Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - MP - Axialsymmetrie

Axial-symmetrische Volumen-Elemente

Bereits bei der Entfaltung des Netzes für das Achtel des Puffers wurde deutlich, dass auf Grund der Symmetriebedingungen bereits ein unendlich dünnes "Tortenstück" für das Netz ausreichend ist. Diese Idee werden wir nun mittels sogenannter axial-symmetrischer 2D-Elemente umsetzen:

Dazu beginnen mit einer neuen Modell-Datei 2D-Puffer_xx.fem (xx=Teilnehmer 00...99). Diese speichern wir in den gleichen Ordner, wie "Gummipuffer_xx.fem".
Das Prinzip der 2D-Modellierung haben wir bereits in der vorherigen Übung am Beispiel der Lasche behandelt.
Axialsymmetrische Elemente sind 2D-Elemente 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:

Achtung (Fehlerquelle):

Die Dicke=1 rad (Radiant=Einheit des Bogenmaßes; siehe hierzu auch in der Autodesk-Hilfe) kann man in Autodesk Simulation Mechanical nicht ändern! Der Vollkreis besitzt jedoch den Wert Dicke=2π rad.
Das bedeutet, dass man sämtliche Kraftbelastungen um den Faktor 2π verringern muss!
Diese Fehlerquelle tritt in anderen FEM-Programmen nicht auf, weil dort standardmäßig der komplette Vollkreis als "Dicke" der axialsymmetrischen 2D-Elemente angenommen wird.

Wir entwickeln das strukturierte Netz für die obere Symmetriehälfte des Puffers auf der Basis von skizzierter Konstruktionsgeometrie in der YZ-Ebene (Bauteile: Gummihuelse und Stahlscheibe):

Wir können die Vernetzung nun wesentlich feiner gestalten, als bei dem zuvor entfalteten 3D-Netz (z.B. 100x150 für die Gummihülse), weil das 2D-Netz wesentlich ressourcensparender ist.
Zusätzlich können wir auch in Z-Richtung eine ungleichmäßige Teilung der Konstruktionslinie für die Vernetzung vornehmen. So entsteht die gewünschte feinere Vernetzung an der Lochkante und die Größe der Elemente ändert sich mit gleichbleibendem Seitenverhältnis in Richtung Außenrand.
Die Stahlscheibe ist angepasst an die Gummihülse mit möglichst wohlproportionierten Elementen zu vernetzen.
Hinweis: Die geforderte Netzstruktur ist im obigen Bild zu erkennen, wobei die Teilung in der Gummihülse um den Faktor 10 gröber gewählt wurde, damit man noch etwas erkennt.

Abhängigkeiten und Lasten sollte man Konstruktionsobjekten zuweisen, damit auch bei nachträglich veränderter Vernetzung die automatische Zuordnung zu den betroffenen Knoten erfolgt. Leider wurde in der aktuellen Version Autodesk Simulation Mechanical trotz vorhandener Konstruktionsobjekte (Linien und Punkte) bei strukturierten Netzen dafür keine Möglichkeit gefunden:

Wir müssen also Lasten und Abhängigkeiten wieder auf die Knoten beziehen, mit allen daraus resultierenden Nachteilen.
Streckenlast entlang der Lochkante entspricht der Kraft auf dem Randknoten des Loches:
Flächenlast auf die obere Stahlscheibe entspricht ungefähr der Kraft auf den Mittelkreis der als starr angenommenen Stahlscheibe, wenn nur die Belastung der Gummihülse interessiert. Leider ist eine Druck-Belastung hier nicht realisierbar.