Glasstatik-Beispiele mit FEM-System MEANS V8 – Teil 4a

Da die dünne Glaskonsole mit einer Dicke von 5 mm gerade noch mit Tetraeder-elementen berechnet werden kann, muß das Modell jetzt mit einem CAD-System als Solid-Volumenmodell konstruiert werden.

Gängige 3D-CAD-Systeme sind z.B. AutoCAD, Inventor, Solid Edge, Solid Works, Catia, Pro/E, HiCAD, MegaCAD u.v.a.

Da das CAD-System MyCAD 3D von HTA-Software für nur € 499,00 als MEANS-Zusatzmodul im Vertrieb ist, wird natürlich zuerst die Eingabe der Glaskonsole mit diesem CAD-System beschrieben.

Sie dazu das Tutorial Glasstatik-Beispiele mit FEM-System MEANS V8 – Teil 4b

STEP-Datei abspeichern

Wählen Sie „Datei/Exportieren“ und wählen das Format „3dSolid_step.exp“ aus.

Dann kopieren Sie die Datei mit Hilfe von „Browser“ den Namen:

C:\Programme\Gemeinsame Dateien\MEANS V8\step\glaskonsole.stp

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/STP für die 3D-Netzgenerierung die am besten geeignete Formate

DXF hauptsächlich für die 2D-Netzgenerierung

IGES weniger geeignet, da meistens zu feine Netze generiert werden

Falls nur STEP- oder IGES-Dateien verfügbar sind, können diese im Netzgenerator Nr. 2 auch als STL-Dateien abgespeichert und wieder eingeladen werden, diese bringen dann oft bessere Ergebnisse mit weniger Elementen und Knotenpunkten.

Netzgenerator Nr. 2

Selektieren Sie die gewünschte STP-Datei aus dem CAD-System MyCAD 3D 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 bestehend aus 1003 Knotenpunkten und 2714 Tetraederelementen generieren.

Netzgenerierung mit Refinement

Das obige Netz ist jedoch noch viel zu grob. Ein feineres Netz wird erzeugt, wenn mit dem Menü „Refinement / Refine uniform“ das gesamte Netz nachverfeinert, wobei aus 1 Tetraeder 8 neue Tetraeder erzeugt werden.

Nach der Verfeinerung ensteht ein 8 x größeres FEM-Netz mit 21712 Tetraedern und 5720 Knotenpunkten.

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 Netz-verfeinerung“ 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.

Lokale Netzverfeinerung

Lokale Netzverfeinerungen können nicht im Netzgenerator Nr. 2 sondern im Hauptprogramm durchgeführt werden.

Wählen Sie hierzu das Menü „Lokale Netzverfeinerungen für Tetraeder“ um eine selektierte Fläche nachzuverfeinern.

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.

Modell in seine Flächen zerlegen

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 Flächen-modell.

Das Flächenmodell besteht nun aus 13 Hauptflächen. 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.

Flächemodus ein- und ausschalten

Mit der rechten Maustaste können Sie den Flächenmodus anhalten um an einer Fläche die Randknoten bzw. Innenknoten anzuzeigen und diese für eine Knotenlast oder Randbedingung zu selektieren.

Drücken Sie wieder auf die rechte Maustaste wird der Flächemodus wieder eingeschaltet. Klicken Sie auf das Menü „Surfaces selektieren“ um den Surfacemodus wieder einzuschalten.

Eingabe der Belastung

Die Glaskonsole wird mit 1 Tonne belastet. Daraus entsteht eine Knotenpunkt-belastung von –10000 N.

Wählen Sie zuerst das Icon und das Menü „Knotenlast erzeugen“

Geben Sie den Wert „-10000“ in Y-Richtung ein und wählen „Belastung erzeugen“

Randknoten anzeigen

Selektieren Sie die Fläche 7 und klicken auf die rechte Maustaste um den Flächenmodus anzuhalten. Gehen Sie in das rechte Seitenmenü und klicken auf „Randknoten“ um die Randknoten an Fläche 7 darzustellen.

Klicken Sie mit einem Doppelklick auf den Knoten 1223, dieser wird in die Selectbox geschrieben. Mit „Erzeugen“ in der Selectbox wird endgültig die Knotenlast erzeugt.

Randbedingungen erzeugen

Die Glaskonsole wird an den vier Eckknoten 1,2,3 und 4 sowie an den Knoten 1014 und 1053 der Fläche 1 festgehalten.

Wählen Sie dazu das Menü „Randbedingungen erzeugen“ sowie den Freiheitsgrad „Einspannung“ und zum Schluß den Button „RBs erzeugen“.

Innenknoten anzeigen

Selektieren Sie die Fläche 1 und klicken auf die rechte Maustaste um den Flächenmodus anzuhalten. Gehen Sie in das rechte Seitenmenü und klicken auf „Innenknoten“ um die Innenknoten an Fläche 1 darzustellen

Klicken Sie jetzt mit einem Doppelklick auf die Eckknoten 1,2,3 und 4 sowie auf die Knoten 1053 und 1014. Diese werden in der Selectbox angezeigt, dort mit „Erzeugen“ die RBs erzeugen.

RBs, Knotenlast und Knotenpunkte darstellen

Mit dem Icon können Sie die RBs, Knotenlasten und Knotenpunkte kleiner oder größer dargestellt werden, falls die automatische Darstellung nicht ausreichend ist.

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, Poisson-Zahl und Dichte können per Editor sofort eingegeben und geändert werden.

Material aus der Datenbank entnehmen

Mit dem Menü „Material-Datenbank“ können auch über 100 abgespeicherte Materialien in MEANS übernommen werden. Die Datenbank kann auch beliebig mit eigenen Werkstoffen erweitert und editiert werden.

Anisotropes Material

Anisotrope Materialien können ebenfalls in der Datenbank eingegeben werden, diese benötigen aber für die insgesamt 9 Materialkonstanten immer zwei Zeilen:

Zeile 1: E11, E22, E33, E12 und E13

Zeile 2: E23, E44, E55 und E66

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 Menü erscheint die Dialogbox für die Ergebnisauswertung der Verformungen und Spannungen.

Übernehmen Sie die Voreinstellungen und wählen „Modell mit Ergebnisauswertung“

Ergebnisvergleiche:

Es ergeben sich folgende Vergleiche zwischen dem Tetraedermodell und dem Schalenmodell (siehe Teil 3):