Übung 4: Flachkerbzugprobe

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1 Übung 4: Lernziele: Geometrie importieren und bearbeiten Symmetrierandbedingungen Tetraeder- und Hexaedervernetzung Netzverfeinerung Ergebnisdarstellung 1 März: Juli 2014

2 1. Bauteilstruktur Eine ebene Kerbzugprobe aus Stahl der Dicke s = 10 mm mit mittiger Einkerbung wird durch eine Kraft von F = 100 kn in Probenlängsrichtung belastet R10 Material: St42 E = N/mm 2 = 0,3 ρ =7850 kg/m 3 Es sollen die Spannungen für linear-elastisches Verhalten berechnet werden und der Einfluss unterschiedlicher Vernetzung auf das Ergebnis erkannt werden. 2

3 2. Geometrie Starten Sie NX 10 und erzeugen Sie eine neue Teiledatei. Laden Sie mit Datei/Importieren/Step203 die Datei Kerbzug.stp aus dem Verzeichnis \\cad-server\cae\fea\finele1\vorlagen. Rufen Sie Advanced Simulation auf, verwenden Sie den voreingestellten Namen Simulation1 und speichern Sie alle Teile in Ihr Arbeitsverzeichnis. Da die Geometrie und die Belastung symmetrisch ist, wird die Berechnung nur an einem Achtel des Körpers erfolgen. Um den Körper an den Symmetrieebenen zu teilen, wechseln Sie auf die Ebene des idealisierten Datei. Es erscheint der Hinweis Um Änderungen in der FEM-Umgebung vorzunehmen, muss im idealisierten Teil zuerst mit dem Schalter die Geometrie angehoben werden. Wählen Sie den Körper aus und bestätigen Sie mit OK. Hinweis: Beim Anheben wird das idealisierte Teil assoziativ mit dem Masterpart verbunden. Änderungen der Geometrie im idealisierten Teil wirken sich nicht im Masterpart aus. Wird hingegen das Masterpart geändert, wird automatisch die idealisierte Geometrie aktualisiert. 3

4 Mit dem Schalter wird die Funktion Körper teilen aufgerufen. Wählen Sie den Körper aus, stellen Sie die Werkzeugoption auf Neue Ebene und erzeugen Sie die Schnittebene durch Bisektion. Wählen Sie im Fenster dazu die beiden Stirnflächen aus, zwischen denen die Mittelfläche erzeugt werden soll und bestätigen Sie mit Anwenden. Teilen Sie anschließend den rechten Körper entlang der beiden verbleibenden Symmetrieebenen. Wechseln Sie anschließend auf die Ebene der FEM-Datei und blenden Sie im Navigationssimulator die nicht benötigten Körper aus. 4

5 3. Materialeigenschaften Erzeugen Sie auf der Ebene der FEM-Datei zunächst ein neues Material und geben Sie die linearelastischen Eigenschaften ein. Weisen Sie das Material den Körpern zu. 4. Tetraedervernetzung Wechseln Sie in die FEM-Datei. Der Körper soll zunächst mit 4-Knoten Tetraederelementen (CTETRA4) vernetzt werden. Rufen Sie mit das 3D-Tetraedergitter auf, wählen Sie den Körper aus und geben Sie die Elementgröße mit 10 mm vor. Mit OK erfolgt die Vernetzung. Hinweis: Die Materialeigenschaften werden automatisch übernommen. Da es sich um Volumenelemente handelt, müssen keine weiteren Eigenschaften dem Gitter zugewiesen werden. 5

6 5. Randbedingungen und Analyse Damit sich das Viertelmodell mechanisch äquivalent zum Gesamtmodell verhält, sind auf die Schnittflächen symmetrische Randbedingungen vorzugeben. Wechseln Sie auf die Ebene der Simulationsdatei und wählen Sie Benutzerdefinierte Zwangsbedingung. Selektieren Sie nacheinander die Schnittflächen und sperren Sie den jeweils senkrecht zur Fläche orientierten translatorischen Freiheitsgrad. Bestätigen Sie die Eingabe mit mit OK. Aktualisieren Sie ggf. mit das Gitter und beaufschlagen Sie anschließend die Fläche am rechten Rand des Körpers mit der erforderlichen Zugkraft. Berücksichtigen Sie hierbei die Symmetrie des Modells. Hinweise: Volumenelemente besitzen keine rotatorischen Freiheitsgrade, es genügt daher, die translatorischen Freiheitsgrade zu sperren. Alternativ lassen sich die Schnittebenen durch Symmetrische Zwangsbedingungen lagern. Das Modell ist durch die drei Symmetrierandbedingungen bereits vollständig gelagert. In anderen Fällen ist eine ausreichende Lagerung durch zusätzliche Zwangsbedingungen sicher zu stellen. 6

7 Stellen Sie die Verschiebung in x-richtung als Konturplot im Vergleich zur unverformten Geometrie dar und tragen Sie den Maximalwert in die u. a. Tabelle ein. Wählen Sie mit als Ergebnis Spannung- Element und Spannung-Element-Knoten aus und tragen Sie die maximalen Normalspannungen in x-richtung mit und ohne Glättung in die Tabelle ein. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit dem theoretischen Wert max = 400 N/mm 2. Wiederhohlen Sie die Berechnung mit 10- Knoten Tetraeder-Elementen (CTETRA10). CTETRA4 CTETRA10 Knotenkombination kein Durchschnitt kein Durchschnitt Verschiebung 0,0585 0,0585 0,0595 0,0595 Spannung-Element Spannung-Element-Knoten

8 6. Netzverfeinerung Für exaktere Ergebnisse soll das Netz im Bereich des Kerbgrundes verfeinert werden Für exaktere Ergebnisse soll das Netz im Bereich des Kerbgrundes verfeinert werden. Aktivieren Sie im Menüband den Schalter Netzcontainer. Selektieren Sie die Polygonkante des Kerbgrundes und geben Sie die Anzahl der Elemente auf der Kante mit 5 vor. Aktualisieren Sie das Gitter und führen Sie eine erneute Berechnung durch. Tragen Sie die Normalspannungen in die Tabelle ein. Verfeinern Sie das Netz, bis die berechnete Spannung sich nicht mehr wesentlich ändert. Welchen Spannungswert würden Sie als Ergebnis der Berechnung angeben? max = 410 Knotenkombination kein Durchschnitt Spannung-Element Spannung-Element- Knoten

9 7. Hexaedervernetzung Extrudierbare Körper lassen sich auch durch Hexaeder vernetzen. Vernetzen Sie den Körper neu mit durch ein Gitter mit 3D-Extrusion. Geben Sie die Randbedingungen und Lasten vor und starten Sie die Berechnung. Knotenkombination kein Durchschnitt Spannung-Element Spannung-Element- Knoten Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem der Tetraedervernetzung! 9

10 Die Elemente sollen im Bereich der Kerbe verfeinert werden. Setzen Sie im Netzcontainer den Typ Normale auf Kante und geben Sie 10 Elemente auf die Kanten der Kerbradien mit dem Normalenverhältnis 0,75 so vor, dass die Elementgröße zum Kerbgrund abnimmt. Verfahren Sie analog mit den beiden Kannten der linken Schnittfläche. Geben Sie anschließend mit Zahl auf Kanten über der Dicke des Kerbgrundes 3 Elemente vor. Verfeinerungskanten Hinweis: Mit Normalenursprung kann die Verdichtungsrichtung mit Kantenende umgekehrt werden. 10

11 Aktualisieren Sie das Netz und führen Sie eine erneute Rechnung durch. Vergleichen Sie das Ergebnis mit den bisherigen Lösungen und ziehen Sie Ihre Schlussfolgerungen daraus. Knotenkombination kein Durchschnitt Spannung-Element Spannung-Element- Knoten Hinweis: Bei den Spannungen im Kerbgrund handelt es sich um fiktive Werte als Folge der linear-elastischen Berechnung. Obwohl diese weit oberhalb der Streckgrenze im Bereich der Zugfestigkeit des Materials liegen können, muss es nicht zum Versagen des Bauteils kommen, da in der Realität die örtlichen Spannungsspitzen durch plastische Umlagerung auf die Fließgrenze beschränkt werden. Das reale Bauteil lässt sich mit einem nichtlinearen Material-verhalten auf der Grundlage einer vorgegebener Fließkurve berechnen. 11