Software: FEM - Tutorial - FEM-Prozess - Simulation

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Modellberechnung (Simulation)

Unser Finite-Elemente-Modell ist nun fertig, wir erreichten dies in folgenden Schritten:

1. Erstellen der Geometrie (Gerüst für das FE-Netz!)

• Wahl des Maßsystems
• Konfiguration der Arbeitsfläche.
• Abstraktion der Bauteilgeometrie auf das zum Vernetzen Notwendige.
• Definieren der für das Vernetzen benötigten Geometrie.

2. Zuweisung physikalischer Eigenschaften und Vernetzung

• Definieren der für die Netz-Elemente benötigten Materialeigenschaften (Werte meist aus Material-Bibliothek).
• Verknüpfung von Element-Typen (Properties) und Materialien zu Element-Eigenschaften. Die Wahl der Element-Typen richtet sich nach der Netz-Dimension (Stab, Fläche, Körper) und der zu berücksichtigenden Belastungen (z.B. für Flächen: Membran, Platte, Schale).
• Vernetzung entsprechend der zu erwartenden Feldgradienten und den allgemeinen Regeln der Vernetzung.

3. Definieren von Randbedingungen / Belastungen

• Definieren von Belastungsfällen (Load Sets) und Zuweisen der zugehörigen äußeren Belastungen (Flussgrößen in Knoten bzw. Elemente hinein, z.B. Kräfte, Ströme).
• Definieren von "Einspann"-Fällen (Constraint Sets) und Zuweisen der konkreten Zwangsbedingungen (Potentialgrößen vorgeben - schränken die Freiheitsgrade von Teilen des Netzes ein = "Auflager").

Die Modellberechnung ist nun kein Problem (Means > Solve), solange wir dabei keine Fehlermeldungen erhalten:

• Vor der Simulation wird auf Grundlage der Modellkonfiguration eine Standard-Konfiguration für die Verwendung des Solvers angeboten:
  
• Mit dieser Konfiguration können wir den Solver starten (Save Parameter + Run Solver).
• Achtung: Im MEANS-Fenster wird ein Kurz-Protokoll generiert. Mit größter Wahrscheinlichkeit erscheinen in unserem Beispiel darin Fehlermeldungen in Bezug auf die Jacobi-Determinante:

• Ist dies der Fall, so müssen die Element-Normalen innerhalb des Netzes einheitlich in die richtige Richtung ausgerichtet werden!
• FEMAP muss auf die Beendigung des MEANS-Solvers warten. Dies geschieht über das kleine Quittungsfenster. Hier sollte man erst OK drücken, nachdem man den Inhalt des MEANS-Protokolls gelesen hat!

Ausrichtung der Element-Normalen am Koordinatensystem:

• Durch den Netzgenerator von FEMAP wird diese erforderliche Orientierung der Element-Normalen nicht immer gewährleistet.
• 
  Der Normalen-Vektor der Elemente muss deshalb einheitlich in Z-Richtung des Koordinatensystems ausgerichtet werden (Tools > Check > Normals):

1. Nach Auswahl aller Elemente geben wir an, dass alle Elemente angepasst werden sollen und wir den Normalenvektor dafür vorgeben.
2. Für die Definition des Normalenvektors werden wir die Vorgabewerte nutzen (=Einheitsvektor in Z-Richtung).

• Danach sollte die Berechnung im MEANS-Solver fehlerfrei durchlaufen.
• Bevor man das Fenster von MEANS schließt, sollte man wieder einen Blick auf das dort generierte Kurz-Protokoll werfen, welches alle berechneten Lastfälle auflistet:

Statikberechnung:

• welche Freiheitsgrade berücksichtigt (Verschiebung in X und Y)
• Zahl der Unbekannten (578=Größe der Matrix)
• Frontbreite (belegte Koeffizienten in der Diagonalen)
• Belegter Speicherplatz im Computer

Struktur-Volumen / -Masse:

• in der benutzten geometrischen Grundeinheit (hier m³ und kg)

Material / Properties:

• Was wurde wie vielen Elementen zugewiesen

Verschiebungen (transmissions):

• kleinster und größter Wert in Richtung jeden Freiheitsgrades
• hier maximale "Auslenkung" in X-Richtung=36,5 µm und in Y-Richtung=4,8 µm
• Hinweis: kleinster und größter Wert in Y-Richtung müssten im Betrag gleich sein (wegen Symmetrie). Abweichung resultiert aus unsymmetrischen Netz!

Summe Auflagerkräfte:

• muss für jeden Freiheitsgrad immer gleich der Summe der eingespeisten Kräfte sein!

Spannungen (min/max) im Material:

• bei uns in N/m² (Umrechnung in N/mm² mit Faktor 1E-6)
• Spannungen in Richtung der Freiheitsgrade (XX bzw. YY)
• Scherspannung XY (entspricht τ_xy)
• Vergleichsspannung nach "von-Mises"

Spannungen an Eck-Knoten:

• Gemittelte Maximal- bzw. Minimalwerte

Nach dem Beenden des MEANS-Solvers lädt FEMAP die von MEANS erzeugten Ergebnisdateien. Dieser Vorgang wird im Nachrichten-Fenster von FEMAP protokolliert.

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