Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V10 111

Transkript

1 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V10 Ein Hydro-Gehäuse aus Stahl wird mit einer Gewichtsdruckbelastung von 30 Tonnen auf jeder der fünf Flansch-Flächen belastet. Wie groß sind die Verformungen und die Spannungen an den Bohrlöchern für die Schrauben. Die STEP-Datei aus dem 2D-/3D-CAD-System HiCAD von ISD Software und Systeme GmbH ( ermöglicht eine vollautomatische Tetraeder-Vernetzung mit dem FEM-System MEANS V10 von HTA-Software ( Starten Sie das Programm mit einem Doppelklick auf das Desktop-ICON MEANS V10 für DirectX9. Wählen Sie Neues Projekt und 3D Netzgenerierung mit Tetraederelementen um eine STEP-CAD-Datei in den Netzgenerator zu laden.

2 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Netzgenerierung Oder wählen Sie als Alternative das Icon-Menü 3D-Netzgenerierung mit Tetraederelementen. in der Menü-Icon Es öffnet sich eine neue Dialogbox mit folgenden unterstützten CAD-Formaten: DXF hauptsächlich für 2D Netzgenerierungen oder für 3D-Balkenelemente STL besteht aus Dreiecken für die 3D-Netzgenerierung STEP besteht aus Solid-Elementen und ist das leistungsfähigste CAD-Format IGES altes CAD Format noch aus den IDEAS/Medusa-Zeiten

3 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Netzgenerator Nr. 2 Wählen Sie STEP und stellen mit Menü Browser den Pfad für die STEP-Datei ein: C:\Programme\FEM-System_MEANS_V10\FEM-Projekte\Hydro-Gehaeuse Dann wählen Sie Menu "Netzgenerator Nr. 2 mit CAD-File starten um die selektierte CAD Datei Hydro-Gehaeuse.STP im Netgenerator anzuzeigen. Netz-Parameter setzen Die Vernetzung klappt nicht sofort mit den Voreinstellungen moderate oder fine und muss mit Menü Mesh und Meshing Options sowie Register Mesh-Size über folgende Parameter wie mesh-size-grading oder STL/IGES/STEP close edges neu eingestellt werden. Netzgenerierung Nach der Einstellung wählen Sie Generate Mesh um ein FEM-Netz aus Knotenpunkten und Tetraederelemeten zu generieren.

4 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V EasyFEM-Limit Die Anzahl der Elemente von liegt leicht über dem Light-Version-Limit von EasyFEM mit Elemente. Wählen Sie zusätzlich das Register Optimizer und erhöhen den Wert von Worst element measure von 2 auf 8, sodaß nach einem neuen Generate Mesh die Anzahl der Elemente nur noch Tetraeder betragen.

5 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Netz mit Namen test.fem exportieren Wird nach der Netzgenerierung die Anzahl der Elemente am Bildschirm unten links angezeigt, dann ist das Netz erfolgreich generiert und man kann es für MEANS exportieren. Wählen Sie jetzt da Menü File und Export Mesh um das Netz unter dem Namen test.fem in das voreingestellte Debug/Mesh-Verzeichnis zu exportieren. Jetzt wird der Preprozessor von MEANS automatisch gestartet und das FEM-Netz wird im Hidden-Line dargestellt. Modell verkleinern und vergrößern Sie können das Modell mit dem Drehrad (auch Wheel genannt) der Maus beliebig verkleinern und vergrößern. Mit Menü Zoom-Faktor für Mouse-Wheel können Sie die Zoom-Schrittweite für die Vergrößerung bzw. Verkleinerung verändern.

6 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Modell drehen Sie können das Modell mit der linken Maustaste um die X- und Y-Achse und mit der rechten Maustaste um die Z-Achse beliebig im Raum drehen. Einstellung der optimalen 3D-Ansicht Mit dem Icon können Sie die Ansicht des eingeladenen FEM-Modells unter Ansicht 1 jederzeit wieder einstellen oder eine neue gedrehte Ansicht unter Ansicht 1-4 sichern und wieder darstellen.

7 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Flächenmodell erzeugen Wählen Sie das Menü Flächen und Kanten erzeugen um das FEM-Modell in seine Flächen zu zerlegen. Das Flächenmodell wird für die Erzeugung der Flächenbelastung und der Randbedingungen benötigt. Die Flächen sind beliebig ein- und ausblendbar. Für das Modell stellen Sie bitte wenige Flächen ein und erzeugen das Flächenmodell. Das Flächenmodell besteht nun aus über 76 Hauptflächen. Die Flächen werden im rechten Seitenmenü angezeigt, dort kann auch zwischen dem Flächen- und Knotenmodus hin und her gewechselt werden, je nachdem ob man eine Flächenlast oder eine Knotenlast erzeugt möchte. Die einzelnen Flächen können mit der Maus selektiert werden, wobei die berührte Fläche in Rot dargestellt wird.. Reduziertes Flächenmodell erzeugen Bei großen Modellen mit vielen Flächen kann mit Hidden-Line V8 mit Modellbereich ein reduziertes Flächenmodell für einen markierten Bereich erzeugt werden. Flächen-Modus anhalten Drücken Sie auf die mittlere Maustaste um den Flächen-Modus mit der selektierten Fläche anzuhalten damit Sie diese Fläche im Knoten-Modus schneller bearbeiten können.

8 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Flächenlast erzeugen Das Gehäuse wird mit einer Druckbelastung von 30 Tonnen vertikal zur Flansch- Fläche belastet. Berechnung der Querschnittsflächen und Flächenlast Zuerst muß die Flächenlast aus der Differenz von Belastung und Querschnittsfläche berechnet werden. Dies wird in diesem Update Juli 2014 vollautomatisch berechnet indem Sie Flächenlast/Drucklast erzeugen sowie Schritt 2: Querschnittsfläche berechnen in der Menüleiste auswählen.

9 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V In der neuen Dialogbox auf der linken Seite werden nun alle Flächen nach Querschnittsfläche sortiert angezeigt. Wählen Sie das Menü Alle ausblenden und klicken in das Anzeige-Feld um nur die 5 Flansch-Flächen 4, 13, 20, 30 und 46 wieder einzublenden. Aktivieren Sie Gesamtfläche und Flächenlast oder Gewichtslast berechnen und geben die Gesamt-Belastung von N ein um eine Flächenlast von MPa zu berechnen. Flächenlast erzeugen Wählen Sie Flächenlast/Drucklast erzeugen und Schritt 3: Flächenlast/Drucklast erzeugen und geben eine Flächenlast von senkrecht zur Fläche ein.

10 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Wählen Sie die neue Selektion alle angezeigten Surfaces aus und erzeugen die Flächenlast mit Belastung erzeugen. Nun sind die 5 Flächenlasten der Flansch- Flächen in schwarz zu sehen.

11 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Linienlast erzeugen Der Innen- und Außenrand der Fläche 24 wird mit einem zusätzlichen Gewicht von 10 Tonnen belastet. Knoten selektieren Wählen Sie Menü Linienlast erzeugen und Schritt 1: Knotenpunkte selektieren und selektieren das Register Knotenmodus. Geben Sie hier die Fläche 24 ein und wählen Flächen-Randknoten um die Knoten für die Linienlast am Innen- und Außenrand selektieren zu können. Zuvor müssen aber noch die Knoten der fünf Bohrlöcher mit Knotenbereich löschen gelöscht werden.

12 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Berechnung des Kantenumfanges Im nächsten Schritt muss der Kantenumfang sowie die Linienlast aus der Differenz von Gewichtslast und Kantenumfang berechnet werden. Wählen Sie das Linienlast-Menü Schritt 2: Kantenumfang berechnen, es wird automatisch der Umfang von mm berechnet. Geben Sie eine Gewichtslast von N ein und wählen Berechnung damit eine Linienlast von N/mm berechnet wird.

13 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Linienlast erzeugen Wählen Sie Schritt 3: Linienlast berechnen und geben den Lastfall 2 sowie den Linienlast-Wert von ein und selektieren X-Richtung sowie alle angezeigten Knoten um eine Knotenlast aus 50 Einzelknoten zu erhalten.

14 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Randbedingungen erzeugen Das Gehäuse ist an den Schrauben-Bohrlöchern fest eingespannt. Wählen Sie Menü Randbedingungen erzeugen und Schritt 2: Randbedingungen erzeugen. Wählen Sie in der nächsten Dialogbox Einspannung sowie Flächenmodus und klicken auf den Button RBS erzeugen. Klicken Sie mit einem Doppelklick auf die Flächen 7, 39, 53, 62 und 71 um die Flächen in der Selectbox anzuzeigen. Wählen Sie dort Create um die Randbedingungen zu erzeugen.

15 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Nach diesem Schritt werden die Randbedingungen an den Bohrlöchern dargestellt:

16 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Eingabe der Materialdaten Wählen Sie FEM-Projekt bearbeiten und Materialdaten und geben die Materialdaten für Stahl ein oder wählen Material-Datenbank und übernehmen die Werte aus der editierbaren Material-Datenbank.

17 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V FEM-Analyse Zuerst sichern Sie das FEM-Modell unter einem beliebigen Namen und wählen FEM- Analyse und wieder FEM-Analyse. In der nächsten Dialogbox bitte wählen Quicksolver und Schritt 1: FEM-Solver starten. Es erscheint die Quick-Solver-Dialogbox, wählen Sie hier convert C3D4->C3D10 and show and solver with C3D10 oder wennn Sie EasyFEM-User mit dem Limit das Menü show C3D4 and solve intern with a refining mesh of 8x C3D4 und selektieren Start FEM-Solver with INP-Interface um die FEM-Berechnung zu starten. Nach der FEM-Analyse wählen Sie Start Postprocessor um die Ergebnisse auszuwerten.

18 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Postprocessing Wählen Sie das Menü Ergebnisauswertung mit Dialogbox um die Verformungen und Spannungen grafisch auszuwerten. Wählen Sie folgende Einstellungen: Ergebnisse laden: Knotenspannunge gemittelt Lastfall: 2 Raster-Genauigkeit: 4 Ergebniskomponente: v.mises-vergleichsspannungen

19 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V v.mises-vergleichsspannungen Max Wert = Mpa Verschiebungen Max Wert = mm

20 Kapitel 9: FEM-Simulation eines Hydro-Gehäuses mit MEANS V Verformungsfaktor Wählen Sie im Legenden-Menü Bearbeiten und Verformungsfaktor Wählen Sie verformte und unverformte Struktur zusammen Berechnen Sie mit Anpassen einen Verformungsfaktor von Setzen Sie den Spannungsbereich von 339 auf 220 herunter, weil 339 eine Sekundäre Spitzenspannung ist, solche punktuellen Spannungen können vorallem bei den quadratischen Tetraedern TET10 auftreten. In diesem Falle sollte versucht werden ein besseres Tetraeder-Netz zu generieren oder die ungemittelten Elementspannungen sollten mitausgewertet werden. Ebenfalls wählen Sie Spannungen/Verformungen picken sowie Knotenwerte suchen und Surfaces ein-/ausblenden um nur die Spannungen in den Schrauben- Bohrlöchern darzustellen.