SplineGen. Modellierung

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1 SplineGen SplineGen ist ein im Rahmen des generischen Modells entstandenes Programmpaket, das bei der Festigkeitsanalyse von Laufrädern eingesetzt werden kann. Modellierung Die hier vorgestellte Software ist ein weiterer Baustein in der Abfolge von Software-Tools zur Erstellung eines Radialverdichterlaufrades von der Auslegung über die Konstruktion bis zum fertigen 3D-Modell. In diesem Tool wird eine komplett ausgelegte 3D-Radialschaufel, wie in Abbildung 1 zu sehen, mit dem zugehörigen 2D-Strömungskanal und dem zu erstellenden Laufradkörper zu einer Einheit verschmolzen. Abbildung 1: 3D-Radialschaufel Die Abbildung 2 zeigt die 2D-Kontur des konstruierten Laufradkörpers. Diese Kontur kann direkt am Bildschirm aufgebaut, über interne Datensätze eingebunden oder mittels IGES aus einem kommerziellen CAD-Programm übernommen werden.

2 Abbildung 2: 2D-Kontur des Laufradkörpers Das nachfolgende Bild zeigt noch mal die Ausgangssituation mit der 3D-Radialschaufelkontur und der 2D-Kontur des Laufradkörpers. Abbildung 3: Radialschaufelkontur mit 2D- Laufradkörper Der nächste Schritt zur Erstellung einer Einheit ist die Verbindung der Radialschaufelkontur mittels Fillets an die Oberfläche des Laufradkörpers, gegeben durch die Begrenzung des

3 Strömungskanals. Das Fillet dient zur Nachbildung eines vorhandenen Fräserradius oder eines Gussradius. Abbildung 4: Fillet als Verbindung Schaufel zum Laufradkörper Zur effizienteren Bearbeitung im FEM-Bereich wird lediglich ein Sektormodell des Laufrades benötigt. Aus diesem Grund wird, wie im folgenden dargestellt, ein sogenannter Sektorgrenz- Spline auf der Oberfläche des Laufradkörpers erstellt und bearbeitet. Die Bearbeitung erfolgt hier dreidimensional auf der Fläche des Laufradkörpers. Abbildung 5: Bildung der Sektorgrenz-Splines

4 Im letzten Schritt wird die 2D-Laufradkörperkontur an die bis jetzt fertiggestellte 3D- Restgeometrie angepasst, so dass eine komplette dreidimensionale Einheit aus Radialschaufel, Fillet und Laufradkörper entsteht. Abbildung 6: komplette 3D-Laufradeinheit Die entstandene Laufradgeometrie kann zur weiteren Verarbeitung in einem internen Datensatz abgespeichert werden, um z.b. über eine interaktive halbautomatische Partitionierung zu einem Hexaeder-FEM-Netz für Festigkeitsuntersuchungen zu gelangen.

5 Partitionierung Die Software unterstützt den Anwender in der Partitionierung des vorhandenen Laufradvolumens. Es werden, wie in Abb. 8 und Abb. 9 zu sehen, zusätzliche sogenannte Partitionierungs-Splines eingebaut, die das gesamte Volumen in 6- flächige Teilvolumen aufsplitten. Abbildung 8: Partitionierung des Laufradeintrittsbereiches Die eingebrachten Splines können dabei auch, wie in Abb. 3 zu sehen, als Umlenkung oder zur Reduzierung der Elementanzahl dienen. Abbildung 9: Partitionierung des Laufradaustrittbereiches Die Software ist so aufgebaut, dass man bestimmte Partitionen zuerst relativ unkompliziert in einem 2D-Fenster erstellen und bearbeiten kann. Ein Beispiel dafür ist die Erstellung der Partitions-Splines für den Laufradvolumenkörper in Abb 10.

6 Abbildung 10: Partitionierung des Laufradvolumenkörpers in 2D Im Anschluss daran werden diese Partitionen sehr komfortabel automatisch auf das 3D- Geometriemodell gelegt. In Abb. 11 kann man sehen, wie die 2D- Partitionierung auf eine sogenannte Sektor- Grenzfläche im dreidimensionalen Raum projeziert wurde. Abbildung 11: Grenzflächen-Partition Im folgenden erkennt man dann die Fillet- Partitionierung des Schaufelfussbereiches. Die hier zusätzlich eingefügten Partitions-Splines verbinden die Schaufelpartitionierungen mit den Partitionen des Laufradkörpers. Der Filletbereich wird mit diesen Partitionen zum einen zur festigkeitsgerechten Analyse feiner partitioniert, um Kerbspannungen im Schaufelfuss mit einer feineren Vernetzung herauszuarbeiten, und zum anderen auch als Mittel genutzt, die Partitionen in dem zur Drehachse spitz zulaufenden Laufradkörper zu vergröbern. Abbildung 12: Partitionierung im Filletbereich Zur besseren Gestaltung der Winkel innerhalb der einzelnen Teilvolumen können verschiedene Fillet-Querschnitte quasi in 2D bearbeitet werden.

7 Abbildung 13: Darstellung eines Fillet- Querschnittes Die komplette Partitionierung des Laufradkörpers erfolgt wiederum,wie in Abb. 14 zu sehen, von der Grenzfläche ausgehend vollautomatisch programmgesteuert. Abbildung 14: Vollständige Partitionierung des Laufradkörpers Zur Vervollständigung des Modells wird am Ende die Schaufel durchpartitioniert. Abbildung 15: Schaufelpartitionen Das gesamte partitionierte Modell eines Radiallaufrades, in Abb. 16 zu sehen, kann wiederum in einem internen Datensatz gespeichert oder als IGES-Export in kommerziellen CAD-Programmen weiterverwendet werden.

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9 Vernetzung Netzgenerierung mit NetGen In NetGen können schnell und komfortabel die Netze auf die in der Partitionierung erstellten Drahtmodelle generiert werden. Die nachfolgende Abbildung 17 zeigt den Programmablauf. Abbildung 17: Programmablauf

10 Bevor eine Netzgenerierung ausgeführt werden kann, muss zuvor aus dem Drahtmodell ein virtuelles Volumenmodell erzeugt werden (Abbildung 18). Abbildung 18: Wireframe eines Laufradsektors Die jeweilige Knotenanzahl wird über die Anzahl der Elemente definiert, die in NetGen über das Netz-Parameter-Menü bestimmt wird. Im Menü besteht die Möglichkeit, auf so genannten Master/Slave-Splines die Anzahl an Elementen festzulegen (Abbildung 19). Abbildung 19: Netzparameter

11 In dem Beispiel aus Abbildung 19 sollen auf den rot gekennzeichneten Master/Slave-Splines sieben quadratische Elemente gesetzt werden. Diese Festlegung der Elementanzahl wird nun für sämtliche Spline-Gruppen wiederholt. Als geeignete Methode erweist sich ein rekursives Verfahren. Das bedeutet, dass man einfach die jeweilige Anzahl der Elemente abschätzt, das Netz generieren lässt und über eine Netzinfo-Box (Abbildung 20) die tatsächliche Anzahl der Knoten aufruft. Stimmt ihre Anzahl nicht, so kehrt man zurück ins Netz-Parameter-Menü und vergrößert bzw. verkleinert die Anzahl der Elemente auf bestimmten Spline-Gruppen. Abbildung 20: Netz-Info Nach der richtigen Auswahl an Elementzahlen und anschließender Netzgenerierung besteht bereits ein vollständiges Netz, jedoch muss für die numerische Berechnung eine Verdichtung der Knoten vorgenommen werden, um mögliche Spannungsspitzen gut aufzulösen (Abbildung 21). In NetGen wird die Verdichtung, das sog. Biasing, über das Biasing Icon aufgerufen. Hier kann aus verschiedenen Verdichtungsfunktionen die Art der Knotenverdichtung für einen Spline bzw. Master/Slave-Splines ausgewählt werden.

12 Abbildung 21: Bias einer Master/Slave-Gruppe Abschließend müssen noch die Einstellungen für den Laufradsektor eingegeben werden (Abbildung 22), damit die entsprechende Gruppierung der Knoten erfolgen kann. Abbildung 22: Einstellungen für Laufradsektor Die Abbildung 23 zeigt die Netzelemente als Ergebnis. In diesem Beispiel ist exemplarisch eine Verdichtung zum Schaufelkopf vorgenommen worden, um sie besser erkennbarer zu machen.

13 Abbildung 23: Netzelemente eines Laufradsektors Das Netz des Laufradsektors kann nun u.a. nach I-DEAS exportiert werden (Abbildung 24). Dazu wird die Schnittstelle *.UNV verwendet. Alternativ ist ein Export nach Abaqus auch möglich. Abbildung 24: Nach I-DEAS exportiertes Netz