Software: FEM - Tutorial - Topologie-Optimierung - Studienaufbau in Ansys

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Studienaufbau für Topologieoptimierung in Ansys

Auch Ansys Mechanical bietet verschiedene Verfahren zur Topologieoptimierung an. Diese möchten wir uns abschließend ansehen und mit den Ergebnissen aus Fusion 360 vergleichen.

Datenübertragung

Zunächst müssen die Projektdaten wieder übernommen werden. Fusion bietet eine Funktion an die vorhandenen Studien direkt zu übertragen. Leider gehen dabei teilweise Informationen verloren und man ist im Nachgang mit entsprechender Fehlersuche beschäftigt. Das gilt bedauerlicherweise auch für die komfortable Funktion in der Ansys Workbench direkt die Geometrie des aktuellen Fusion-Projekts zu importieren. Hier treten im Nachgang aktuell Probleme auf, wenn man mit SpaceClaim noch Änderungen vornehmen möchte. Mit unseren bisherigen Erfahrungen ist es deshalb einfacher und deutlich weniger fehleranfällig, die Studie in Ansys sauber komplett neu aufzubauen.

Zunächst wird die Modellgeometrie benötigt:

• Sonde_Zugdreiecke_xx in Fusion 360 öffnen
• In der Menüleiste Datei > Exportieren wählen
• Geometrie als STEP-Datei abspeichern

Anschließend kann man ein neues Ansys-Workbench-Projekt anlegen und im Projektordner als FEM6_ANSYS_xx.wbpj (mit xx = Teilnehmernummer) abspeichern.

• In Ansys baut die spätere Topologieoptimierung auf einer vorangegangenen statischen Analyse des Ausgangskörpers auf.
• Wir erstellen deshalb zunächst eine Statisch-mechanische Analyse im Projekt.
• Vor dem Aufbau der eigentlichen Studie fehlt noch die Materialdefinition.
• In den mitgelieferten Bibliotheken findet sich leider kein passender ABS-Kunststoff, weshalb wir das Material wieder selbst definieren und dabei die Parameter aus Fusion 360 übernehmen:
  1. Bearbeiten der Technischen Daten (Kontextmenü oder Doppelklick)
  2. den standardmäßig enthaltenen Baustahl löschen.
  3. "ABS" als neues Material anlegen (siehe zweiter Übungskomplex)
  4. aus der Toolbox alle notwendigen Materialeigenschaften hinzufügen und mit den Zahlenwerten aus Fusion 360 definieren:
     
  5. Technische Daten schließen

• Abschließend muss als Geometrie noch die zuvor gesicherte STEP-Datei importiert werden.

Aufbau der Analyse

Die Statisch-mechanische Analyse wird nach Doppelklick auf Modell in der Mechanik-Nutzeroberfläche fertig konfiguriert:

• Der importierten Geometrie sollte man einen sinnvollen Namen geben und als Material ABS zuweisen.

Vernetzung:

• Die Vernetzungsmethode unserer bisherigen Studie erzeugt etwa 300.000 Knoten.
• Wegen der Beschränkungen in der Studentenlizenz muss das Netz wieder etwas bedachter aufgebaut werden.
• Für das globale Netz verwenden wir deshalb die die grobe Standardeinstellungen mit einer nur etwas feineren Elementgöße > Auflösung von 4.
• Damit der zu optimierende Bereich feiner vernetzt wird, ergänzen wir eine lokale Elementgröße von 0,4 mm auf der unteren Fläche.
• Mit der Option Erweitert > Volumen beeinflussen = Ja kann man dafür sorgen, dass sich die Elementverfeinerung in einer betroffenen Entfernung von 20 mm fortsetzt:

• Es sollte ein Netz mit etwa 110.000 Knoten entstehen.

Lasten und Randbedingungen:
Die Randbedingungen sind wie in den bisherigen Studien zu definieren:

• Kraft von 3 N an der Tastfläche
• Fixierte Lagerung am unteren Loch (festgeschraubt)
• Abstützen des oberen "Stift-Lochs" nur über radiale Fixierung

Das Simulationsergebnis sollte man abschließend mit der vorherigen Arbeit in Fusion 360 abgleichen. Aufgrund der Kompromisse bei der Vernetzung können kleinere Abweichungen im Bereich von etwa 1% auftreten. Größere Unterschiede deuten auf einen Konfigurationsfehler hin und müssen behoben werden.

Hinzufügen der Strukturoptimierung:

Auf Grundlage der Statisch-mechanischen Analyse lässt sich jetzt eine erste Strukturoptimierung definieren:

• Dazu kehrt man zur Projektübersicht in der Workbench zurück.
• Aus den Analysesystemen wählt man Strukturoptimierung und zieht die neue Studie per Drag-and-Drop über das Feld A6 Lösung der bisherigen Anaylse.
• Damit entstehen alle notwendigen Verknüpfungen zwischen den Systemen automatisch. Natürlich könnte man die Verbindungen auch manuell ziehen.
• Wenn nach dem Einfügen die Lösung der bisherigen Analyse einen Blitz erhält, kann man mit Rechtsklick das System aktualisieren:

• Auch im Mechnaical-Fenster wird die neue Studie in der Projektübersicht angezeigt. Die Unterkomponenten sollten nachfolgend noch angepasst werden.

Analyseeinstellungen:

• Zunächst kann man hier ohne weiteres Vorwissen die Standardwerte beibehalten.
• Zur Sicherheit sollte aber die Maximale Anzahl an Iterationen auf 50 reduziert werden.
• Die Vorgabe von 500 ergibt durchaus Sinn, da in Ansys auch sehr komplexe Optimierungen möglich sind. Dafür ist im professionellen Einsatz aber auch entsprechende Hardware notwendig.
• Im Rahmen der Übung sorgen die reduzierten Iterationen dafür, dass auch bei Fehlern nach einer noch annehmbaren Simulationsdauer abgebrochen wird.

Optimierungsbereich:

• Der Optimierungsbereich wird in der Grundeinstellung auf den gesamten Körper bezogen, was für unsere Zwecke zunächst passt.
• Änderungen müssen am Ausschlussbereich vorgenommen werden. Dieser entspricht den "Beibehaltenen Bereichen" aus Fusion und umfasst auch hier standardmäßig nur die Randbedingungen.
• Ansys Mechanical bietet als primäres FE-Programm keine so intuitive Möglichkeit zur Definition dieser Bereiche wie Fusion 360. Für die präzise Auswahl von Geometriebereichen müsste man diese in SpaceClaim konstruieren und dann im Geometriebereich auswählen.

• Wir behelfen uns an diese Stelle wieder mit der Möglichkeit, direkt auf das FE-Netz zuzugreifen.
• Zur Auswahl von Knotensätzen klickt man im Übersichtsbaum am besten das Netz an und blendet die Grafik-Symbolleiste ein (falls zuvor ausgeblendet).
• Mit einem Klick auf die Z-Achse des Koordinatensystems im Grafikbereich richtet man die Ansicht senkrecht auf die Seite des Tasthebels aus. Alternativ ist das auch über MFL > Anzeige > Orientieren > Ansichten möglich.
• Die im Grafikbereich auszuwählenden Typen stellt man zunächst auf Element und wählt im Drop-Down-Menü des Auswahlmodus die Knoten-Rahmenauswahl im Volumen.
• Damit können zunächst die drei kubischen Bereiche definiert werden, indem man die Rechteckkontur durch Ziehen mit der Maus auswählt. Die dahinterliegenden Elemente werden in der senkrechten Ansicht mit selektiert.
• Durch geschicktes Zoomen und Drehen der Ansicht (nur um die Z-Achse!) kann man den eingeblendeten Maßstab im Grafikfenster als Orientierung nutzen. Auch die Elementgröße von 0,4 mm hilft beim Abschätzen von Abständen.
• Anschließend muss man die Auswahl jeweils über MFL > Auswahl > Komponenten > Erstellen unter einem sinnvollen Namen sichern:
  • Sensorhebel bis zum Ende der Kerbform auswählen.
  • Anlage_oben ausgehend von der oberen Körperkante mit 1 mm Abstand wählen.
  • Anlage_hinten ausgehend von der oberen rechten Ecke 5 mm breit bis kurz unter das untere Loch ziehen. Da man das Loch in der Seitenansicht nicht sieht, muss man hier die Länge schätzen und die Auswahl eventuell einige Male wiederholen.
  • Für die Gewindebohrung sind einige Zwischenschritte notwendig:
    1. Ausrichtung der Ansicht senkrecht auf das Gewindeloch (Kllick auf X-Achse)
    2. Wechsel des Auswahlmodus auf Knoten-Lassoauswahl im Volumen
    3. Ziehen eines Frei-Hand-Kreises mit der Maus um das Gewindeloch im Abstand von etwas mehr als einer Elementbreite (erfordert etwas Übung):
       
    4. Durch Drehen der Ansicht sollte man kontrollieren, dass die gesamte Innenfläche des Lochs selektiert ist.
    5. In der Grafiksymbolleiste können wir über das Drop-Down-Menü der Zwischenablage die Auswahl zur Zwischenablage hinzufügen.
    6. Dreht man anschließend die Ansicht erkennt man, dass das Loch noch komplett durchgängig selektiert ist.

Konfiguration der Strukturoptimierung

allgemeine Analyseeinstellungen

Zielfunktion

Antwortbeschränkungen

Lattice Optimierung

Lattice = Gitter

entstammt dem 3D-Druck und funktioniert wegen fehlender Komponenten der Student-version leider nicht, würde ansonsten Gitterstruktur nach Vorgabe ansetzen und deren Dichte optimieren (Beipielbilder)

Formoptimierung

morpht die vorhandenen Netzknoten und ändert so die Grundform ab um Optimierungsziele zu erreichen

Es ist damit keine Topologieoptimierung, weil die Ursprungstopologie nicht geändert werden kann

Für das konkrete Beispiel ist die Netzfeinheit der Studentenversion leider nicht ausreichend

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