Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - MP - Netz-Entfaltung
Unsere Erfahrungen mit dem CAD-basierten FEM-Modell des Gummipuffers kann man verallgemeinern. Aus der Generierung eines vollständigen Solid-Modells unter Verwendung des Free Meshers resultieren nur wenige Vorteile:
- Man kann ausgehend von der CAD-Geometrie relativ einfach eine angepasste Vernetzung durchführen (z.B. Verfeinerungen an Kanten).
- Das Modell ist geeignet zur Analyse beliebiger Lasten und Abhängigkeiten (was man aber häufig gar nicht benötigt).
Diese Vorteile erkauft man mit teilweise schwerwiegenden Nachteilen:
- Ein zu feine Vernetzung führt sehr schnell zu einem zu großem Modell, welches praktisch nicht mehr berechnet werden kann.
- Fehlerfreie Netze erhält man mit dem Free Mesher bei lokalen Netzverfeinerungen praktisch nur bei Verwendung ineffezienter Tetraeder-Elemente.
- Es ist schwierig bis praktisch unmöglich, deckungsgleiche Netze an Kontaktflächen zwischen Bauteilen zu erzeugen. Dies führt zu Problemen bei der Kontakt-Simulation.
Im ersten Übungskomplex benutzten wir zur Erzeugung hochwertiger FE-Netze die strukturierte Vernetzung (Mapped Mesher). In der aktuellen Übung soll ein weiteres Verfahren zur Generierung regelmäßiger Netze angewandt werden, welches schrittweise eine Erhöhung der Netz-Dimensionalität gestattet:
- Damit könnte man z.B. zuerst vereinfachte 2D-Berechnungen durchführen.
- Durch Anwendung der Operation Extrude erzeugt man dann für genauere Simulationen aus dem 2D-Netz mit geringem Aufwand die Vernetzung in der 3. Dimension.
In unserem Beispiel nutzen wir diese Vernetzungstechnologie der Netzentfaltung, um damit das gewünschte 3D-Netz eines Puffer-Achtels zu erzeugen. Die Vorgehensweise entspricht praktisch einem Wachstumsprozess aus einer 1D-Keimzelle (Folgendes noch nicht ausführen!):
- Wir definieren eine radiale Kante als Linie und vernetzen diese mit Stab-Elementen (1d).
- Wir führen die Operation "Revolve" aus, wobei wir die Stab-Elemente durch Flächen-Elemente ersetzen. Das bewirkt ein "Auffächern" des Netzes in der Ebene (2d).
- Wir führen die Operation "Extrude" aus, wobei wir die Flächen-Elemente durch Solid-Elemente ersetzen. Damit ist das gewünschte Volumen gefüllt (3d).
Die Methode der Netz-Entfaltung führt bei 3D-Modellen zu ähnlich guten Vernetzungsergebnissen, wie die strukturierte Vernetzung bei Flächen-Netzen.
Das ein Achtel des Gummi-Puffers als Modell ausreichen kann, ergibt sich aus Überlegungen zu den Symmetriebedingungen. Ob es möglich ist, nur mit einen Teil des zu untersuchenden Objektes das Gesamt-Verhalten mittels Finite-Elemente-Modell zu simulieren, ist abhängig von:
- Geometrie des Untersuchungsobjekts (einschließlich Verteilung der Materialien)
- Art der Zwangsbedingungen ("Einspannung")
- Form der Last (Kraft-Angriffstellen und -Richtung)
- Isotropie des Materials
In unserem Fall sprechen alle 4 Kriterien für die Möglichkeit, nur einen Teil des Gummipuffers zu modellieren (Zylinder, keine asymmetrische Einspannung, Material isotrop), solange die Lastkraft den Puffer nicht asymmetrisch verformt:
- Eigentlich würde ein unendlich schmales "Tortenstück" des quer halbierten Puffers ausreichen.
- Da wir jedoch die Netz-Entfaltung für ein Solid-Modell erkunden wollen, müssen wir uns überlegen, welche Möglichkeiten existieren, über randbedingungen die Symmetrie-Eigenschaften an den Rändern des berechneten Modell-Teils zu beschreiben.
- Bei den vorhanden Möglichkeiten der Einschränkung von Freiheitsgraden ist das oben abgebildete Achtel des gesamten Puffers wahrscheinlich die günstigste Variante.
Neues FEM-Modell "Entfaltung_xx.fem":
- Die bisher genutzte Modell-Datei besitzt inzwischen einschließlich des zugehörigen Daten-Ordners eine etwas unhandliche Größe im Gigabyte-Bereich.
- Deshalb beginnen wir mit einer neuen Modell-Datei (xx=Teilnehmer 00...99). Diese speichern wir in den gleichen Ordner, wie "Gummipuffer_xx.fem".
