Software: FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - Z88 - Vernetzung Einzelteile

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Vernetzung der Einzelteile

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 von Stahlscheibe und Gummihülse jeweils 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:
  
• Das Ergebnis erscheint 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.
  • Da wir nur die beiden Original-Bauteile als STEP-Dateien exportieren, müssen wir uns um diesen Effekt hier nicht weiter kümmern.
  • Hinweis: Möchte man die gesamte Baugruppe als STEP-Datei exportieren, um darin die Positionen der Bauteile zu bewahren, so wäre es erforderlich, dieses Problem mit der oberen Stahlscheibe zuvor zu beheben!

Die beiden reduzierten Bauteil-Geometrien exportieren wir als Stahlscheibe_xx.step und Gummi_xx.step in den aktuellen Projekt-Ordner:

• Für die "Gummihülse" wurde bewusst der Umlaut im Namen der STEP-Datei vermieden, da es sich bei Z88Aurora um kein "reines" Windowsprogramm handelt!
• 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!

Stahlscheiben-Vernetzung

Für die Vernetzung der Stahlscheibe muss im Z88Aurora eine neue Projekt-Mappe angelegt werden (FEM2_Z88a_Scheibe_xx):

• Nach dem Import der STEP-Datei erfolgt die Vernetzung der Tetraeder (quadratische Ansatzfunktion) mittels des Freemeshers Netgen.
• Die Entscheidung fiel auf Netgen, weil dieser eine homogenere Vernetzung als Tetgen erzeugt.
• Die gesamte Scheibe sollte mit 2 Elementschichten vernetzt werden, entsprechend ist der Wert der Elementgröße in mm zu wählen. Eine separate Tetraeder-Verfeinerung an den Kanten ist dann nicht erforderlich:
  
• Das Material Baustahl S235JR - Werkstoff-Nr. 10037 muss allen Elementen der Scheibe zugewiesen werden:
• Nach dem Beenden von Z88Aurora sind sämtliche Informationen zum FEM-Modell des Bauteils "Stahlscheibe" im zugehörigen Projekt-Ordner gespeichert.

Gummi-Vernetzung

Für jedes Bauteil der zu simulierenden Baugruppe muss ein separates Projekt definiert werden. Wir legen also für die Gummihülse ebenfalls einen neuen Projekt-Ordner an (FEM2_Z88b_Gummi_xx):

• Nach dem Import der Step-Datei dieses etwas größeren Bauteils sollte man die Vernetzung sorgfältiger planen, als bei der Stahlscheibe.
• Bei unnötig feiner Vernetzung entsteht hier auf Grund der Höhe sehr schnell eine große Elemente-Anzahl mit entsprechend großem Rechenzeitbedarf.
• Hinweis:
  • Ursprünglich war geplant, die Kontaktflächen zu den Stahlscheiben mit gleicher Elementgröße zu vernetzen, wie die Stahlscheiben. Global sollte eine gröbere Vernetzung erfolgen.
  • Der Netzgenerator Netgen nimmt nur die globale Vernetzung vor. Leider erwies sich eine Tetraeder-Verfeinerung an den Stirnflächen sowohl in Hinblick auf den Rechenzeitbedarf für die Verfeinerung, als auch in Hinblick auf die erreichte Netzqualität als nicht praktikabel!
• Deshalb wurde der gesamte Gummi einheitlich mit einer Elementgröße vernetzt, welche der Scheibendicke entspricht.
• Für die Vernetzung benötigt Netgen mehrere Minuten, erzeugt dann aber ein sehr homogenes Netz mit fast 100000 Elementen.
• Aus der Materialdatenbank muss um das Elastomer-Material "Gummi" verwendet werden (Nr. 47).
• Damit verwenden wir auch hier die gleichen Parameter wie im CAD-Modell, um die Ergebnisse direkt vergleichen zu können!

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