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 (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:

• Achtung: Im MEANS-Fenster wird ein Kurz-Protokoll generiert. Mit größter Wahrscheinlichkeit erscheinen in unserem Beispiel darin Fehlermeldungen in Bezug auf die Jacoby-Matrix:
  Datei:Software FEM - Tutorial - FEM-Prozess - Simulation - means terminated 0.gif
  • "Vernetzungsfehler: Jacobi-Determinante null oder negativ bei Element ..."
  • Ist dies der Fall, so müssen die Element-Normalen innerhalb des Netzes einheitlich in die richtige Richtung ausgerichtet werden!
• MEANS meldet das Ende der Berechnung mit einem Rückkehrcode (0=ohne Fehler!). Über den Ja-Button verlässt man den MEANS-Solver.
• Datei:Software FEM - Tutorial - FEM-Prozess - Simulation - warten auf means.gif
  Solange MEANS noch aktiv ist, muss FEMAP auf dessen Beendigung warten. Dies geschieht über ein Quittungsfenster. Hier sollte man erst OK drücken, nachdem man das MEANS-Programm beendet 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):
  • Nach Auswahl aller Elemente geben wir an, dass alle Elemente angepasst werden sollen und wir den Normalenvektor dafür vorgeben.
  • 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 (566=Größe der Matrix)
  • Breite (der belegten Koeffizienten in der Diagonale)
  • 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 (rein zahlenmäßig!)
  • hier maximale "Auslenkung" in X-Richtung=0.11mm und in Y-Richtung=0,014mm
  • 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

Wenn alles richtig lief, lädt danach FEMAP die von MEANS erzeugten Ergebnisdateien. Dieser Vorgang wird im Nachrichten-Fenster von FEMAP protokolliert.

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