Submodeling: Die Lupe für grosse FEM-Modelle

Submodeling: Die Lupe für grosse FEM-Modelle

CADFEM Tipps und Tricks / 01.2013
Ulf.Friederichs@cadfem.ch
Submodeling: Die Lupe für grosse FEM-Modelle
Ein Zielkonflikt ist uns allen bekannt: wir haben ein grosses Modell mit
vielen komplexen Bauteilen. Wir wollen darin Spannungen genau auswerten, aber doch schnell zu diesem Ergebnis kommen. Eine zu grobe Vernetzung lässt eine Auswertung von Spannungen nur ungenau zu. Ein dafür
ausreichend feines Netz hingegen benötigt zu lange Rechenzeit.
Hier bietet ANSYS schon seit einiger Zeit Abhilfe durch "Submodeling".
In Workbench 14.5 ist das Submodeling nun so reif implementiert, dass
wenige Mausklicks genügen, um diese zeitsparende Funktion anzuwenden.
Was Sie dafür tun müssen und was es dabei zu beachten gilt, haben wir
hier auf 2 Seiten für Sie zusammengestellt.
Was ist Submodeling?
Einfach gesagt, kombinieren Sie 2 Modelle Ihrer Geometrie:
1.
2.
ein grob-vernetztes Gesamtmodell (1) für die Verschiebungsergebnisse und zum
Erkennen der Spannungs-kritischen Bereiche
plus
ein fein-vernetztes Modell (Submodell) für genaue Spannungsergebnisse gezielt in
diesen kritischen Bereichen.
1
2
3
Das Submodell (2) ist dabei ein kleiner Ausschnitt aus der Geometrie des Grobmodells; so
klein, dass es trotz feiner Vernetzung mit wenigen Elementen auskommt.
Auf die Schnittfläche (3) des Submodells interpoliert ANSYS nun die Verschiebungsergebnisse
des Grobmodells. Diese Verschiebungen dienen nun dem Submodell als Randbedingungen.
Dieser Methode liegen 2 Prinzipien zugrunde:
1.
2.
Verschiebungen als primäre Ergebnisse aus dem Gleichungssystem sind schon mit
einem relativ groben Netz sehr genau. Spannungen als abgeleitete Ergebnisse
benötigen dagegen ein viel feineres Netz.
Prinzip von St. Venant: "lokale Spannungseffekte durch Krafteinleitungen oder
auch Kerben klingen sehr schnell ab". Bei genügender Entfernung der Schnittfläche
kann deshalb mit dem feinen Submodell der lokale Spannungsgradient sehr genaue
berechnet werden.
4
Und so wird's in ANSYS Workbench 14.5 gemacht
1.
2.
3.
4.
Grobmodell:
a. Aufbauen wie Standard-Simulation
b. Lösen, Ergebnisse auf Plausibilität prüfen
c. Grobe Spannungsergebnisse => kritische Bereiche für Submodell
identifizieren (4)
Projekt-Ansicht:
a. Grobmodell pro Submodell 1x duplizieren (5)
b. "Solution" von Grobmodell auf "Setup" von Submodell ziehen (6)
c. Setup "updaten"
Design Modeler oder CAD (7):
a. Geometrie für Submodell herausschneiden, z.B. Quader für SubmodellBereich definieren ("Material schneiden") und Rest-Körper unterdrücken
Submodell:
a. Fein vernetzen, ggf. Kontakte prüfen, redundante Randbedingungen
entfernen
b. Eine importierte Verschiebung je Bauteil einfügen (8). Schnittflächen
(8a), Bauteile aus Grobmodell (8b) und Lastschritte (8c) zuordnen
c. Verschiebungen importieren, überprüfen (9)
d. Lösen
e. Ergebnisse prüfen (u.a. mit Schnittkräften) und auswerten
9
8
5
6
8a
7
8b
8c
CADFEM Tipps und Tricks / 01.2013
Ulf.Friederichs@cadfem.ch
Submodeling: Die Lupe für grosse FEM-Modelle
Was sollte ich dabei beachten?
1.
Das Submodeling ist anwendbar, falls die lokale Geometrie nur geringen Einfluss
auf die globale Steifigkeit hat. Z.B. Festkörpergelenke müssen direkt im Grobmodell
fein vernetzt werden, da ja schon kleine Wandstärken- oder Radiusänderungen die
Bauteilsteifigkeit erheblich beeinflussen.
2. Schnittflächen ausreichend weit von kritischer Geometrie entfernt platzieren.
3. Grobmodell an Kerben und anderen offensichtlich kritischen Stellen nicht zu grob
vernetzen.
4. Erstellen Sie bei mehreren Bauteilen am besten aus den Schnittflächen eine
Komponente (10) je Bauteil. Das hilft bei der Zuordnung der Externen
Verschiebungen.
5. Die Zuordnung der Importierten Verschiebungen zu den einzelnen Bauteilen im
Submodell ist essentiell für die Qualität der Interpolation. Dabei hilft es, die
Quellpunkte anzuzeigen (11).
6. Nichtlineare Modelle: Unter der Annahme aus Punkt 1 können auch nichtlineare
Modelle (grosse Verformungen, nicht rein-elastisches Material, Kontakte) mit
dieser Methode gelöst werden. Typisches Beispiel ist der Kerbeffekt: falls das
plastische Verhalten lokal ist, und die globale Steifigkeit nicht beeinflusst wird,
kann in einem Submodell ein plastisches Materialgesetz verwendet werden.
7. Kontakte im Submodell: folgende wichtige Hinweise müssen berücksichigt werden:
a. Kontaktflächen nicht durch Schnittflächen unterbrechen.
b. Kontakt-Penetration im Grobmodell möglichst klein halten.
c. Die Steifigkeit der Kontaktstelle muss gross sein im Vergleich zur
Gesamtsteifigkeit
8. Den grössten Zeitgewinn bietet Submodeling, wo hohe Spannungsgradienten in
grossen Modellen lokal auftreten. Bei Einzelteilen kann eine lokale feine
Vernetzung u.U. effizienter sein.
9. Das beschriebene Vorgehen gilt ab Version 14.5 für Solid-to-Solid-Modelle.
10. Wie überall bei der Simulation, hilft auch hier eine gewissenhafte Prüfung durch 4
Augen, um eine gute Ergebnis-Qualität zu erzielen.
10
11
Eine Funktion, viele Möglichkeiten
Ein Grobmodell => mehrere Submodelle:
Finden Sie im Grobmodell mehrere kritische
Stellen, so können Sie in diese mit separaten Submodellen "hineinzoomen". Damit
investieren Sie die Elementdichte und Rechenzeit effizient.
Mehrere Lastschritte:
Rechnen Sie mehrere Lastschritte im Grobmodell, so können sie
diese oder auch einzelne davon im Submodell verwenden.
Lokale Geometrie-Varianten:
Ohne Modifikationen am Grobmodell kann z.B. auf
Submodell-Ebene die Geometrie einer Kerbstelle oder Schweissnaht per Parameterstudie
optimiert werden.
Grobmodell mit Schalen-Vernetzung => Submodell mit Solid:
Schalen-Vernetzung ist
hocheffizient. Nutzen Sie sie für Ihr Grobmodell. Mehrere Solid-Element-Schichten im
Submodell erlauben Ihnen dann die präzise Auswertung von Spannungsgradienten. Für Shellto-Shell- oder Shell-to-Solid-Modelle werden in der Workbench-Umgebung APDLBefehlsobjekte benötigt (siehe CBDOF und // Advanced Analysis Guide // 8. Submodeling //
8.4. Shell-to-Solid Submodels in der ANSYS Hilfe).
Submodeling in diversen Disziplinen:
Analog den beschriebenen strukturmechanischen
können auch thermische, elektromagnetische und andere Simulationen per Submodeling
effizienter gestaltet werden.
Noch Fragen?
 Nehmen Sie dazu gerne Kontakt mit dem CADFEM-Support auf. Wir beraten Sie gerne.