Vergleich berechnet worden. Unter: GRAFISCHE OBERFLÄCHE Help Topics ANSYS Release... Documentation ANSYS Verification Manual Zum Umgang mit WORKBENCH findet sich im Netz der Demo-Room. Hier kann man sich in Filmen anschauen, wie erfahrene Mitarbeiter Beispiele mit WORKBENCH bearbeiten: www-harwell.ansys.com/demoroom Als deutschsprachige Literatur empfiehlt sich die Reihe: FEM für Praktiker in vier Bänden. Hier werden sowohl Grundlagen erläutert als auch Beispiele vorgestellt. Band 1: Grundlagen, vgl. [4] Band 2: Strukturdynamik, vgl. [7] Band 3: Temperaturfelder, vgl. [3] Band 4: Elektromagnetische Felder, vgl. [6]

9 1.3 Software Ein kleiner Überblick 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 [1] 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 Preund Postprozessor Patran (oder auch Hypermesh) verwendet werden. Marc wird häufig bei nichtlinearen Aufgaben verwendet. ANSYS - ANSYS INC.: Hier im Workshop vorgestellt. Multi-Purpose-Programm mit Pre- und Postprozessor. 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 Postprozessor 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 CAD-Programm SolidWorks. PRO/MECHANICA - PTC (PRO/ENGINEER: Programm zur FE-Analyse, welches auf der p-methode basiert. Dadurch gut auch für nicht FE-Spezialisten zu verwenden. Zusätzlich finden sich viele Programme, die im Baubereich üblich sind, sehr weit verbreitet ist hier z.b. SOFISTIC. Ferner finden sich Spezialprogramme wie z.b. LS-DYNA oder MOLDFLOW. CAD-Programme: Neben den im Bauwesen üblichen CAD-Programmen sind im Ingenieurswesen 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

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11 2 ANSYS-Classic Im erstem Teil dieses Workshops wird anhand von Beispielen, der Einstieg in den praktischen Umgang mit ANSYS CLASSIC ermöglicht. Es soll geholfen werden, die erste Hürde zu überspringen. Hauptaugenmerk wird hierbei auf das Preprocessing und den Lösungsteil gelegt; die Motivation viele bunte Bilder zu erzeugen, kommt dann oft wie von selbst. Die Eingabe-Dateien der einzelnen Beispiele werden im Workshop auch als Soft- Copy bereitgestellt. Es wird dringend empfohlen, diese durch eigene Kommentarzeilen zu ergänzen. Dies erleichtert das spätere Nacharbeiten. Bei den hier vorgestellten Beispielen werden nach und nach weitere Aspekte und Arbeitsweisen der praktischen Arbeit mit ANSYS CLASSIC hinzugenommen. Vereinzelt ist es hierbei unvermeidlich, dass noch nicht Angesprochenes benötigt und somit verwendet wird - eine Erläuterung wird zu einem späterem Zeitpunkt gegeben. Die Bearbeitung der Abschnitte erfolgt in zwei Schritten: 1. Besprechen des jeweiligen Beispieles: Vorstellen der Problemstellung Besprechen der hier neuen Aspekte Übertragen auf die ANSYS-Eingabe, d.h. besprechen der APDL Kommandos Einlesen, bzw. stückweise Einlesen der Befehle; u.u. ergänzendes Arbeiten mit der grafischen Oberfläche 2. Bearbeitung der zugehörigen Übungsaufgabe: Vorstellen der Problemstellung Selbständiges Bearbeiten der Übung mit entsprechender Hilfestellung 2.1 Allgemeine Informationen zu ANSYS CLASSIC Grundsätzliche Gliederung einer Berechnung: Eine einfache ANSYS-Berechnung läuft normalerweise in den folgenden Schritten ab: Preprocessing: Geometrieerzeugung, Vernetzen, Auflager und Lasten - der Preprocessor wird über /prep7 gestartet.

12 6 ANSYS-Classic Solution: Lösungsprozess - des Lösungsteil wird über /solu gestartet. Postprocessing: Ergebnisausgabe und Darstellung - der Postprocessor wird über /post1 gestartet 1. Voreinstellungen: Nachdem ANSYS gestartet wurde und kein Standardverzeichnis festgelegt wurde sollte direkt Jobname, Directory und Title kontrolliert werden und ggf. wie gewünscht gesetzt werden. Dies kann recht einfach über die grafische Oberfläche erfolgen. GRAFISCHE OBERFLÄCHE file Change Jobname... oder Change Directory... oder Change Title... ANSYS Product Launcher: Dieser kann über GRAFISCHE OBERFLÄCHE Start Programme Ansys... gestartet werden. Hier lassen sich grundsätzliche Einstellungen zu jedem Projekt anlegen. Z.B. auch das Working Directory und der Job Name. Außerdem lässt sich hier der für ANSYS bereitgestellte Speicherplatz verwalten. Für unsere Zwecke kann hier zuerst das Default Memory Model verwendet werden. Output-Fenster: Dieses wird direkt beim Start von ANSYS geöffnet. Beim Schließen dieses Fensters wird ANSYS ebenfalls beendet. Im Fenster wird angezeigt: Alle eingegebenen Befehle Warnungen und Fehlermeldungen Informationen zum Modell in der Lösungsphase Oft bietet es sich an, dieses Fenster zumindest einige Zeilen groß auf dem Bildschirm sichtbar zu haben. Zwischenspeichern: Hier sei kurz darauf aufmerksam gemacht, dass ANSYS über keinen Undo-Button verfügt. Von daher ist 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 2 erzeugt. GRAFISCHE OBERFLÄCHE file Save as Jobname.db oder Save as... 1 Es stehen noch weitere Postprocessoren für bestimmte Anwendungen zur Verfügung. Hierauf wird an den entsprechenden Stellen eingegangen. 2 db für database

13 2.1 Allgemeine Informationen zu ANSYS CLASSIC 7 ANSYS Datenbasis und Dateien: Zum einen erzeugt ANSYS automatisch einige Dateien und zum anderem lassen sich verschiedene Dateien erzeugen, die später verwendet werden können. Nachfolgend eine kompakte Zusammenstellung: jobname.db: Enthält die gesamte Datenbasis des Modells 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 Zu beachten ist bei allen Dateien, dass diese aufwärtskompatibel sind, jedoch nicht abwärtskompatibel. Befehlseingabe: Die Befehlseingabe ist bei ANSYS auf verschiedene Arten möglich. Hier im Workshop werden im Wesentlichen drei Möglichkeiten verwendet: Eingabe über die Kommandozeile Einlesen einer Eingabe-Datei Über die grafische 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 Workshop wird besonderer Wert darauf gelegt, dass die Kommandos direkt in APDL erlernt werden können. APDL hat Ähnlichkeit zu FORTRAN. 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.

14 8 ANSYS-Classic 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 Teile. Eine kleine Verwechslung mit großer Wirkung... Die Eingabe von Zehner-Potenzen erfolgt in der Art (Zahl)*10**(Potenz) oder in der Art (Zahl)e(Potenz) Zeilen, die mit einem! beginnen werden nicht eingelesen, d.h. es handelt sich um Kommentarzeilen. Wird im Laufe einer Zeile ein! gesetzt, 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, aber birgt 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 [N/m 2 ]. Da kann sich schnell der Faktor 100 einschleichen.... In Abschnitt 2.12 ist hierzu auch eine entsprechende Tabelle angegeben. 2.2 Ein erstes Beispiel Der in Abbildung 2.1 dargestellte Rahmen soll für die in der Tabelle angegebenen Parameter berechnet werden. Hierbei wird sowohl mit der grafischen Oberfläche als auch mit der Eingabe-Datei gearbeitet. Dieses Beispiel ist bewusst so gewählt, dass am Ende die im Bauwesen gewohnten N, V, M-Verläufe und die Verschiebungsfigur zu sehen sind. sin α 0.6 [ ] h 5.0 [m] E-Modul [kn/m 2 ] l 8.0 [m] Querschnittsfläche [m 2 ] I y [m 4 ] Profilhöhe 0.1 [m] ν 0.3 [-] Elementgröße 1.0 [m] P 5 [kn] Eingabe-Datei: Häufig wird beim praktischem Umgang mit ANSYS mit Eingabe- Dateien gearbeitet, d.h. die Befehlsfolge wird in eine Text-Datei geschrieben, die dann später eingelesen werden kann 3. So können häufig verwendete Befehlsfolgen separat 3 Es können verschiedene Dateitypen eingelesen werden, hier wird eine Text-Datei des Typs Dateiname.txt verwendet

15 2.2 Ein erstes Beispiel 9 α P h l Abbildung 2.1: Eingespannter Rahmen mit Einzellast gespeichert und eingelesen werden. Auch ist die Arbeit mit der grafischen Oberfläche oft mühselig. Das Einlesen kann über die grafische Oberfläche gestartet werden: GRAFISCHE OBERFLÄCHE file read input from... Beendet werden kann der Einlesevorgang indem in der Eingabe-Datei der folgende Befehl geschrieben wird: SYNTAX /eof 4 Session Editor: Für den späteren praktischen Umgang mit ANSYS ist der Session Editor oft sehr praktisch. Wird die grafische Oberfläche verwendet, erzeugt ANSYS alle Befehle im Hintergrund. Diese so erzeugte Befehlsfolge wird im Session Editor aufgezeigt und kann angezeigt werden. So können unbekannte Befehle gefunden und später verwendet werden. 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 4 eof für end of file

16 10 ANSYS-Classic ANSYS-Eingabe zum erstem Beispiel 01! ! Eingespannter Rahmen mit Einzellast 03! ! Starten Preprocessors 06 /prep ! Erzeugen Keypoints 09 k,1,0,0 10 k,2,0,5 11 k,3,8,5 12 k,4,8, ! Erzeugen Linien 15 l,1,2 16 l,2,3 17 l,3, ! Elementtyp festlegen und Opt. Ergebnisausgabe 20 et,1,3 21 keyopt,1,6,1 22 keyopt,1,9, ! Material- und Profileigenschaften 25 mp,ex,,2.1*10**8 26 mp,prxy,, r,,5*10**(-3),35*10**(-6),0.1, ! Elementgröße und Vernetzen 30 esize,1 31 lmesh,all 32 33! Auflager (Der nsel-bef. wird später erläutert) 34 nsel,s,loc,y,0 35 d,all,all 36 nsel,all 37 38! Kräfte 39 nsel,s,loc,x,0 40 nsel,r,loc,y,5 41 f,all,fx,4 42 f,all,fy,-3 43 nsel,all 44 45! Beenden Preprocessors und starten Lösungsteil 46 finish 47 /solu 48 49! Lösen 50 solve 51 52! Beenden Lösungsteil und starten Postprocessor 53 finish 54 /post ! Schreiben Elementergebnisse in Tabelle 57 etable,ni,smisc,1 58 etable,nj,smisc,7 59 etable,vi,smisc,2 60 etable,vj,smisc,8 61 etable,moi,smisc,6 62 etable,moj,smisc, ! Definieren Fenster für Ergebnisausgabe 65 /wind,all,off 66 /wind,1,ltop 67 /wind,2,rtop 68 /wind,3,lbot 69 /wind,4,rbot 70 71! Allgemeine plot-optionen 72 gplot 73 74! Ausgabe der Verformung, N,Q und M-Linien 75 /gcmd,1,pldisp,1 76 /gcmd,3,plls,ni,nj 77 /gcmd,2,plls,vi,vj 78 /gcmd,4,plls,moi,moj 79 /replot Übung zu Beispiel 1 Der in Abbildung 2.2 gezeigte Biegebalken mit Einzellast soll für P = 2 [kn] und l = 2 [m] berechnet werden. Gehen Sie hierbei wie folgt vor: P l Abbildung 2.2: Biegebalken mit Einzellast Schreiben Sie eine Eingabedatei in der alle benötigten Keypoints und Linien erzeugt werden. Legen Sie hier auch die benötigten Profil- und Materialeigenschaften sowie den Elementtyp fest. Abschließend soll vernetzt werden.

17 2.3 Direkte Generierung 11 Wechseln Sie zur Eingabe über die grafische Oberfläche. Bringen sie die Auflagerreaktionen sowie die Einzellast auf. Der Befehl zum Lösen kann wahlweise über die grafische Oberfläche oder direkt über die Kommandozeile erfolgen. Stellen Sie die Schnittgrößenverläufe am Bildschirm dar. Hierzu können Sie den letzten Teil der Eingabedatei aus dem vorangegangenem Beispiel verwenden, oder diese über die grafische Oberfläche erzeugen; vgl hierzu auch Tutorials University of Alberta, Bicycle-Frame 5. Hinweise: Die Einzellast soll genau in Feldmitte angreifen. Welche Möglichkeiten bestehen dies zu erzwingen? Die Selektionsbefehle sollen hier noch nicht verwendet werden, diese werden später ausführlich erläutert. Für Fortgeschrittene: Verwenden Sie für die Modellierung beam188 Elemente Machen Sie sich hierbei mit den Befehlen secdata etc. vertraut 2.3 Direkte Generierung Das in Abschnitt 2.2 behandelte Beispiel wurde über die Methode des Solid-Modeling erzeugt, d.h. es wurde zuerst eine Geometrie erzeugt, die dann vernetzt und berechnet wurde. In dem nachfolgendem Beispiel sowie der anschließenden Übungsaufgabe werden im Gegensatz dazu die Elemente direkt erzeugt, d.h. ohne vorherige Geometrieerstellung man spricht daher von direkter Generierung. Diese Methode ist oft sehr hilfreich, wenn kleinere Proberechnungen mit exakter Elementgeometrie gemacht werden sollen, oder wenn bestimmte Teile des Modells exakt vernetzt werden müssen, vgl hierzu auch [4] Seite 261 f. Der in Abbildung 2.3 gezeigte Patch-Test ist in Anlehnung an [8] entstanden. In dem nachfolgendem Beispiel wird dieser für den ebenen Spannungszustand durchgeführt. Dies ist ein klassisches Beispiel für direkte Generierung. Die Knotenkoordinaten und Materialparameter können der Eingabe-Datei entnommen werden. 5 Im Internet unter:

18 12 ANSYS-Classic k7 k8 k9 P e2 e3 k4 k5 k6 2 P e1 e4 k1 k2 k3 P Abbildung 2.3: 4-Element Patch Test ANSYS-Eingabe 4-Element Patch Test 01! ! 4-Element Patch Test 03! /prep ! Elementtyp Material, Real Constants 08 mp,ex,1, mp,prxy,1, et,1,42,,,3 11 r,1, ! Erzeugen der Knoten 14 n, 1, 0.0, n, 2, 4.0, n, 3, 10.0, n, 4, 0.0, n, 5, 5.5, n, 6, 10.0, n, 7, 0.0, n, 8, 4.2, n, 9, 10.0, 10, ! Erzeugen der Elemente 25 e, 1, 2, 5, 4 26 e, 2, 3, 6, 5 27 e, 4, 5, 8, 7 28 e, 5, 6, 9, ! Auflager 31 d,1,ux 32 d,1,uy 33 d,4,ux 34 d,7,ux 35 36! Knotenkräfte 37 f,3,fx, f,6,fx, f,9,fx, finish 42 /solu 43 44! Lösen 45 solve finish Element-Typen: ANSYS verfügt über verschiedene Elemente, die auch zusammen in einem Modell verwendet werden können. Alle zu den Elementen benötigten Informationen finden sich in der Element Library. Diese kann wie folgt aufgerufen werden: GRAFISCHE OBERFLÄCHE Help Help Topics ANSYS Release... Documentation ANSYS Element Reference Element Library Oder, sofern das zu verwendende Element bekannt ist, kann auch die Befehlszeile verwendet werden: SYNTAX help, Elementname

19 2.3 Direkte Generierung 13 FE und Geometriegrößen: Zur Durchführung der eigentlichen FE-Berechnung werden im wesentlichen Knoten, Elemente und Materialdaten benötigt. Dieses sind die FE- Größen. Bei der Verwendung des Programms wird dies oft nicht deutlich, da normalerweise die Geometriegrößen wie Linien, Flächen, etc. erzeugt werden. Werden jetzt Linien eingespannt oder Flächen mit einem Druck belastet, wird dies programmintern auf die FE-Größen umgerechnet. Ähnliches gilt auch für das Postprocessing. D.h. die im Berechnungsablauf verwendeten Größen sind die FE-Größen. Real-Constant-Sets: Jeder Elementtyp benötigt einen bestimmten Satz am Konstanten, z.b. wurde bei dem Beispiel in Absatz 2.2 für das Element beam3 die Querschnittsfläche, Trägheitsmoment I y, die Höhe und die Angabe, dass schubstarr gerechnet werden soll, eingegeben. Es ist möglich, verschieden Real-Constant-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. SYNTAX r,id-nummer,real-constant 1,...,Real-Constant 6 List und Plot Befehle: Oft ist zur Kontrolle gewünscht, die erzeugten (oder aktiven) Modellteile aufzulisten oder am Bildschirm anzeigen zu lassen. Dies ist oft schnell und einfach über die Befehlszeile möglich. Diese Befehle weisen eine Systematik auf, die in den nachfolgenden Tabellen aufgezeigt wird. 1. Kürzel Englisch Bedeutung k... keypoint Geometriepunkt l... line Linie a... area v... volume Volumen n... node Knoten e... element Element all... all Alles (nicht immer möglich) 2. Kürzel Englisch Bedeutung...plot plot Bildschirmdarstellung...list list Auflisten... erweiterbare Systematik D.h. mit dem nachfolgendem Befehl werden alle (aktiven) Elemente aufgelistet und in einem separatem Fenster am Bildschirm angezeigt:

20 14 ANSYS-Classic SYNTAX elist Wird zusätzlich gewünscht, dass am Bildschirm die Nummer der Einheit angezeigt werden soll, kann dies über den folgenden Befehl erfolgen. SYNTAX /pnum, Einheit, Schlüssel Diese Befehle sind im Postprocessor /post7 zu verwenden; Oft ist ein /replot- Befehl erforderlich, um die Anzeige zu aktivieren. Übung 2 - Kombination von Scheiben- und Balkenelement Das in Abbildung 2.4 dargestellte System soll berechnet werden. Vorab wurde entschieden, dass plane42 und beam3 Elemente zu verwenden sind. P Scheibenelemente plane42 Balkenelemente beam3 Abbildung 2.4: Übung 2: Kombination von Scheiben- und Balkenelement Vorgehensweise Schreiben Sie eine Eingabe-Datei (Kommentare helfen beim späteren Verständnis! Eine grafische Struktur verbessert die Lesbarkeit erheblich!) Definieren Sie zuerst alle Elementtypen, Material- und Real-Constant- Sets; verwenden Sie hierzu eine sinnvolle Systematik. Definieren Sie alle Knoten Aktivieren Sie die benötigten Eigenschaften mit type, mat, real, bevor Sie die Elemente erzeugen Falls notwendig, koppeln einiger Knoten Bringen Sie die Auflager und die Belastung auf; Lösen.

21 2.4 Kragarm mit veränderlicher Höhe verschiedene Elementtypen 15 Hinweise: Wählen Sie sinnvolle Abmessungen und Materialparameter. Die Scheibe und der Balken sollen aus einem Material bestehen, d.h. es soll nur ein Material-Set definiert werden. Beachten Sie die Freiheitsgrade, die das plane42 und beam3 haben. Siehe hierzu [4], Seite 206f; Stichwort: Constraint Equations. Was würde sich verändern, wenn beam4 und shell63 Elemente verwendet würden? 2.4 Kragarm mit veränderlicher Höhe verschiedene Elementtypen Der in Abbildung 2.5 gezeigte Kragarm mit veränderlicher Höhe soll berechnet werden. Die Analyse soll mit verschiedenen Elementtypen durchgeführt werden und jeweils die Verschiebung in y-richtung am Lastangriffspunkt verglichen werden. Die Geometrie und Materialdaten sind wie folgt festgelegt: Länge 100 [cm] E-Modul [kn/cm 2 ] H 1 (Einspannung) 12,5 [cm] ν 0,3 [ ] H 2 (Lastangriffspunkt) 2,5 [cm] P 10 [kn] Dicke 0,5 [cm] Für eine erste Berechnung wurden shell63-elemente mit 3 Knoten gewählt. Anschließend wurde eine Gegenrechnung mit beam3-elementen gemacht. Da diese nur eine konstante Höhe zulassen, wurde die Elementhöhe zum jeweiligen Mittelwert gewählt. Beide Diskretisierungen sind in Abbildung 2.5 dargestellt 6. Elementtypen: ANSYS stellt viele verschiedene Elementtypen zur Verfügung. Diese sind mit der historischen Entwicklung entstanden. Nach Stand der Forschung werden weitere Elemente entwickelt und im Programm umgesetzt, wobei die bereits im Programm implementierten erhalten bleiben. Hier ist es dem Anwender überlassen den richtigen Elementtyp für seine Berechnung zu wählen. Nachfolgend der Versuch eine Übersicht von Elementtypen, die in der Strukturmechanik verwendet werden, zusammenzustellen. Hierbei sind die unterstrichenen Elemente bevorzugt zu verwenden. 6 Übrigens: wird die kritische Beullast berechnet, wird ein Wert in der Größenordnung von 0,99 [kn] ermittelt :)

22 16 ANSYS-Classic y P x Mit shell63-elementen vernetzter Kragarm Mit beam3-elementen vernetzter Kragarm Abbildung 2.5: Kragarm mit veränderlicher Höhe Typ Elemente 2D-Balkenelement beam3 3D-Balkenelement beam4, beam44, beam188, beam189 Scheibenelement plane42, plane182 Schalenelement shell63, shell 181 3D-Element solid45, solid 185 Schleifen, der *do-befehl: Viele Aufgaben lassen sich mit Hilfe von Schleifen einfacher erledigen. Beispiele hierfür sind: Ein Befehl muss in regelmäßigen Abständen benutzt werden. Eine Parameterstudie soll durchgeführt werden. Die Syntax des *do-befehls ist recht einfach gehalten: SYNTAX *do, Laufparameter, Anfangswert, Endwert, Inkrement Anweisungsteil *enddo Wobei der Anfangswert auch gleich dem Endwert sein darf, d.h. die Schleife wird genau einmal durchlaufen.

23 2.4 Kragarm mit veränderlicher Höhe verschiedene Elementtypen 17 ANSYS-Eingabe Kragarm mit veränderlicher Höhe, shell63-elemente, 3 Knoten 01! ! Kragarm mit veränderlicher Höhe 03! mit 3 Knoten shell63 Elementen (20 Elementen) 04! realisiert. 05! /prep ! Elementtyp und Materialeigenschaften 10 et,1,63! shell63 11 r,1,0.5! Dicke 12 mp,ex,1,21e3! [kn/cm^2] 13 mp,prxy,1,0.3! [-] 14 15! Erzeugen der Knoten 16 *do,i,1,(10+1),1 17 n,i,(i-1)*100/10,(-12.5/2)+(i-1)*5/10 18 *enddo *do,j,1,(10+1),1 21 n,j+100,(j-1)*100/10,(12.5/2)-(j-1)*5/10 22 *enddo 23 24! Erzeugen der Elemente 25 *do,k,1,10,1 26 e,k,k+1,100+k 27 e,100+k,k+1,100+1+k 28 *enddo 29 30! Auflager und Last 31 nsel,s,loc,x,0 32 d,all,all 33 nsel,all 34 f,10+1,fy,-(10/2) 35 f, ,fy,-(10/2) finish 38 /solu 39 solve 40 finish ANSYS-Eingabe Kragarm mit veränderlicher Höhe, beam3-elemente 01! ! Kragarm mit veränderlicher Höhe 03! mit beam3-elementen, berechnet (20 Elemente) 04! Die Querschnittswerte werden aus der durch- 05! schnittlichen Elementhöhe ermittelt 06! /prep ! Elementtyp und Materialeigenschaften 11 et,1,3! beam3 12 mp,ex,1,21e3! [kn/cm^2] 13 mp,prxy,1,0.3! [-] 14 15! Erzeugen der real-constant-sets 16 *do,n,1,20,1 17 r,n,( n*0.5)*0.5, (Forts.) 1/12*0.5*( N*0.5)**3, (Forts.) ( N*0.5),0 18 *enddo 19 20! Erzeugen der Knoten 21 *do,i,1,(20+1),1 22 n,i,(i-1)*100/20,0 23 *enddo 24 25! Erzeugen der Elemente 26 *do,j,1,20,1 27 real,j 28 e,j,j+1 29 *enddo 30 31! Auflager und Last 32 d,1,all 33 f,20+1,fy, finish 36 /solu 37 solve 38 finish Übung 7 - Kragarm mit veränderlicher Höhe, verschiedene Elemente Der in Abbildung 2.6 gezeigte Kragarm mit veränderlicher Höhe soll jetzt mit weiteren Elementtypen berechnet werden. Wählen Sie hierzu die in der Skizze dargestellten Diskretisierungen. Was passiert, wenn hier anstatt der direkten Generierung, ein Solid Modell erzeugt wird, und dann von ANSYS ohne weitere Vorgaben direkt vernetzt wird? Nachfolgend findet sich eine mögliche Eingabe. Dies kann jedoch nicht als allgemein gültige Regel gelten - selbst nachdenken ist schon noch gefragt...

24 18 ANSYS-Classic Vernetzung plane182-elemente Vernetzung beam44-elemente Vernetzung shell63-elemente Abbildung 2.6: Netze und Elementtypen zur Berechnung Kragarm ANSYS-Eingabe Solid Modelling Kragarm mit veränderlicher Höhe 01! ! Kragarm mit veränderlicher Höhe 03! Solid Modelling 04! /prep ! Elementtyp und Materialeigenschaften 09 et,1,63! shell63 10 r,1,0.5! Dicke 11 mp,ex,1,21e3! [kn/cm^2] 12 mp,prxy,1,0.3! [-] 13 14! Erzeugen der Fläche und Vernetzen 15 k,1,0,-12.5/2 16 k,2,100,-2.5/2 17 k,3,100,2.5/2 18 k,4,0,12.5/ a,1,2,3,4 21 amesh,all 22 23! Auflager und Last 24 nsel,s,loc,x,0 25 d,all,all 26 nsel,all 27 nsel,s,loc,x, nsel,r,loc,y,2.5/2 29 f,all,fy, nsel,all 31 /eof 32 finish 33 /solu 34 solve 35 finish 2.5 2D-Struktur, Platte Die in Abbildung 2.7 gezeichnete Platte wird vernetzt, anschließend flächenhaft belastet und berechnet. Die Fläche wird nicht zusammenhängend erzeugt, sondern aus sich überschneidenden Teilflächen, die später addiert werden, zusammengesetzt. Hierbei entsteht versehentlich eine Restfläche, die das Vernetzen erschwert. Die Geometrieerzeu- Erzeugen, Modifizieren und Löschen von Geometriegrößen: gung erfolgt von unten nach oben, d.h. in der Reihenfolge: Keyponits, 0. Ordnung

25 2.5 2D-Struktur, Platte 19 Erzeugte Teilflächen Durch den aadd,all-befehl entstandene Fläche Gewünschte Fläche Abbildung 2.7: 2D Struktur Platte Linien (line) zwischen Keypoints, 1. Ordnung Flächen (area) werden von Linien berandet, 2. Ordnung Volumen (volume) werden von Flächen berandet, 3. Ordnung Somit kann eine Linie nur zwischen zwei Keypoints entstehen und eine Fläche ist immer von Linien berandet. Wird durch einen Befehl automatisch eine Geometrie höherer Ordnung erzeugt, werden im Hintergrund alle darunter liegenden Geometrieteile mit erzeugt. Z.B. wird durch den Befehl rectng eine rechteckige Fläche erzeugt, werden direkt Linien und Keypoints mit erzeugt. Mal eben diese Linie ändern... E N V Schade... (Vorher gespeichert?) A L KP L KP A N V E Abbildung 2.8: Ändern von Geometriegrößen

26 20 ANSYS-Classic Soll andererseits ein Teil der Geometrie modifiziert werden, müssen alle damit verbundenen Teile ebenfalls angepasst werden. Hierbei ist zu beachten, dass die FE-Größen oft ebenfalls auf dem Geometriegrößen aufbauen. In Abbildung 2.8 ist schematisch gezeigt, was beim modifizieren von einer Linie passieren kann. Diese Zeichnung ist in Anlehnung an [4] Seite 334ff entstanden. Beim Löschen von Geometrieteilen kann i.d.r. entschieden werden, was mit den darunter liegenden Einheiten passieren soll; ob diese ebenfalls gelöscht werden oder ob sie erhalten bleiben. Selektionsbefehle: Oft wird gewünscht, nur Teile des Modells am Bildschirm darzustellen oder nur Bereiche zu bearbeiten. Hierzu bietet ANSYS die Möglichkeit Modellteile passiv zu schalten. Diese passiven Teile werden bei allen folgenden Befehlen nicht mehr berücksichtigt, bis sie wieder aktiviert werden. Das Aktiv- und Passivschalten erfolgt häufig über die Selektionsbefehle. In dem hier bearbeiteten Beispiel wurden z.b. in den Zeilen 41, 42 nur einige Linien aktiviert, vgl: SYNTAX lsel,s,loc,x,0 lsel,a,loc,x,6.75 Die Selektionsbefehle sind nach einer ähnlichen Systematik aufgebaut, wie in Abschnitt 2.3 beschrieben. Eine Übersicht der Befehle findet sich unter: GRAFISCHE OBERFLÄCHE Help Help Topics ANSYS Release... Documentation Basic Analysis Procedures Guide Selecting and Comp. Bei der Verwendung der Selektionsbefehle ist oft die richtige Strategie entscheidend, um effektiv ans Ziel zu gelangen. Auch ist gut zu überlegen, ob die verwendete Systematik auch bei veränderter Geometrie funktioniert. Beim Auflisten, Anzeigen und insbesondere beim Berechnen werden nur die aktiven Teile des Modells berücksichtigt! Also stellen Sie sicher, dass genau der benötigte Teil aktiv ist! Oft hilft am Ende ein Xsel, all bzw. ein alls um die entsprechenden Teile zu aktivieren. Hinweis: Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, Teile des Modells in Gruppen zusammen zu fassen. Dieser Aspekt wird hier nicht behandelt. Boolesche Operatoren: Wird die Methode des Solid Modeling verwendet, lassen sich viele Geometrien einfacher mittels Boolescher Operatoren erzeugen, vgl. hierzu auch [4] Seite 294 ff. Gemeint ist hiermit das Verschneiden, Addieren, Subtrahieren, Überlappen, Zusammenfügen und Verschmelzen von Geometrieteilen. Im vorgestelltem Beispiel werden die Flächen z.b. mit dem Befehl aadd addiert. Was würde passieren, wenn der Befehl in Zeile 35 aadd, all durch aovlap, all (überlappen)

27 2.5 2D-Struktur, Platte 21 ersetzt würde? Eine ausführliche Dokumentation findet sich unter: GRAFISCHE OBERFLÄCHE Help Help Topics ANSYS Release... Documentation APDL Model. and Mesh. Guide Solid Modeling Sculpting Your Model with Boolean Operations Ähnlich wie beim Selektieren ist auch bei der Verwendung der Booleschen Operatoren die richtige Strategie entscheidend. Weitere interessante Aspekte bei der Verwendung von Booleschen Operatoren sind: Welche Geometrieteile erhalten und welche gelöscht werden. Ob an den Grenzen die Geometrie geteilt wird oder ob doppelte Geometrie erzeugt wird. Welche Nummerierung nach der Operation vorliegt. Funktionen: Oft ist es notwendig, Werte während der Eingabe zu berechnen. Neben den üblichen Operationen stehen hierzu vordefinierte Funktionen zur Verfügung. Eine Auflistung dieser sogenannten Parametric Functions findet sich unter: GRAFISCHE OBERFLÄCHE Help Help Topics ANSYS Release... Documentation APDL Programmer s Guide Using Parameters Sub. of Numeric Para. Values Parametric Functions Automatisches Vernetzen von Flächen: Das hier behandelte Beispiel ist speziell so ausgelegt, dass beim automatischem Vernetzen der Fläche ein eher unregelmäßiges Netz entsteht. Probleme dieser Art entstehen recht häufig, z.b. durch fehlerhaft erzeugte Geometrien, schlecht ausgeführte Boolesche Operatoren andere ungenaue Daten, die aus einem Zeichenprogramm übertragen wurden. Welche Systematik wird von ANSYS beim Vernetzen von Flächen verwendet? Alle an eine Fläche angrenzende Linien werden abhängig von der Länge in annähernd gleich lange Abschnitte unterteilt. Diese Vorvernetzung wird dann vom Rand in die Fläche ausgedehnt. Das Unterteilen der Linien kann manuell mit den Befehlen esize und lesize vorgenommen werden, wobei lesize auch die Möglichkeit bietet, die Anzahl festzulegen. Dies ist oft wichtig, wenn regelmäßige Netze gewünscht werden, aber unterschiedlich lange Seiten vorliegen. Eine Übersicht zum Vernetzen findet sich unter: GRAFISCHE OBERFLÄCHE Help Topics ANSYS Release... Documentation Modeling and Meshing Guide Generating the Mesh

28 22 ANSYS-Classic Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Vernetzung von Flächen oder Volumen ist, ob free oder mapped meshing verwendet wird. Bei 2D-Strukturen versteht man hierunter: mapped meshing 7 ausschließlich vierkantige Elemente, d.h. regelmäßiges Netz free meshing 8 vierkantige Elemente, aber auch dreikantige Elemente sind zugelassen In der Strukturmechanik werden i.d.r. Vierkantige Elemente bevorzugt. Das Vernetzen mit diesen ist jedoch erheblich aufwendiger. Eine Kontrolle, ob free oder mapped meshing verwendet wird, kann z.b. über mshape oder mshkey erfolgen. Um die Güte eines Netzes im erstem Schritt zu beurteilen gilt: Einfache Kontrolle: Ein Netz ist gut, wenn es gut aussieht 9 Auch hier noch einmal der Hinweis: Eine gute Strategie beim Vernetzen hilft enorm weiter. Oft lassen sich mehrere kleinere Flächen besser und gleichmäßiger vernetzen als eine große Fläche. Fehlerabschätzung: Um die Güte eines Netzes auch numerisch beurteilen zu können bietet ANSYS die Möglichkeit zur Fehlerabschätzung nach der Berechnung. Hierdurch lassen sich besonders schlechte Elemente finden und das Netz ggf. anpassen. GRAFISCHE OBERFLÄCHE General Postproc Plot Results Contour Plot Element Solu Error estimation Auch die Warnungen bezüglich Shape testing dürfen kontrolliert werden, um dann das Netz entsprechend anzupassen. Lokale, manuelle Netzverfeinerung: Das Anpassen eines Netzes kann z.b. über eine lokale Netzverfeinerung erfolgen. Diese Möglichkeit ist z.b. in der ergänzten Eingabe- Datei in den Kommentarzeilen 45 bis 47 beschrieben. Diese Zeilen können eingelesen werden. SYNTAX nrefine, von, bis, Schrittweite, Stärke, Tiefe, Nachbearbeiten, Netzart 7 In 3D werden beim mapped meshing Quader erzeugt, vgl. hierzu auch Abschnitt In 3D werden ausschließlich Tetraeder verwendet, hier kann gut Element 187 verwendet werden, dies ist ein Element mit Mittelknoten 9 Natürlich mit allen vorbehalten - aber zur ersten Kontrolle allemal gut geeignet...

29 2.5 2D-Struktur, Platte 23 ANSYS-Eingabe zu 2D-Struktur, Platte 01! ! 2D-Struktur, Platte 03! /prep !Material, Real Constants und Elementtyp 08 mp,ex,1,0.3*10**8 09 mp,prxy,1, r,1, et,1, !Keypoints 14 k,11,0,3 15 k,12,4.5,3 16 k,13,4.5,6 17 k,14,0, k,21,3.75,0 20 k,22,6.75,0 21 k,23,6.75,6 22 k,24,3.75, k,31,1.691, k,32,4.024, k,33,4.873, k,34,2.539, !Flächen 30 a,11,12,13,14 31 a,21,22,23,24 32 a,31,32,33, ! Addieren der Flächen 35 aadd,all 36 37! Vernetzen, hier ohne Vorgaben 38 amesh,all 39 40! Auflager und Lasten 41 lsel,s,loc,x,0 42 lsel,a,loc,x, dl,all,,all 44 lsel,all 45 sfa,all,1,pres, finish 48 /solu 49 50! Lösen 51 solve Nachfolgend wird eine Möglichkeit aufgezeigt, das Loch zu stopfen. Ferner wird eine Elementgröße vorgegeben, so dass ein besseres Netz entsteht. Es wird beispielhaft aufgezeigt, wie eine lokale Netzverfeinerung durchgeführt werden kann. ANSYS-Eingabe veränderte 2D-Struktur, Platte 01! ! 2D-Struktur, Platte, ergänzt 03! Die zufällig entstandene Öffnung wird mit 04! einer zusätzlichen Fläche abgedeckt. Es wird 05! eine Netzweite vorgegeben. 06! Zusätzlich besteht die Möglichkeit zur 07! lokalen, manuellen Netzverfeinerung. 08! /prep mp,ex,1,0.3*10**8 13 mp,prxy,1, r,1, et,1, k,11,0,3 18 k,12,4.5,3 19 k,13,4.5,6 20 k,14,0, k,21,3.75,0 23 k,22,6.75,0 24 k,23,6.75,6 25 k,24,3.75, k,31,1.691, k,32,4.024, k,33,4.873, k,34,2.539, a,11,12,13,14 33 a,21,22,23,24 34 a,31,32,33,34 35!Fläche, die Öffnung abdekt 36 a,31,32, aadd,all 39 40! Vorgabe einer Netzgröße 41 esize, amesh,all 43 44! Lokale manuelle Netzverfeinerung 45!nsel,s,loc,x,1.6,2.2 46!nsel,r,loc,y,2.8,3.2 47!nrefine,all,,,1,1,clean lsel,s,loc,x,0 50 lsel,a,loc,x, dl,all,,all 52 lsel,all 53 sfa,all,1,pres, finish

30 24 ANSYS-Classic Übung Vernetzen von Scheibe mit runder Öffnung Die in Abbildung 2.9 abgebildete Scheibe mit Öffnung soll zuerst erzeugt und im Anschluss vernetzt werden. Alle Abmessungen sind geeignet zu wählen. So weit wie möglich, soll eine Eingabe-Datei geschrieben werden. Vorgehensweise Geometrieerzeugung: Abbildung 2.9: Scheibe mit runder Öffnung Erzeugen Sie die rechteckige Fläche mit dem Befehl rectng und den Kreis mit dem Befehl circle Verwenden Sie eine Boolesche Operation um die Linie von der Fläche abzuziehen. Löschen Sie die Kreisfläche Vernetzen Überlegen Sie sich eine Strategie zur Vernetzung Falls gewünscht unterteilen Sie die Fläche mittels Boolescher Operatoren in kleinere Segmente (Patches) Vernetzen Sie die Fläche bzw. die Teilflächen

31 2.6 Plastisches Materialverhalten, Symmetriebedingungen 25 Übung Vernetzen einer Platte mit geradlinigem Ausschnitt Die in Abbildung 2.10 abgebildete Platte soll erzeugt und vernetzt werden. Das Netz soll aus annähernd quadratischen Elementen ähnlicher Größe bestehen. Nachträglich soll das Netz an den einspringenden Ecken zweistufig verfeinert werden. Hinweise: Abbildung 2.10: Steffen s Deckenplatte aus dem P1 Schreiben Sie so weit wie möglich eine Eingabe-Datei Überlegen Sie sich zuerst eine Strategie zum Vernetzen und erzeugen Sie danach die benötigte Geometrie Kleinere Flächen mit einfacher Geometrie lassen sich oft besser vernetzen als große Flächen mit komplizierter Geometrie. 2.6 Plastisches Materialverhalten, Symmetriebedingungen Vorgestellt von: Mit freundlicher Unterstützung: Daniel Albrecht Lehrstuhl Mechanik Statik Priv.-Doz. Dr.-Ing. Michael Brünig Mit der in Abbildung 2.11 gezeigte Materialprobe wird ein weggesteuerter Zugversuch durchgeführt. Hierbei wird der Bereich des elastischen Materialverhaltens verlassen, so dass bei der Berechnung plastische Verformungen zu berücksichtigen sind.

32 26 ANSYS-Classic u u Abbildung 2.11: Probenstück Mit der erzeugten Eingabe-Datei sollen später für verschiedene Größen Parameterstudien durchgeführt werden. Dies hat zur Folge, dass viele Berechnungen gemacht werden müssen. Um hierbei den Rechenaufwand zu minimieren, sollen alle möglichen Symmetriebedingungen ausgenutzt werden. Abbildung 2.12 zeigt das in ANSYS erzeugte Model. Die Randbedingungen können der Eingabe-Datei entnommen werden. b 2 b 4 b 2 r 1 l 1 l 2 l 3 Abbildung 2.12: Modelliertes Probenstück unter Ausnutzung der Symmetrie Beim Vernetzen soll insbesondere darauf geachtet werden, dass das verwendete Netz nur vierknotige plane182-elemente enthält. Hierbei muß berücksichtigt werden, dass der Radius r 1 variiert werden soll. Als kleinster Wert soll mit b/4 gerechnet werden. Somit stehen die Materialkante und der Kreisausschnitt zueinander. Um hier ein unregelmäßiges Netz zu vermeiden, wurde die Fläche mit einem Spline geteilt. l ANSYS-Eingabe Plastisches Materialverhalten, Symmetriebedingungen 001! ! Plastisches Materialverhalten, Symmetrie 003! ! Definierte Parameter 005! Längen und Breiten 006 lng = lng1 = lng2 = lng3 = brt = ra1 = ! Elementanzahl in versch. Abschnitten 013 elemanzx = elemanz1 = elemanz2 = elemanz3 = elemanz4 = elemanz5 =10 019! Hilfsparameter Ausschnitt 020 h = (ra1**2-(ra1-brt/4)**2)** ! Nichtlineare Analyse 022 vsch = incre = ! Definierte Materialparameter 025 EMd = Querk = DIK = ! /prep ! Materialeigenschaften elastisch 033 mp,ex,1,emd 034 mp,prxy,1,querk 035 r,1,dik 036 et,1, ! Materialeigenschaften plastisch tb,nliso,1

33 2.6 Plastisches Materialverhalten, Symmetriebedingungen tbtemp,0 042 tbdata,,347,300,125, ! Erzeugen der Grundflächen 045 k,1,0,0 046 k,2,0,lng1 047 k,3,0,lng1+lng2 048 k,4,0,lng1+lng2+lng3 049 k,5,0,lng 050 k,6,brt,lng 051 k,7,brt,lng1+lng2+lng3 052 k,8,brt/2,lng1+lng2 053 k,9,brt/2,lng1 054 k,10,brt/2,0 055 k,11,brt/4+ra1,0! Kreismittelpunkt 056 k,12,-1,2*h! Hilfe Spline l,1,2 059 l,2,3 060 l,3,4 061 l,4,5 062 l,5,6 063 l,6,7 064 spline,7,8,,,,,1,1,0,0,-1,0 065 l,8,9 066 l,9, l,10,1 068 l,2,9 069 l,3,8 070 l,4, lsel,s,loc,y,0,lng1 073 al,all 074 lsel,all 075 lsel,s,loc,y,lng1,lng1+lng2 076 al,all 077 lsel,all 078 lsel,s,loc,y,lng1+lng2,lng1+lng2+lng3 079 al,all 080 lsel,all 081 lsel,s,loc,y,lng1+lng2+lng3,lng 082 al,all 083 lsel,all ! Verengung 086 circle,11,ra1 087 asbl,all,all 088 ksel,s,loc,x,0 089 lslk,s,0 090 asll,s,0 091 asel,inve 092 adele,all,,,1 093 allsel,all,all 094 kdele, ! Hilfsspline zur Vernetzung 097 ksel,s,loc,x,brt/2 098 ksel,r,loc,y,h 099 *get,dummy,kp,0,num,max 100 ksel,all 101 spline,dummy,12,,,,,1,-1,0,-1,0,0 102 ksel,s,kp,,dummy 103 lslk,s,0 104 asll,s,0 105 asbl,all,all 106 asel,all 107 lsel,all ! Vernetzung lsel,s,loc,y,0 112 lsel,a,loc,y,lng1 113 lsel,a,loc,y,lng1+lng2 114 lsel,a,loc,y,lng1+lng2+lng3 115 lsel,a,loc,y,lng 116 lsel,a,loc,y,h,2*h 117 lesize,all,,,elemanzx 118 lsel,all lsel,s,loc,y,0,2*h 121 lsel,u,loc,y,0 122 lsel,u,loc,y,h,2*h 123 lesize,all,,,elemanz1 124 lsel,all lsel,s,loc,y,h,lng1 127 lsel,u,loc,y,h,2*h 128 lsel,u,loc,y,lng1 129 lesize,all,,,elemanz2 130 lsel,all lsel,s,loc,y,lng1,lng1+lng2 133 lsel,u,loc,y,lng1 134 lsel,u,loc,y,lng1+lng2 135 lesize,all,,,elemanz3 136 lsel,all lsel,s,loc,y,lng1+lng2,lng1+lng2+lng3 139 lsel,u,loc,y,lng1+lng2 140 lsel,u,loc,y,lng1+lng2+lng3 141 lesize,all,,,elemanz4 142 lsel,all lsel,s,loc,y,lng1+lng2+lng3,lng 145 lsel,u,loc,y,lng1+lng2+lng3 146 lsel,u,loc,y,lng 147 lesize,all,,,elemanz5 148 lsel,all amesh,all finish 153 /solu antype,static ! Nichtlineare Berechnung 158 nlgeom,on 159 nsubst,incre,incre,incre 160 outres,all,all ! Randbedingungen aus Symmetrie 163 nsel,s,loc,y,0 164 d,all,uy,0 165 nsel,all 166 nsel,s,loc,x,0 167 d,all,ux,0 168 nsel,all ! Verschiebungsgesteuerte Berechnung 171 nsel,s,loc,y,lng 172 d,all,uy,vsch 173 nsel,all solve /post1 178 pldisp,1 Übung 9 - Zugversuch, Weggesteuert Die in Abbildung 2.13 gezeigte Materialprobe soll für verschieden Winkel α berechnet werden. Hier ist nur eine Hälfte abgebildet. Der gekrümmte Rand wird durch einen Spline geformt, wobei an der linken oberen Stelle kein Knick entstehen soll und der untere Winkel im Bereich 0 α 90 liegt.

34 28 ANSYS-Classic Aufgaben: Generieren Sie unter Berücksichtigung der Symmetriebedingungen ein Model Vernetzen Sie das Model mit 4-knotigen Elementen analog zum Beispiel Berechnungen Linear elastische Berechnung Plastisch, ohne Wahl der Inkrementanzahl Plastisch mit Wahl der Inkrementanzahl (max. 100) Mit verschiedenen Elementanzahlen und Typen Alle fehlenden Parameter können sinnvoll gewählt werden. l l u l l α u = 0 Abbildung 2.13: Zu untersuchende Materialproben 2.7 Rahmen mit Streckenlast, Gelenk und verdrehtem Auflager Der in Abbildung 2.14 gezeichnete Rahmen soll für verschiedene Abmessungen L 1, L 2, L 3, Material- und Profileigenschaften, Belastungen sowie verschiedene Gelenke untersucht werden. Hierzu wird die Eingabe-Datei so aufbereitet, dass diese Parameter am Anfang verändert werden können.

35 2.7 Rahmen mit Streckenlast, Gelenk und verdrehtem Auflager 29 q Gelenk L 1 L 3 45 L 2 Abbildung 2.14: Rahmen mit Streckenlast, Gelenk und verdrehtem Auflager Doppelknoten, Gelenke: An einer Stelle, an der mehrere Elemente einen Knoten teilen, sind alle Freiheitsgrade gekoppelt. Diese lassen sich nicht entkoppeln. Um ein Gelenk, d.h. entkoppelte Freiheitsgrade zu erzeugen, müssen an dieser Stelle mehrere Knoten erzeugt werden. Hier sind dann alle Freiheitsgrade entkoppelt. In einem zweitem Schritt können dann die gewünschten Freiheitsgrade gekoppelt werden 10. Dies kann z.b. über den cp-befehl erfolgen, vgl. Beispiel Zeilen 105 bis 120. Variablendefinition: Soll eine Berechnung für verschieden Abmessungen, Materialeigenschaften, etc. durchgeführt werden, bietet es sich an, diese als Parameter am Anfang des Eingabe-Datei zu definieren. So muss die Größe nicht in der ganzen Datei gesucht und geändert werden. Beim Aufbau der Eingabe-Datei ist dann jedoch darauf zu achten, dass alles wie gewünscht funktioniert, wenn die entsprechenden Parameter verändert werden. Die Wertzuweisung kann auf zwei Arten erfolgen: SYNTAX Variablenname = Wert1,...,Wert10 oder über *set, Variablenname, Wert1,...,Wert10 Definition von Koordinatensystemen: An vielen Stellen ist das Arbeiten wesentlich leichter oder es ist zwingend notwendig, wenn neue Koordinatensysteme definiert werden. Hierbei wird unterschieden zwischen Koordinatensystemen verschieden Typs: Globale und Lokale (global and local) KOS Anzeige (display) KOS 10 Mit beam44-elementen lassen sich auch Freiheitsgrade an bestimmten Knoten entkoppeln.