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Geometrie-Modellierung im FEM-Editor

Finite-Element-Modelle werden nur durch ihre Netze repräsentiert. Geometrie-Modelle werden für die Finite-Element-Simulation nicht mehr benötigt:

• Man benutzt Geometrie-Modelle nur als "Rahmen" für das Aufspannen der Finite-Element-Netze.
• Im Normalfall wird man ein vorhandenes CAD-Modell als Geometrie in das FEM-Programm importieren. Aus dem CAD-Modell werden auch die Materialdaten für das Finite-Element-Modell übernommen.

Manchmal in es sinnvoll, die Geometrie der zu untersuchenden Bauteile direkt im FEM-Programm zu modellieren, z.B.:

1. es existiert noch kein CAD-Modell (z.B. weil in frühen Entwurfsphasen erst vage Vorstellungen zur geometrischen Gestaltung existieren)
2. es existiert ein sehr detailliertes CAD-Modell, aber die Belastungsanalyse soll wegen seiner Komplexität auf die real belasteten Komponenten beschränkt werden (sehr starke Abstraktion der Geometrie)

Wir nutzen im Rahmen dieses Übungskomplexes das Beispiel des Bauteils "Lasche", um die unterschiedlichen Möglichkeiten innerhalb des FEM-Prozesses zu erkunden:

• Bei der manuell erstellten Geometrie beschränken wir uns auf 2D-Modelle der Lasche.
• Dafür definieren wir eine neue FEM-Datei 2D-Lasche_xx.fem ((mit xx=Teilnehmer-Nr. 00...99).

2D-Modelle:

• Falls es möglich ist, ein 3D-Problem der Strukturmechanik auf ein 2D-Modell abzubilden, führt dies zu einer enormen Reduzierung des zu lösenden Gleichungssystems.
• Zum einen reduziert sich die Anzahl der Elemente und zum anderen müssen pro Element nur zwei Freiheitsgrade berechnet werden (Verschiebungen der Knoten in der Ebene).
• Zwei Typen von 2D-Elementen:

1. Achsensymmetrisch: zum Modellieren von Volumenkörpern, die in Bezug auf Geometrie, Last und Randbedingungen symmetrisch zur Z-Achse sind. Negative Y-Koordinaten sind nicht zulässig. Das 2D-Netz entspricht einem "unendlich dünnen Tortenstück" aus dem Rundkörper.
2. Layernspannung bzw. Layerndehnung: zum Modellieren von Volumenkörpern, die man auf eine Schnittebene reduzieren kann (z.B. Längsschnitt durch dünne Platte bzw. Querschnitt eines Staudamms).

Wichtig:

• 2D-Elemente können nur in der YZ-Ebene des globalen Modell-Koordinatensystems definiert werden!
• Siehe auch Online-Hilfe zu 2D-Elementen von Autodesk Simulation Mechanical.

In der FEM-Editor-Umgebung von Autodesk Simulation Mechanical kann man Geometrie-Modelle mithilfe der Befehle auf der Registerkarte Zeichnen erstellen und ändern:

1. :

• Die Konstruktion des Geometrie-Modells erfolgt strukturiert nach Bauteilen.
• Das neue Bauteil versehen wir mit dem Bezeichner Lasche_xx (xx=Teilnehmernummer):

2. Zeichnungsebene:

• Zeichnungsebenen werden verwendet, um Geometrie zum Modell hinzuzufügen.
• Ein Bauteil kann beliebig viele und beliebig im Raum angeordnete Zeichnungsebenen enthalten (z.B. Blechwinkel aus zwei orthogonalen Ebenen).
• Die Ebenen des XYZ-Koordinatensystems werden als vordefinierte Ebenen bereitgestellt.
• Wir benötigen nur die Kontur der Lasche in der YZ-Ebene.
• Um eine Ebene für das Hinzufügen von Geometrie verwenden zu können, muss man sie als Skizze aktivieren.
• Bei Verwendung einer Zeichnungsebene befindet sich der FEM-Editor im Skizziermodus (die Begriffe Skizze und Zeichnung werden synonym verwendet).
  

3. Arbeitsbereich:

• Wenn man sich im Skizziermodus befindet, wird im Anzeigebereich ein Raster angezeigt und die Zeichnungsebene wird in der Strukturansicht fett hervorgehoben.
• Der sichtbare Arbeitsbereich von über 400 m² ist in der Standardeinstellung mit 1 m Rasterabstand für unser Bauteil viel zu groß!
• Wir beginnen durch Skizzieren der äußeren Bauteil-Abmessungen mit der Bestimmung des erforderlichen Arbeitsbereiches.
• Ein Rechteck wird im Skizziermodus definiert durch die Eingabe von 2 diagonalen Eckpunkten. Leider wurde noch keine Möglichkeit gefunden, diese Koordinatenwerte manuell einzugeben. Die Eingabe der Eckpunkt-Koordinaten ist nur mit dem Cursor möglich, der jedoch in einer leeren Skizze noch keine Punkte fangen kann.
• Deshalb beginnt man mit der Definition zweier Konstruktionspunkte mit den benötigten Eckpunkt-Koordinaten, welche man manuell eingeben kann:
  
• Im Unterschied zum CAD-Modell nutzen wir den Koordinaten-Ursprung (0,0,0) als linke untere Ecke des Rohteils. Damit vereinfachen wir die Eingabe der erforderlichen Koordinatenwerte.
• Nach dem Setzen des Konstruktionspunktes auf die rechte obere Ecke (0, 0,025xx, 0,01), können wir mittels Zoom (Fit all) das Bauteil ansichtsfüllend abbilden.
• Unter MFL > Extras > Anwendungsoptionen > Entwerfen können wir die Gitternetz-Teilung auf 0,001 m einstellen (falls dies noch nicht der Fall ist).
• Nun sollte das Zeichnen eines Rechtecks durch Auswählen der beiden Eckpunkte kein Problem mehr darstellen:
  

Hinweise:

• Man bewegt den Cursor zu dem Punkt, dem man auswählen möchte. Wenn das Schlosssymbol angezeigt wird, klickt man mit der linken Maustaste, um den Punkt auszuwählen.
• Leider ist die Anzeige des Info-Fensters für das zu wählende Objekt anscheinend abhängig von der Leistungsfähigkeit der verwendeten Grafikkarte.
• Nach Anzeige des Schlosses in der Nähe des Objektes erfolgt jedoch unabhängig vom eingeblendeten Info-Fenster die Übernahme der richtigen Koordinaten.

Standardmäßig werden Geometrieobjekte als Konstruktion verwendet. D.h., sie werden später nicht als Bestandteil des Netzes verwendet, sondern dienen nur als Rahmen für das Aufspannen des Netzes. Dies gilt jedoch nicht für Konstruktionspunkte, auf welche später dann in jedem Fall ein Netzknoten gelegt wird:

• Beim Hinzufügen eines Geometrieobjekts zu einer Skizze wird ein Zweig in den Zeichnungsebenen unter dem zugeordneten Bauteil erstellt, wenn man das Objekt für die Konstruktion verwendet.
• Ein Rechteck erscheint dabei in der Zeichnungsebene des Bauteils in Form von vier einzelnen Linien:
  

Als Nächstes zeichnen wir einen Kreis (Mittelpunkt=20,xx mm von linker Rechteckkante / Radius=2 mm):

• Da wir einen Rasterabstand von 1 mm eingestellt haben, können wir im speziellen Fall den Fang von Rasterknoten nicht bei der Punkt-Eingabe benutzen (erscheint das Schloss-Symbol am Cursor, wird beim Mausklick der nächstgelegene Rasterpunkt gefangen).
• Wir müssen spezielle Konstruktionspunkte setzen und darauf achten, dass diese dann als Konstruktionsobjekte gefangen werden!
• Der Kreis ist danach ein weiteres Element in der Zeichenebene des Bauteils:
  

der beiden rechten Ecken des Rechtecks mit dem Radius=4 mm:

• Die Funktion Abrundung kann erst benutzt werden, wenn man zuvor das Auswählen von Konstruktionsobjekten aktiviert hat!
• Wichtig: Falls nach der Abrundung noch ein freistehender Konstruktionspunkt übrig ist, löschen wir diesen über sein Kontextmenü. Ansonsten würde bei der Vernetzung ein Knoten auf diesen Punkt gelegt werden, was störend wäre!
• Danach beenden wir den Skizzen-Modus und haben nun den Rahmen für die Erstellung eines Flächennetzes geschaffen:
  

Hinweis: Falls man (z.B. nach erneutem Laden der FEM-Datei) die konstruierte Geometrie nicht mehr sieht, muss man dafür innerhalb des Bauteils die Sichtbarkeit aller Flächen aktivieren (Kontextmenü):

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