Problem bei Spannungsberechnung - Nastran IN-CAD 2018

[Anonymous]

Hallo Zusammen,

ich möchte bei einer Baugruppe die Spannungen berechnen. Das Modell besteht aus jeweils einer Platte oben und unten.
Die untere Platte ist fixiert und kann nur quer zur Achsrichtung gleiten. Über die obere Platte wird die Last eingeleitet. Dazwischen befindet sich eine Hülse (innen hohl)

Infos zu den beiden Kontakten (beide gleich) habe ich angehängt. Ebenso ein Bild der vernetzten Baugruppe im Schnitt.

Nun habe ich das Problem, dass mir Nastran für die Hülse und die untere Platte im Prinzip keine Verschiebung in z-Richtung anzeigt. Ebenso sind Spannungen quasi nur in der oberen Platte vorhanden. Es schaut so aus, als ob der Kontakt zwischen der Hülse und der oberen Platte eine Verformung in z-Richtung verhindert, die Kraft also von der Platte nicht auf die Hülse übertragen wird.

Habe ich etwas übersehen? z.B. bei den Kontakten?

[Anonymous]

Die beiden Bilder sind bei der Ursachenforschung leider wenig hilfreich.  Besser wäre es, die drei Bauteile (.ipt) und die Baugruppe (.iam) als ZIP-Archiv hier hochzuladen.

Das Forum für Inventor Nastran (vormals Nastran In-CAD) ist übrigens unter

https://forums.autodesk.com/t5/inventor-nastran-forum/bd-p/75

zu finden. Dieses Forum gibt es allerdings nur in englischer Sprache.

[S_May]

... bitte Bilder + Skizzen und Modelle + Zeichnungen anhängen (Modelle per pack and go + ZIP packen), bei sensiblen Daten Muster erstellen.

[Anonymous]

Ich hänge die Zip-Datei mal an.

Ich komme der Sache langsam auf die Spur. Kann es sein, dass der Kontakt "Getrennt" nur bei nichtlinearen Berechnungen anwendbar ist? So etwas habe ich auf einer Seite gelesen, finde es aber weder in der Hilfe noch sonstwo anders.

Habe mal den Kontakt "gleitend/nicht getrennt" ausprobiert. Der wäre in diesem Falle auch anwendbar. Habe hier allerdings dann mit zu großen Verschiebungen zu kämpfen. Die Frage ist hier, wie ich die 3 Teile axial so führen kann, dass nur eine geringe Beeinflussung des Beulens der Hülse sowie der übrigen Verformungen auftritt, da es mir um verlässliche Spannungswerte im Bereich des Überganges zur Einschnürung an der Hülse geht. Ich möchte eigentlich ungern ein zusätzliches Bauteil einfügen. Das wäre in diesem Fall ein Gehäuse.

Vielleicht hatte wer schon einmal ein ähnliches Problem.

Über Vorschläge aller Art würde ich mich freuen.

[Anonymous]

Hallo Zusammen,

es wäre toll, wenn mir iener helfen könnte, wie ich die 3 Teile so fixieren kann, dass ich unterbinde, dass sich die Teile nicht quer zu den Kotaktflächen weg bewegen. Denn diese sind aktuell recht groß (größer als 10 mm). Was mit Sicherheit zu unrealistisch erhöhten Spannungen führt.

Gibt es z.B. so etwas vielleicht so etwas wie weiche Federn im Inventor Nastran In-CAD? Konnte da bislang nichts finden.

[Anonymous]

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@Anonymous  schrieb:
... wie ich die 3 Teile so fixieren kann, dass ich unterbinde, dass sich die Teile nicht quer zu den Kotaktflächen weg bewegen. ...
... Gibt es z.B. so etwas vielleicht so etwas wie weiche Federn im Inventor Nastran In-CAD? Konnte da bislang nichts finden. ...

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Da das Modell rotationssymmetrisch ist, reicht es nur einen kleinen Winkelabschnitt (wie ein Kuchenstück) zu analysieren. Hierzu muss man das Modell in Inventor entsprechend reduzieren und in Nastran In-CAD über polare Symmetriebedingungen lagern. Es passiert ja ohnehin rundherum dasselbe. Dadurch spart man nicht nur Rechenzeit, sondern verhindert auch, dass sich das gesamte Modell in der xy-Ebene bewegen kann.

Weiche Federn gibt es in Nastran In-CAD, denn es gibt ja als Verbinder auch Federn mit frei einstellbarer Steifigkeit, die man hierzu verwenden kann. Aber bei Symmetrielagerung ist in diesem Fall das Verwenden von weichen Federn gar nicht notwendig.

Und ja, alle Kontakte, außer dem verklebten, sind nichtlinear. Man kann sie aber dennoch in einer linearen Analyse verwenden, sie führen dann automatisch zu einer iterativen Berechnung.

Vielleicht finde ich noch am Wochenende etwas Zeit, das Modell entsprechend aufzubereiten.

[Anonymous]

Anbei ein Zip Archiv mit zwei Vorschlägen für Nastran In-CAD und die Inventor Belastungsanalyse. Das Archiv beinhaltet nur die Baugruppen, da ich an den Bauteilen keine Äderungen vorgenommen habe. Ich habe Nastran In-CAD 2018.2 verwendet, mit älteren Releases kann die Analyse vermutlich nicht eingelesen werden.

Der wesentliche Fehler in der Originaldatei ist übrigens die Lagerung. In "Gleiten unten" war nur die Rotation Rz aktiv, was bei Volumenelementen keine Auswirkung hat. Daher war die Lagerung völlig wirkungslos. Richtig wäre die Lagerung der Translation, also Tz.

Ich habe, wie bereits geschrieben, die Rotationssymmetrie genutzt und das Modell auf einen Ausschnitt von 15 Grad reduziert. Für die Symmetrielagerungen benötigt man dann ein zylindrisches Koordinatensystem. Da die eigentliche Lagerungen des Modells und die Last sich auf Flächen beziehen, die mit den Schnittflächen gemeinsame Knoten haben, müssen sich auch diese auf das zylindrisches Koordinatensystem beziehen. Selbstverständlich darf dann auch nur ein 1/24 stel der Kraft angesetzt werden.

Damit die Kontakte besser arbeiten und schneller konvergieren, habe ich unsymmetrische Master/Slave-Kontakte verwendet und die Kontaktflächen entsprechend feiner vernetzt. Zudem habe ich lineare Tetraederelemente gewählt. Dafür habe ich die Vernetzung in den zu untersuchenden Abrundungen noch feiner gemacht. Die Angabe des Reibkoeffizienten im Originalmodell ist hier übrigens nicht sinnvoll, da Reibung eine nichtlineare Analyse voraussetzt. Desweiteren ist eine Analyse mit reibungsbehafteten Kontakten sehr kritisch und führt nicht immer zu den erwarteten Ergebnissen.

Zum Vergleich habe ich noch ein Berechnungsmodell in der Belastungsnanalyse (BA) erstellt. Bei vergleichbaren Einstellungen erhält man hier auch nahezu identische Ergebnisse, allerdings mit wesentlich weniger Aufwand und in einem Bruchteil der Rechenzeit.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass beide Analysen davon ausgehen, dass kein Beulen oder Knicken auftritt, was bei bei sehr hohen axialen Belastungen solcher dünnwandigen Strukturen aber nicht ausgeschlossen werden kann.

[Anonymous]

Hallo Michael,

vielen Dank für deinje Hilfe.

Manchmal sieht man den Wald vor lauter Bäumen nicht. Klar, nur ein Kuchenstück analysieren... ganz einfache Lösung.... oweh...

Danke auch für die Mühe mit den beiden Modellen. Das einzige Manko bei der Berechnungsanalyse ist, dass ihc das modell nicht feinder als 0,1 mm vernetzt bekomme. Meist ist das auch nicht notwenidig... aber manchmal schon.

[Anonymous · Accepted solution]

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@Anonymous  schrieb:

... Das einzige Manko bei der Berechnungsanalyse ist, dass ihc das modell nicht feinder als 0,1 mm vernetzt bekomme. ...

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Das kann ich so nicht bestätigen (falls mit Berechnungsanalyse die Belastungsanalyse gemeint ist). Eine globale Elementgröße kleiner 0,1 mm ist selbstverständlich nur entsprechend kleinen Modellen sinnvoll. Aber auch eine lokale Netzsteuerung mit Elementen kleiner 0,1 mm ist möglich. Wenn die globale Netzgröße aber wesentlich höher ist, muss man dazu auch den Einteilungsfaktor und die minimale Elementgröße in den Netzeinstellungen entsprechend anpassen. Auch ergeben sich bei sehr großen Unterschieden in der Elementgröße immer stark verzerrte Elemente im Übergangsbereich. Das ist aber bei Nastran In-CAD selbstverständlich genauso.

So sieht z.B. in der Belastungsanalyse die Rundung des obigen Modells mit 0,02 mm Elementgröße aus.

Was hier aber keine wesentliche Änderung des Ergebnisses bringt. Die von Mises Spannung in der Rundung wird gegen etwa 850 MPa konvergieren.

[Anonymous]

Hhmmm...

Ich bin mir nicht sicher, ob die folgenden Werte so realistisch sind:

Die Netzgröße betrifft immer nur die beiden Radien.

Netzgröße 0,050 -> 814,0 MPa (im unteren Radius)

Netzgröße 0,020 -> 860,1 MPa (im unteren Radius)

Netzgröße 0,010 -> 896,5 MPa (im unteren Radius)

Netzgröße 0,005 -> 942,1 MPa (im oberen Radius)

Irgendwie schaut das nicht so aus, als ob es gegen einen Wert konvergiert. Kleiner als Netzgröße 0,005 macht in meinen Augen wohl auch kaum Sinn.

[Anonymous]

Ich habe mir das noch einmal genauer angeschaut und festgestellt, dass alles mit der Kerbwirkung zusammenhängt. Ich habe die Vernetzung auch noch einmal ein bisserl verändert. Bei einem Radius von 0,6 in der Kehle steigt die Spannung immer weiter an und konvergiert irgendwo gegen 900 MPa. Bei einem Radius von 1,2 liegen die Werte schon recht nah beieinander. Bei R3 dann habe ich im Prinzip dann gleiche Werte.

Last 7781 N - R0,6 - Netz 0,05 -> 807,8 MPa

Last 7781 N - R0,6 - Netz 0,02 -> 845,1 MPa

Last 7781 N - R0,6 - Netz 0,01 -> 876,8 MPa

Last 7781 N - R0,6 - Netz 0,005 -> 885,6 MPa

Last 5447 N - R0,6 - Netz 0,05 -> 566,1 MPa

Last 5447 N - R0,6 - Netz 0,01 -> 622,2 MPa

Last 5447 N - R1,2 - Netz 0,05 -> 528,7 MPa

Last 5447 N - R1,2 - Netz 0,01 -> 536,8 MPa

Last 5447 N - R3,0 - Netz 0,05 -> 465,9 MPa

Last 5447 N - R3,0 - Netz 0,01 -> 468,5 MPa

[Anonymous]

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@Anonymous  schrieb:

... festgestellt, dass alles mit der Kerbwirkung zusammenhängt. ...

Selbstverständlich handelt es sich hier um Kerbwirkung. Bei einer scharfen Kante würde die Spannung gegen Unendlich divergieren. Mit einer Abrundung konvergiert die Spannung gegen einen endlichen Wert, der mit zunehmendem Radius abnimmt. Es gibt über das Thema übrigens ein sehr schöne Dissertation "Kerbspannung und Kerbformoptimierung" von Marcus Scherrer, die hier

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000000200

heruntergeladen werden kann und auch noch mit einer kurzen Einführung in die Elastizitätstheorie und die FEM eingeleitet wird - kann ich nur empfehlen.

@Anonymous  schrieb:

... Irgendwie schaut das nicht so aus, als ob es gegen einen Wert konvergiert. ...

Bei einer Konvergenzbetrachtung nach der h-Methode darf man nicht einfach nur die Maximalspannung auswerten, besonders, wenn diese bei einer Netzverfeinerung deutlich den Ort wechselt. Ma muss vor allem beachten, dass der Maximalwert auch durch Ausreißer entstehen kann, die der Vernetzung geschuldet sind.

Ich habe mal einen Schnitt durch den Radius des Originalmodells an der Stelle gelegt, wo bei einer Netzelementgröße von 0,01 mm die maximale Spannung angezeigt wird und die Farbskala etwas angepasst, damit die Schwankungen deutlicher sichtbar werden.

Theoretisch müsste aufgrund der Rotationssymmetrie längs der Schnittkante sich ein einheitlicher Spannungswert ergeben. Wegen der unregelmäßiegen Vernetzung gibt es hier aber deutlich unterschiedliche Werte. Wenn nur einzelne, begrenzte Stellen diese Werte ausweisen, sind sie nicht aussgakräftig. Statt dessen sollte man einen Mittelwert bilden. Zudem ist ja in der Bewertung auch immer ein Sicherheitsfaktor vorzusehen.