Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Ansys - FEM-Import

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Import in Ansys Mechanical

Export der CAD-Modelle unter Beruecksichtigung der Symmetrie

Im Rahmen dieser Übung soll keine asymmetrische Belastung des Gummipuffers in Bezug auf seine Längsachse stattfinden (z.B. keine schräge Kraftwirkung):

• Unter diesen Bedingungen kann man die Symmetrie-Eigenschaften der Geometrie und der Randbedingungen ausnutzen, um das FEM-Modell zu reduzieren. In der ersten Übung wurde diese Symmetrie-Ausnutzung bereits am Beispiel eines 2D-Modells der Lasche angewandt.
• Um Rechenzeit zu sparen, können wir uns in einem 3D-FEM-Modell auf einen Viertelkreis-Zylinder des Gummipuffers beschränken.
• Die beabsichtigte Simulation des Eigengewichts verhindert eine weitere Reduktion z.B. nur auf die obere Hälfte des Viertelkreis-Zylinders, weil obere und untere Hälfte durch das Gewicht unterschiedlich belastet werden!

Bevor wir die reduzierte Geometrie als STEP-Datei exportieren können, müssen wir temporär mittels einer geeigneten Extrusion deren Form entsprechend beschneiden:

• Dazu wechseln wir im Autodesk Fusion in den "Arbeitsbereich Konstruktion" und wählen dort den kompletten Gummipuffer für die Bearbeitung.
• Die erforderliche Skizze erstellen wir auf der Oberfläche der oberen Stahlscheibe. Danach befinden wir und im Skizzen-Modus.
• Erstellen > Projizieren ermöglicht durch Auswahl der Scheibenfläche und der beiden Ursprung-Achsen X und Y die Generierung der erforderlichen Begrenzungen für das Viertel-Profil auf der Skizze:
  
• Bei der Extrusion dieses Viertel-Profils sollte man die Mengenoperation "Schnittmenge" benutzen, um ausgehend von der oberen Stahlscheibe einen Viertelkreis-Zylinder des Gummipuffers zu erzeugen:
  
• Wenn man zu Beginn der Übung die Rotation mit erfasst hat, erscheint das Ergebnis in Hinblick auf die obere Stahlscheibe etwas seltsam, lässt sich jedoch als ein "Feature" von Autodesk Fusion erklären:
  • Geometrie-Änderungen innerhalb einer Konstruktion wirken primär nur auf die Original-Komponenten.
  • Änderungen an Kopien der Original-Komponenten (hier obere Stahlscheibe) entstehen sekundär durch Aktualisieren des Kopierprozesses. Dieser führt im Beispiel durch die enthaltene 180°-Drehung zu einer ungeplanten Verdrehung des oberen Scheiben-Viertels.
  • Hinweis: Wenn das Verhalten wie im Bild auftritt, so muss man die Scheibe durch einen zusätzlichen Verschieben/Kopieren Befehl wieder in die richtige Position bringen.

Die reduzierte Baugruppengeometrien exportieren wir als Gummipuffer_xx.step in den aktuellen Projekt-Ordner:

• Wichtig: Vor dem Speichern der Konstruktionsdatei muss man die Extrusionsskizze (umfasst auch die nachfolgende Extrusion) in der Zeitleiste unterdrücken, um die bisherigen Simulationen nicht zu zerstören!

Import in Ansys

Wie schon in Fusion möchten wir auch hier die Möglichkeit nutzen unser bereits definiertes Material Stahl C35 weiterzuverwenden. Dazu starten wir zunächst das Projekt der ersten Übung "FEM1_Ansys_xx.wbpj". In der Projektübersicht öffnet man die Technischen Daten einer beliebigen Studie (z.B. A) mit Doppelklick. Sobald sich das Unterfenster öffnet, lässt sich die Konfiguration über Datei > Technische Daten exportieren ... als xml-Datei speichern. Speicherort und Dateiname sollte man sich merken. Das alte Projekt kann man schließen.

Wir erstellen anschließend ein neues Worbench-Projekt und speichern es las "FEM2_Ansys_xx" (mit xx = Teilnehmernummer) im Projektordner des zweiten Übungskomplexes.

Innerhalb des Projekts erstellen wir eine neue Statisch-mechanische Analyse und benennen diesen ersten Anlauf als "Gummipuffer". Nun müssen nach dem bekannten Schema zuerst wieder die Materialdaten hinterlegt werden:

• Dazu öffnet man die Technischen Daten
• Analog zum Export lassen sich jetzt Datei > Technische Daten importieren ...
• Wir wählen die zuvor gespeicherte xml-Datei mit den Materialdaten.
• In der Übersicht erscheint jetzt Stahl C35 mit den bekannten Werkstoffdaten. Den noch vorhanden Baustahl kann man löschen (Rechtsklick).
• Neben dem Material für die Stahlscheiben wird auch wieder das Gummi benötigt. Damit die Simulationen konsistent bleiben, legen wir dieses selbst an:
  • Unter Stahl C35 wählt man dazu "Hier klicken, um ein neues Material hinzuzufügen"
  • Wir benennen das Material wieder als "Gummi-Nitril" (bestätigen mit <Enter>).
  • Aus der Toolbox am linken Rand fügt man jetzt Stück für Stück die relevanten Materialparameter zu den Eigenschaften des Gummis hinzu (Doppelklick oder Drag-and-Drop).
  • Für die mechanische Simulation ist die Linear-elastisch > Isotrope Elastizität (Isotropic Elasticity) nötig. (E-Modul = 12 N/mm², Poisson Zahl = 0,48)
  • Wenn man bewerten möchte, ob das Material unter Belastung versagt, sind die Parameter Festigkeit > Zugfestigkeit und Druckfestigkeit (Tensile Yield Strength, Compressive Yield Strength) notwendig. (Zugfestigkeit = 10 MPa, Druckfestigkeit = 110 MPa)
  • Zum Bewerten der Verformung durch das Eigengewicht ist die Physikalische Eigenschaften > Dichte (Density) anzugeben. (Dichte = 1,0 g/cm³)
  • Die thermische Simulation benötigt die Daten Physikalische Eigenschaften > Isotroper thermischer Sekanten-Ausdehnungskoeffizient (Isotropic Secant Coefficient of Thermal Expansion). (Expansionskoeff. therm. = 2,2E-4 1/K)
  • Hinweis: Allgemein ist die thermische Ausdehnung selbst von der Temperatur abhängig. Es gibt deshalb verschiedene Koeffizienten für Sekanten- und Tangentemmodul. Da wir ein einfaches Modell mit konstantem Parameter annehmen, ist die Unterscheidung für uns nicht von Bedeutung.
  • Die konkreten Zahlenwerte müssen konsistent zu denen in Fusion 360 gesetzt werden:

• Hinweis: In der aktuellen Version von Ansys Student kommt es scheinbar teilweise zu Fehlern bei der Spracheinstellung, weshalb an manchen Stellen die englischen Begriffe genutzt werden.

• Nachdem beide Materialien vollständig parametriert sind, kann man zur Projektübersicht zurückkehren.
• Die Geometrie lässt sich äquivalent zur ersten Übung über Kontextmenü > Geometrie importieren > Durchsuchen ... hinzufügen. Hier ist die zuvor gespeicherte Datei Gummipuffer_xx.step zu wählen.

Geometrie und Kontakte

Die weitere Konfiguration findet in GUI von Ansys Mechanical statt, die wir per Doppelklick auf Modell starten.

• In der 3D-Ansicht ist die aus Fusion 360 exportierte Geometrie zu sehen.
• Die einzelnen Körper tauchen mit den vergebenen Namen auch im Modellbaum auf.
• Im Gegensatz zur ersten Übung, ist den Körpern aber nicht automatisch ein Material zugewiesen worden. Das liegt daran, dass wir mehrere Parametersätze (Stahl und Gummi) definiert haben, und Ansys nicht zuordnen kann, zu welchem Körper welches Material gehört.
• Wir lösen die Fragezeichen vor den Geometrieelementen im Übersichtsbaum auf, indem wir jedem Körper in den jeweiligen Details von "..." das passende Material zuweisen.
• Bei Bedarf kann man über Details von "..." > Grafikeigenschaften > Farbe die Darstellung der einzelnen Körper anpassen.

Im nächsten Schritt müssen noch die Kontakte zwischen den Körpern definiert werden. Wird im Übersichtsbaum unter Projekt > Modell Kontakte/Verbindungen > Kontakte aufgeklappt, ist zu sehen, dass Ansys Mechanical bereits die zwei Kontakte zwischen dem Gummi und den Stahlscheiben erstellt hat. Die Kontaktflächen wurden korrekt zugewiesen. Das manuelle Anwählen von Geometrieelementen für Kontaktbereiche ist auch möglich und durch die Hilfsfenster mit Kontakt- und Zielkörper sehr komfortabel. Wir können uns diesen Schritt aber sparen.

Stattdessen sehen wir uns die Details von "Kontaktbereich" genauer an. Als Typ ist "Verbund" definiert. Das bedeutet, dass beide Teile fest miteinander verbunden sind. Die Knoten des einen Bauteils an der Kontaktfläche müssen also exakt den Bewegungen der Knoten des anderen Bauteils an der Kontaktfläche folgen. Die weiteren Optionen haben folgende Bedeutung:

• Keine Trennung: Hier dürfen die beiden Kontaktflächen aufeinander gleiten, können sich jedoch nicht lösen. Angewendet werden kann diese Option zum Beispiel für eine Achse in einem Gleitlager.
• Reibungsfrei: Hier ist auch ein reibungsfreies Gleiten möglich, jedoch können sich die Kontaktflächen oder Teile davon voneinander entfernen. Dies entspricht dem realistischen Verhalten zweier Körper, die aufeinanderstoßen können, ohne sich zu durchdringen. Ein Anwendungsbeispiel wäre das Ineinandergreifen von zwei (ideal) geschmierten Zahnrädern.
• Rau: Diese Option verhält sich wie die Option Reibungsfrei, jedoch haften die Kontakte hier stets. Statt eines Reibungskoeffizienten von 0 wird hier also ein Koeffizient von unendlich angenommen. Ein Beispiel wäre ein Autoreifen auf der Straße, wobei ein Schlupf ausgeschlossen wird.
• Reibungsbehaftet: Diese Option ist entsprechend eine Mischung aus Reibungsfrei und Rau und ist damit realistischer.

Während also die Option Verbund recht einfach implementiert werden kann, ist die Modellierung aller anderen Kontakttypen aufwändiger, da der Solver durch Abfragen der Position verschobener Knoten überprüfen muss, ob sich zwei Körper durchdringen würden oder nicht. Erst wenn dies der Fall ist, werden Kräfte auf die Knoten angetragen, um die entsprechende Durchdringung zu verhindern. In unserem Fall ist jedoch die "einfache" Option Verbund richtig.

Vernetzung

Beim Erstellen des FE-Netzes mit Standardeinstellungen entsteht ein gleichmäßiges Netz aus Hexaederelementen. Wir werden dieses lediglich durch Angabe zwei konkreter Elementgrößen verfeinern:
Elementgröße Stahlscheibe:

• Auswahl beider Körper mit der <Strg>-Taste
• Die gesamte Scheibe sollte mit 2 Elementschichten vernetzt werden, entsprechend ist der Wert der Elementgröße zu wählen.

Elementgröße Gummi:

• Auswahl des Gummikörpers und als Geometrie zuweisen
• Festlegen der Elementgröße auf die einfache Scheibendicke (Kompromiss aus Genauigkeit und Modellgröße)

Es sollte ein gleichmäßiges Netz mit ca. 95.000 Knoten und einer minimalen Elementqualität von 0,5 entstehen. Diese Standardvernetzung ist dem Modell in Fusion 360 nach unserem bisherigen Wissen rein qualitativ schon überlegen und für die erste Studie ausreichend. Im späteren Verlauf der Übung werden wir trotzdem versuchen die Qualität noch weiter zu erhöhen.

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