Druck- und Axialbelastung
eines Rohrflansches
mit FEM-System MEANS V8
und Solid Works 2007
Zur Homepage www.femcad.de
Ein Rohrflansch wird mit einem
Innendruck von 29.1 bar und einer Axialbelastung von 242 KN belastet. An einem
Ende ist das Rohr gegen axiale Verschiebung eingespannt.
Wie hoch sind die Flansch- und
Schraubenspannungen?
Der Rohrflansch soll komplett
mit allen 12 Schrauben berechnet werden.
Rohrflansch als Baugruppe in
Solid Works 2007
Ausnutzung der
Rotationssymmetrie
Da die Geometrie sowie die
Belastungen und die Randbedingungen alle rotationssymmetrisch sind kann der
Rohrflansch
auch halbiert und geviertelt
berechnet werden.
Vorteile:
-
FEM-Rechenzeit und FEM-Aufwand wird deutlich gesenkt
-
FEM-Berechnung wird bei komplexen Bauteilen manchmal erst möglich
-
der Innenbereich kann leichter visualisiert werden
Nachteile:
-
erfordert zusätzliche Symmetrie-Randbedingungen
-
Knotenbelastungen müssen mit Faktor 0.5 oder 0.25 angepaßt werden
-
gute FEM-Kenntnisse erforderlich
Rohrflansch halbiert mit den
Symmetrie-Randbedingungen
Rohrflansch geviertelt mit den
Symmetrie-Randbedingungen
CAD-Baugruppe als Teil erzeugen und als STL-Datei abspeichern
Schritt 1: Neues Teil einfügen
Zuerst muß aus der Baugruppe ein
Modell erzeugt werden indem alle Unterbaugruppen zu einem Teil miteinander
verschmolzen sind.
In anderen CAD-Systemen wie
AutoCAD oder Pro/E werden die Solids mit einer Boolschen Operation vereinigt.
In Solid Works muß man
dagegen zuerst ein Teil erzeugen
und dannach die einzelnen Unterbaugruppen in das Teil einfügen.
Erstellen Sie mit Menü Einfügen
/ Komponente / Neues Teil ein neues Teil.
Speichern Sie ein neues Teil
unter Teil1.sldprt im gleichen Verzeichnis indem sich die Baugruppe
befindet ab.
Wählen Sie Ebene vorne
aus und klicken rechts oben auf das Kreuz um alle Änderungen an der Skizze zu
verwerfen.
Schritt 2: Baugruppe vereinigen
Wählen Sie das Menü Einfügen
/ Features / Vereinigen um alle Solids zu vereinen.
Es öffnet sich links ein noch
leeres rotes Feld, klicken Sie jetzt auf alle Unterbaugruppen so daß diese blau
dargestellt und
im roten Feld aufgelistet
werden.
Wenn alle Unterbaugruppen im
roten Feld aufgelistet sind, fügen Sie noch einen Haken vor „Oberflächenkontakt
erzwingen“ und
klicken oben auf 
um alles
zu vereinigen. Nun befindet sich im „Teil1“ die gesamte verschmolzene
Baugruppe.
Schritt 2: Baugruppe als Teil im STL-Format sichern
Speichern Sie nun das Teil unter
Teil1.SLDPRT und wählen den Dateityp „STL“
Wählen Sie „Optionen“ aus und stellen
die STL-Ausgabe auf das ASCII-Format.
Netzgenerierung des Rohrflansches
Starten Sie mit einem
Doppelklick auf das Desktop-Icon 
um MEANS V8 zu starten. Bitte beachten Sie dass folgendes installiert ist:
·
Framework
2.0 (Download im Internet unter www.microsoft.de )
·
DirectX9-Installation
finden Sie unter „Alle Programme/FEM-System MEANS“
·
der aktuelle
DirectX9-Grafikkartentreiber installiert ist
Wählen Sie „Neues Projekt“ und
„3D-Tetraeder-Netzgenerierung“ um die STL-Datei für den 3D-Netzgenerator
auszuwählen.
3D-Netzgenerator
Wählen Sie in der Ansichtsleiste das
Icon 
und das Dropdown-Menü
„3D-Netzgenerator“ aus.
Es erscheint eine Dialogbox, hier
werden die CAD-Formate angezeigt:
STL für die 3D-Netzgenerierung das
beste geeignete Format
DXF
hauptsächlich für die 2D-Netzgenerierung mit MEANS V7
STEP/IGES weniger
geeignet, da meistens zu feine Netze erzeugt werden
STEP nach STL konvertieren
Falls nur STEP- oder IGES-Dateien
verfügbar sind, können diese im Netzgenerator unter File / Save Geometrie als
STL-Dateien abgespeichert und mit File / Load Geometrie wieder eingeladen werden oder man wiederholt komplett
die Netzgenerierung mit einer
„STL-Optimierung“.
Keine Baugruppen verwenden
Sowohl
in der STL- als auch in der STEP-Datei dürfen keine Baugruppen abgespeichert sondern
müssen vorher im
CAD-System
zu einem Teil verschmolzen worden sein. Dieser Arbeitsschritt ist heute aber
mit jedem 3D-CAD-System
über „Boolsche
Operationen“ und „Vereinen“ durchführbar.
Fehler-Anzeigefenster:
Sollte
der Netzgenerator beim erstenmal abstürzen dann ist Ihre STL-Datei nicht 100%
ig in Ordnung und besitzt
„unverbundene“ Kanten
womit sie für die Netzgenerierung unbrauchbar werden kann. Wiederholen Sie darum die
Netzgenerierung
und wählen diesmal das Menü „...mit
Fehler-Anzeigefenster“ sowie im Netzgenerator
„File“ und „Recent Files“, jetzt werden Fehlermeldungen in
einem DOS-Fenster angezeigt die Hinweise auf die Absturzursache liefern.
Netzgenerator Nr. 2
Selektieren Sie die gewünschte
STL-Datei und wählen „Netzgenerator Nr. 2 starten“ Es wird automatisch der
Netzgenerator Nr. 2
gestartet und das CAD-Modell wird in
einem Windows-Fenster dargestellt. Sie können es mit rechten Maustaste beliebig
im Raum drehen und ansehen.
Netzdichte einstellen
Im Netzgenerator Nr. 2 können
mit dem Menü „Mesh“ und „Meshing Options“ verschiedene
Netzdichten eingestellt werden:
·
very coarse
·
coarse
·
moderate -> Diese
Netzdichte ist immer voreingestellt
·
fine
·
very fine
Netzgenerierung ohne Refinement
Sie können sofort mit dem Menü „Generate Mesh“ und der voreingestellten
Netzdichte „moderate“ ein
FEM-Netz generieren.
Netzgenerierung mit Refinement
Das obige Netz ist jedoch noch
viel zu grob. Ein feineres Netz wird mit dem Menü „Refinement / Refine uniform“
erzeugt,
wobei aus 1 Tetraeder 8 neue
Tetraeder erzeugt werden.
Es
kann auch besser sein zuerst mit einer gröberen Netzdichte zu generieren und
dannach das Netz zu verfeinern als gleich mit einer
höheren
Netzdichte wie „fine“ oder „very fine“ zu generieren. Damit entstehen
gleichmäßigere Netzverteilungen.
Auch
können im Hauptprogramm zu grobe Netzbereiche mit einer „lokalen Netzverfeinerung“
nachverfeinert werden.
Netz mit Namen „test.fem“ exportieren
Wird nach der Netzgenerierung
die Anzahl der Elemente am Bildschirm unten links angezeigt, dann ist das Netz
erfolgreich
generiert und man kann es für
MEANS exportieren:
Wählen Sie jetzt das Menü „File“ und „Export Mesh“ um das Netz unter dem Namen „test.fem“ in das „Debug-Verzeichnis“
zu exportieren.
Jetzt wird der Preprozessor von
MEANS V8 automatisch gestartet und das FEM-Modell im Hidden-Line dargestellt.
Modell verkleinern und vergrößern
Sie können das Modell mit dem Drehrad
(auch Wheel genannt) der Maus beliebig verkleinern und vergrößern.
Modell drehen
Sie können das Modell mit der rechten
Maustaste um die X- und Y-Achse und mit der rechten Maustaste um die Z-Achse
beliebig im Raum drehen.
Einstellung der optimalen 3D-Ansicht
Verkleinern bzw. vergrößern Sie nun
mit dem Maus-Rad das Modell soweit daß man es auf dem gesamten Bildschirm sehen
kann.
Drehen Sie mit der rechten Maustaste
das Modell um die Z-Achse.
Speichern Sie das Modell unter einem
beliebigen Namen ab damit auch die aktuelle Ansicht mitabgespeichert wird.
Flächenmodell erzeugen
Wählen Sie das Menü „Flächen und
Kanten erzeugen“ um das Modell in seine Flächen zu zerlegen. Die Flächen werden
für die Erzeugung der
Knoten- und Flächenbelastung sowie für
die Randbedingungen benötigt und können auch beliebig ein- und ausgeblendet
werden.
Für das Modell stellen Sie bitte „normale Flächen“ ein und erzeugen das Flächenmodell.
Das Flächenmodell besteht nun aus 505
Surface-Flächen. Die einzelnen Flächen können nun mit der Maus selektiert
werden,
wobei die berührte Fläche immer in Rot
dargestellt wird.
Versuchen Sie alle Außenflächen
nacheinander anzuklicken um ein besseres Gefühl für die Selektierung zu
bekommen.
Die Innenflächen können noch nicht
selektiert werden da sie im Moment noch von den Außenflächen überdeckt werden.
Wichtige Flächen die gleich für
die FEM-Analyse gebraucht werden:
Fläche 68 -> Fläche für
Axial-Belastung
Fläche 69 und 172 -> Flächen für
die Innendruck-Belastung
Fläche 170 - > Fläche für
Einspannung
Flächen ausblenden
Wählen Sie dazu im rechten Menüfeld
das Menü „Flächen ein-/ausblenden“ sowie
„Einzelne ausblenden“ oder „Einzelne
einblenden“.
Dieses Menü wird später für das
Postprozessing benötigt um die Spannungen an den Schrauben besser auswerten zu
können.
Flächemodus ein- und ausschalten
Mit der rechten Maustaste können Sie
den Flächenmodus anhalten um an einer Fläche die Randknoten bzw.
Flächenknoten anzuzeigen um diese für
eine Knotenlast oder Randbedingung zu selektieren.
Drücken Sie wieder auf die rechte
Maustaste oder auf das Menü „Flächenmodus“ dann wird der Flächenmodus wieder
eingeschaltet.
Flächenlast erzeugen
Der Innendruck auf die Innenflächen 69
und 172 beträgt 29.1 bar bzw. 2.91 N/mm2.
Wählen Sie das Menü „Flächenlast
bearbeiten“ und geben einen Belastungswert von 2.91 sowie den Freiheitsgrad
„senkrecht zur Fläche“ ein.
Wählen Sie „Belastung erzeugen“ und
klicken mit einem Doppelklick auf die Fläche 69 und Fläche 172. Diese werden nun in der Selectbox angezeigt.
Wählen Sie dort „Erzeugen“ um die Flächenlast zu erzeugen.
Die Flächenlast wird nun schwarz
dargestellt.
Axiallast erzeugen
Die Axiallast von 242 KN bzw. 242 000
N wirkt auf die Fläche 68 in X-Richtung.
Wählen Sie das Menü „Knotenlast
bearbeiten“ und geben einen Belastungswert von 1.0 sowie den Freiheitsgrad
„X-Richtung“ ein.
Wählen Sie „Belastung erzeugen“ und
klicken mit einem Doppelklick auf die Fläche 68. Die wird nun in der Selectbox angezeigt. Wählen Sie dort
„Erzeugen“ um die Axiallast zu erzeugen.
Axialbelastung auf Knoten
verteilen
Wählen
Sie „FEM-Projekt bearbeiten“ und Belastungen. Es wurden 25 Knotenlasten
erzeugt, daraus ergibt sich eine
Axialbelastung
für jeden Knoten von 242 000 N / 25 = 9680 N. Wählen Sie „Lastfall-Faktor“ und
geben dort diesen ein.
Lastfall 1 + 2 überlagern
Wählen
Sie das Menü „Lastfälle überlagern“ und wählen „Generieren viele LF“, jetzt werden Lastfall 1 und 2 jeweils
getrennt
berechnet
und Lastfall 3 wird mit Lastfall 1 und 2 überlagert.
Randbedingungen erzeugen
Das rechte Ende ist mit der Fläche 170
fest eingespannt. Wählen Sie dazu das Menü
„Randbedingungen bearbeiten“
sowie den Freiheitsgrad „Einspannung“
und zum Schluß den Button „RBs erzeugen“.
Randbedingungen mit Flächenmodus erzeugen
Jetzt klicken Sie mit einem
Doppelklick auf die Fläche 170, diese wird in die Selectbox geschrieben. Mit
„Erzeugen“ werden die Randbedingungen erzeugt.
RBs mit Knotenpunkten erzeugen
Wählen Sie wieder „Randbedingungen
erzeugen“ und selektieren mit der linken Maustaste die Fläche 170. Dannach
klicken Sie die
rechte Maustaste um den Flächenmodus
anzuhalten. Klicken Sie jetzt im rechten Seitenmenü auf „Flächenknoten“ um die
Randknoten der Fläche 170 am Modell darzustellen.
Sind die Knoten sichtbar befinden Sie
sich im Knoten-Modus und können die 25 Knoten mit der Maus und einem
Doppelklick selektieren.
RBs mit Rechteck aufspannen erzeugen
Als Alternative können die RBs erzeugt
werden indem über der Fläche 170 ein Rechteck aufgespannt wird.
Materialdaten erzeugen
Wählen Sie das Menü „FEM-Projekt
bearbeiten“ und „Materialdaten“ um die
Werkstoff-Eigenschaften wie Elastizitätsmodul oder Poisson-Zahl einzugeben.
Materialdaten eingeben
E-Modul und Poisson-Zahl können per Editor
sofort eingegeben und geändert werden.
Die anderen Materialdaten wie Dichte (Dynamik), Wärmekoeffizienten (Temperaturlast),
Wärmeleitfähigkeiten (Tempertur) oder spez. Wärmekapazität (instationäre
Temperatur) werden bei der linearen Statik nicht benötigt.
Material aus der Datenbank entnehmen
Mit dem Menü „Material-Datenbank“
können die gängigsten Werkstoffe aus einer mitgelieferten Material-Datenbank übernommen
werden.
Die Datenbank kann aber auch beliebig
mit eigenen Werkstoffen erweitert werden.
Access-Datenbank kompatibel
Die Datenbank-Datei „Directory“ im
Debug-Verzeichnis ist auch voll kompatibel zum Microsoft Datenbankmangementsystem
Access
und kann damit auch bearbeitet werden.
FEM-Analyse
Zuerst speichern Sie das Modell unter:
einem beliebigen Namen in das Struktur-Verzeichnis ab und wählen „FEM-Analyse“
und nochmal „FEM-Analyse“.
Es wird ein Windows-Fenster geöffnet
und der FEM-Solver beginnt mit der FEM-Analyse die bei großen FEM-Modellen mit
über 100 000 Tetraederelementen mehrere Stunden dauern kann.
Am Schluß werden die Max-Min-Werte der
Verformungen und Spannungen angezeigt.
Mit „Datei/Save as“ kann der Fensterinhalt mit den wichtigsten
Daten auch in eine beliebige
ASCII-Datei abgespeichert werden.
Mit der Taste „Enter“ kehren Sie
wieder zum Hauptprogramm zurück. Dort wählen Sie „Schritt 2: Postprocessing
starten“ aus um die Ergebnisse farblich auszuwerten.
Ergebnisauswertung
Nach der FEM-Analyse oder mit dem Icon
und dem
Menü „Ergebnisauswertung mit Dialogbox“ erscheint die Dialogbox für die
Ergebnisauswertung mit:
Folgende Ergebnisgrößen können
grafisch ausgewertet werden:
·
Verformungen
·
Knotenspannungen gemittelt
·
Elementspannungen ungemittelt
weiterhin können
·
die Ergebnisse mit dem
Windows-Editor Notepad aufgelistet werden
·
und die Verformungen mit einem
speziellen OpenGl-Animationsprogramm
animiert werden
Stellen Sie die Raster-Genauigkeit auf
„4“ und wählen „Modell mit Ergebnisauswertung“ um die gemittelten
Knotenspannungen grafisch darzustellen.
Ranbedingungen und Flächenlast
ausblenden
Damit die Spannungen besser zu sehen
sind können Randbedingungen und Flächenlast ausgeblendet werden. Dazu auf
„Randbedingungen darstellen“
und „Belastungen darstellen“ klicken
damit der Haken gelöscht wird.
Darstellung der maximalen Mises-Vergleichsspannung
Wählen Sie
„Modell mit Ergebnisauswertung“ und Lastfall 3 um die gemittelten Vergleichsspannungen
darzustellen. Die Maximalwerte
befinden
sich allerdings an den Schrauben die im Gesamtmodell verdeckt sind.
Farben drehen
Wählen Sie links in der Farb-Legende
das Menü „Bearbeiten“ und „Farben drehen“ um die Farbenpalette zu drehen.
Verformungsfaktor
Wählen Sie links „Bearbeiten“ und
„Verformungsfaktor“ und geben einen
Verformungsfaktor von 270 ein damit die Verformungsverteilung
besser zu sehen ist.
Max. Vergleichsspannung = 110 N/mm2 beim
gesamten Modell
Max. Verformung in X-Richtung = 0.141 mm
Darstellung
der max. Spannungen in den Schrauben
Wählen Sie im rechten Seitenmenü
„Einzelne Flächen einblenden“ und klicken auf die Fläche 138. Man erhält dann
das
Spannungsbild einer einzelnen
Schraube.
Max. Vergleichsspannung = 107 N/mm2 beim
halben Modell
Max. Vergleichsspannung = 109 N/mm2 beim
geviertelten Modell
Ergebnisvergleich
mit den verschiedenen Modellen
Modell max. X-Verformung max.
Mises-Vergleichsspannung
Gesamt 0.141 mm 110 N/mm2
nur Hälfte 0.149
mm 107 N/mm2
nur Viertel 0.142
mm 109 N/mm2
