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Nichtlineare Finite Elemente Simulation mit dem neuen CATIA V5 ANL - Modul
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Kurze Vorstellung IKL, MIVPWarum nichtlineare FE-Analysen ?Ablauf einer nichtlinearen FE-AnalyseDie CATIA V5 ANL – WorkbenchNichtlineare FE-Analyse in CATIA V5Kommunikation CATIA ↔ ABAQUSBerechnungsbeispiele• Nichtlineares Materialverhalten• Träger mit Kontaktstütze• Gummidichtung großer Verformung• Kombination der Nichtlinearitäten
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Institut für Konstruktionswissenschaftenund Technische Logistik
Konstruktionslehreund
Fördertechnik
Maschinenelementeund
Rehabilitationstechnik
Maschinenbauinformatikund Virtuelle
Produktentwicklung
Apparate-und
AnlagenbauECODESIGN
Homepage: http://www.ikl.tuwien.ac.at
Wer ist IKL und was bedeutet MIVP ?
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Anwendungsgebiete:Technische Anwendungenz. B.: CAx, FEM, MKS,
BerechnungssoftwareAdministrative Anwendungenz. B.: PDM, PLM, ERP
Anwendungsgebiete:Elektronische Steuerungs- und RegelungssystemeMechatronikEmbedded Systems(Software in Produkten)
IT zurUnterstützung der Aufgabenin der Produktentwicklung
IT alsintegraler Bestandteil von
innovativen Produkten
Maschinenbauinformatik ?
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Warum nichtlineare FE-Analysen ?
Nichtlineare Materialeigenschaften
Große Verformungen
Kontaktprobleme
Zeitabhängige Belastungenoder Randbedingungen
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Nichtlineare Materialeigenschaften
σ
ε ε
σ
Lineare FE – Analyse• Schnelle und
direkte Berechnungaus Zusammenhang{F} = [K] · {u}vgl. σ = E · ε
• Es gibt immer eineLösung – auch wennsie noch so falsch ist !
• Lösung muss aufPlausibilitätuntersucht werden !!!
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Nichtlineare Materialeigenschaften
σ
εε
Nichtlineare FE – Analyse
• AufwendigeBerechnung mit vielen Iterationenfür {F} = [K] · {u}vgl. σ = E · ε
• Verschiedene nichtlineareIterationsverfahren
• z.B. Newton-Raphson
• Nicht immer kann Konvergenzerreicht werden !
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Nichtlineare Verformungen
Lineare FE – Analyse• Kleine Verformungen
Nichtlineare FE – Analyse• Bei nichtlinearen Systemen
auch große Verformungen
• Systemsteifigkeitsmatrix wird nur einmal aufgestellt
• Kraftwirkungslinie und Abstand bleiben konstant
• Steifigkeitsmatrix wird beijeder Iteration aktualisiert
• Kraftangriffspunkt wandertmit der Verformung mit
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Nichtlinearer Kontakt
Lineare FE – Analyse• Kontakt nur, wenn bereits
bei unbelastetem System vorhanden
Nichtlineare FE – Analyse• Kontakt auch, wenn dieser
erst im Laufe der Verformung auftritt
• Systemsteifigkeitsmatrix wird nur einmal aufgestellt
• Spätere Unterstützung kann nicht berücksichtigt werden
• Steifigkeitsmatrix wird beijeder Iteration aktualisiert
• Unterstützung nachvorheriger Verformungwird berücksichtigt
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Zeitabhängige Lasten oder Randbed.
F
t
1.
2.
t1 t2
Lineare FE – Analyse• Kann Lastaufbringung
nur an der unverformtenGeometrie berücksichtigen
Nichtlineare FE – Analyse• Wenn der Verformungspfad
abhängig von der vorherigen Lastaufbringung ist
2.1.
• Lösung zum Zeitpunkt t2wäre bei linearer Analyse nur Druckbeanspruchung
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Ablauf einer nichtlinearen FE-Analyse
Einteilung des zeitlichen Ablaufs in Lastschritte
• (automatische) Aufteilungin Inkremente (P1 bis P4)je Lastschritt
• Iterative Lösung k je Inkrement i bis DifferenzPi – Ri,k < Abbruchkriterium
• Danach folgt nächstes Inkrement i … bis zur Lösung des Lastschrittes
• Dann nächster Lastschritt
P
uP
P1
P2
P3
P4
u4u1
Differenz P4 – R4,4< Abbruchkriterium
R4,1
R4,2
R4,3R44
Lastschritt P
Reaktion R des Modellsbei Verschiebung u imInkrement 4, Iteration 2
u4,2
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Die CATIA V5 ANL – Workbench
Aufruf über Start /Analyse & Simulation• Nonlinear Structural Analysis
Neu im Materialkatalog:Materialeigenschaften Nonlinear and Thermal• Elastisch• Plastisch• Hyperelastisch• Veränderliche Dichte• Thermische Abhängigk.• Spezifische Wärme• Ausdehnungskoeffizient
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Die CATIA V5 ANL – Workbench
z.B. elastoplastisches Materialverhalten
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Die CATIA V5 ANL – Workbench
Belastungen• Druck, Statische Kräfte,
Massenkräfte, Drehmomente
Randbedingungen• Verschiebungen, Einspannungen
Temperaturfelder aus vorheriger thermischer Analyse
Baugruppenverbindungen• Automatische Kontaktsuche
Kontaktverbindung, Fixierte Verbindungentfernte Verbindungen,Schweißverbindungen
• Zuordnung der Kontakteigenschaften
Lastschritte einfügen
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Die CATIA V5 ANL – Workbench
Jobmanagement• Konsistenzprüfung, Jobs erzeugen
Jobmonitor zur Überwachung,Verwaltung des externen Speichers
Postprocessing• Ergebnisdaten zuordnen• Ausgabebilder erzeugen• Anzeigegruppen verwalten• 2D-Plots z.B. Kraft über Verschiebung
oder Variable über Lastschritte• Sensoren definieren• Job Diagnose (Logs, Warnings, …)
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Nichtlineare FE-Analyse in CATIA V5
Geometriemodellierung wie gewohnt in CATIA V5Vernetzung wie in CATIA V5 - GPS, FMS, FMD• Zuordnung der Elementtypen für den ABAQUS – Solver
Einfügen einer nichtlinearen StrukturanalyseDefinition der Lastenund Randbedingungenim Simulationsablauf(Lastschrittabhängig !)• Können nicht aus der linearen
Analyse übernommen werden
Job definieren und starten• Läuft im Hintergrund, CATIA ist währenddessen verfügbar
ABAQUS - Ergebnisse in CATIA öffnen und analysieren
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Simulationsablauf
Initialisierung• Erhält Randbedingungen, die für
alle Lastschritte gültig sind• z.B. Kontaktbedingungen,
Temperaturfelder aus vorhergehenderthermischer Analyse
Statische Stufen (Lastschritte)• Enthalten für den jeweiligen
Schritt vorhandene Lasten bzw.Steigerungen und Randbedingungen
• Es können beliebigviele Stufen freidefiniert werden(siehe veränderl.Belastungen)
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Lastschrittdefinition (static step)
Stufen enthalten veränderliche• Verbindungen• Belastungen• Verschiebungen• Diese sind meist linear ansteigend
innerhalb des Lastschrittes(default ramped)
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Kommunikation CATIA ↔ ABAQUS
In CATIA Jobs erzeugen• Mehrere Jobs sind möglich• Speicherzuordnung
je erzeugtem Job• Einstellungen für externen
Speicher (Dateiablage)
Job Manger ist dieABAQUS Schnittstelle• Vorerst ist Job-5
noch stillgelegt(Status „None“)
• Submit übergibt denerzeugten Job zurBerechnung
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Kommunikation CATIA ↔ ABAQUS
Job Manager• Job-5 wird gestartet
(Status „Running“)
CATIA bleibt aktiv undkann weiter genutzt werden• Günstig bei langen
Rechenzeiten fürnichtlineare Analyse
Job Monitor• Lastschritte• Inkremente• Iterationen• Gesamtfortschritt• Jobstatusinfos
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Kommunikation CATIA ↔ ABAQUS
Job Manger• Wenn Job-5 fertig ist
(Status „Completed“),Ergebnisse aus denABAQUS Dateien zuCATIA übertragen
• Ergebnisse aus mehreren Jobs können alternativ geladen werden
• Jeweiliger Job wird in dieLösung der nichtlinearenAnalyse eingetragen
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Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Winkelträger• Belastung in der Öse• Einspannung am Rücken
Vergleich• Linear elastisches Material• Nichtlinear idealisiert
elastoplastisches Material
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Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Belastung 1000N• Lineare Analyse• Spannungen im Bereich vor der kritischen Kerbe ca. 200 MPa• Spannungsspitze in der Kerbe
unabhängig von derStreckgrenze über 300 MPa
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Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Belastung 1000N• Nichtlineare Analyse• Spannungen im Bereich vor der kritischen Kerbe ca. 200 MPa• Lokale Plastifizierung
im Bereich der KerbeSpannungen max. 240 MPa
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Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Belastung 1600N• Lineare Analyse• Spannungen im Bereich vor der kritischen Kerbe ca. 350 MPa• Spannungsspitze in der Kerbe
unabhängig von derStreckgrenze über 500 MPa
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Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Belastung 1600N• Nichtlineare Analyse• Spannungsspitzen im noch elastischen Bereich ca. 240 MPa• Globale Plastifizierung
in weitem BereichSpannungen ca. 220 MPa
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Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Belastung 1600N• Spannungsspitzen im
noch elastischen Bereich:
Differenz Pe – Ri zu großAbbruchkriterium verfeinern
Differenz Pe – RiPe …externe Last Ri … Reaktion bei Iteration i
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31.05.2010 © MIVP – Ass. Prof. Dr. Manfred Grafinger 28
Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Anzeige der Bereiche plastischer Verformung• Bild generieren Equivalent Plastic Strain• Viele weitere graphische
Ausgabemöglichkeiten ausAbaqus Ergebnisfile
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31.05.2010 © MIVP – Ass. Prof. Dr. Manfred Grafinger 29
Beispiel nichtlineares Materialverhalten
Belastung 1600N, Vergleich Verformungen
lineare Analyse, max. Δz = 3,5 mm
nichtlineare Analyse, max. Δz = 23 mm
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31.05.2010 © MIVP – Ass. Prof. Dr. Manfred Grafinger 30
Beispiel nichtlinearer Kontakt
Biegeträger• Kontakt bei Stütze tritt erst ab
gewisser Verformung auf• Zur getrennten Selektierbarkeit
soll die Kontaktfläche eingegrenzt seinz.B. Vertiefung mit 1/100 mm
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Beispiel nichtlinearer Kontakt
Kontaktdefinition• Kontaktrichtung der Berührungsoberflächen und Eigenschaften
(Reibungsverhältnisse) werden angegeben• Finite Sliding über Elementgrenzen hinweg• Small Sliding, Kontaktpunkte werden nicht verschoben
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31.05.2010 © MIVP – Ass. Prof. Dr. Manfred Grafinger 32
Beispiel nichtlinearer Kontakt
Ein Lastschritt11 Inkremente• Simulationsbeginn
bei Inkrement 0
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31.05.2010 © MIVP – Ass. Prof. Dr. Manfred Grafinger 33
Beispiel nichtlinearer Kontakt
Ein Lastschritt11 Inkremente• Simulationsbeginn
bei Inkrement 0• Gerade noch
kein Kontaktbei Inkrement 4
• Kontaktbeginnbei ca. 63 %der Belastung
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Beispiel nichtlinearer Kontakt
Ein Lastschritt11 Inkremente• Simulationsbeginn
bei Inkrement 0• Gerade noch
kein Kontaktbei Inkrement 4
• Kontaktbeginnbei ca. 63 %der Belastung
• Erster Kontaktbei Inkrement 5
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Beispiel nichtlinearer Kontakt
Ein Lastschritt11 Inkremente• Simulationsbeginn
bei Inkrement 0• Gerade noch
kein Kontaktbei Inkrement 4
• Kontaktbeginnbei ca. 63 %der Belastung
• Erster Kontaktbei Inkrement 5
• Simulationsendebei Inkrement 11
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Beispiel nichtlinearer Kontakt
Lineare FE – Analyse• Kontakt während dem
Aufbringen der Last kann nicht berücksichtigt werden
• Materialien durchdringen sich unzulässig
Nichtlineare FE – Analyse• Kontaktbedingung wird
berücksichtigt, auch wennim Ausgangszustand nochkeine Berührung da war
• Abstützung korrekt berechnet
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Beispiel nichtlineare Verformungen
Gummidichtung in Nut• Elastisches, weiches Material NBR 85• Nichtlineare Verformung, Kontakte an den Dichtlippen
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Beispiel nichtlineare Verformungen
Gummidichtung in Nut• Vorgegebene, vertikale Verschiebung
bis zum Aufliegen des Oberteils• Spannungsverlauf erwartungsgemäß• Abplattung an der Kontaktstelle
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Beispiel nichtlineare Verformungen
Gummidichtung in Nut• Nichtlineare Verformung, Abplattung der Kontaktfläche
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Beispiel nichtlineare Kombination
Rohrbiegung• Große Verschiebungen, nichtlinearer Kontakt, Plastifizierung
11 Lastschritte für diegesamte Verformung,bis zu 37 Inkrementeje Lastschritt
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Beispiel nichtlineare Kombination
Verformtes Netz, Einwölbung sehr schön erkennbar
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Beispiel nichtlineare Kombination
Lastschritt 1 13 Inkremente• Belastungsfolge, Ansicht Seitenfläche oberhalb der Stütze
Inkrement 4 Inkrement 7 Inkrement 8
Inkrement 9 Inkrement 10 Inkrement 13
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Beispiel nichtlineare Kombination
Ende Lastschritt 1• Beginnende plastische Verformung an der Stützenauflage
Plastische Dehnung Vergleichspannung nach Mises
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Beispiel nichtlineare Kombination
Ende Lastschritt 3• Auch bereits plastische Dehnung im oberen Trägerbereich
Plastische Dehnung Vergleichspannung nach Mises
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Beispiel nichtlineare Kombination
Ende Lastschritt 5• Einwölbung im oberen Trägerbereich bereits erkennbar
Plastische Dehnung Vergleichspannung nach Mises
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Beispiel nichtlineare Kombination
Ende Lastschritt 8• Massive plastische Verformung im gesamten Biegebereich
Plastische Dehnung Vergleichspannung nach Mises
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Beispiel nichtlineare Kombination
Ende Lastschritt 11• Plastische Dehnung, Schnittbild im eingewölbten Bereich
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Dankefür dieAufmerksamkeit !