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(Strukturmechanik)
Das vorliegende Übungsbeispiel ist in folgende Punkte gegliedert: Lernziel
In diesem Beispiel werden Hinweise zur Handhabung und zu Vorgehensweisen der Finite-Element-Modellerstellung gegeben. Diese Hinweise sind empfehlenswert für die erfolgreiche Durchführung anderer Beispiele. Die Hinweise betreffen die Handhabung des
ANSYS/ED-Programms und der grafischen Oberfläche, darunter 3-D-Grafikoperationen,
die Selektier-Logik und das Konzept der Arbeitsfläche (working plane).
Die Finite-Element-Aufgabe stellt eine statische, 3-dimensionale Strukturmechanik-Berechnung
dar. Es wird die Geometriermodellierung (solid modeling) verwendet.
Für die Durchführung dieses Beispiel
sehen Sie etwa 1 bis 2 Stunden vor.
Die zu berechnende Struktur stellt eine etwa 2 m breite Platte dar, die einem Balkon vergleichbar ist. Die Platte ist an einer Seite (an der Hauswand) fest eingespannt und ragt 1 m nach außen. Die Plattendicke beträgt am freien Außenrand 0.2 m. Die untere Seite ist gerundet, sie wird von der Außenkante zur Einspannung hin dicker. Der Radius dieser Rundung beträgt 1.8 m. Die Platte ist an der Oberseite durch eine
Verkehrslast beaufschlagt, die als Flächenlast (Druck) einzugeben
ist.
Die Aufgabe wird mit einer statischen strukturmechanischen Berechnung gelöst. Die Struktur wird durch ein 3-dimensionales Modell abgebildet. Dazu wird ein Elementtyp verwendet, der als Volumen definiert ist. Damit wird die gesamte Platte unter Berücksichtigung der Einwirkungen der Plattenränder abgebildet. Es wird ein Elementtyp mit einem relativ einfachen Elementansatz verwendet. Jedes Element wird als Quader mit 8 Eckknoten ausgeführt werden. Bei der Modellerstellung wird zunächst
die seitliche Fläche festgelegt und diese Fläche wird mit ebenen
Elementen vernetzt. Anschließend wird diese Geometrie mit dem
Netz in die dritte Richtung "herausgezogen" (extrudiert) und damit ein
Volumen gebildet. Das Flächenmodell wird anschließend inaktiviert.
3 Start des ANSYS/ED-Programms Beim Start des ANSYS/ED-Programms soll sofort das ANSYS/ED-Menü eingeschaltet werden. Darum folgen Sie bitte den Hinweisen der Installationsanleitung zum Start und zum Einschalten des ANSYS/ED-Menüs. Wenn aufgrund der Arbeit mit anderen Beispielen noch das ANSYS/ED-Programm aufgerufen und das Menü eingeschaltet ist, so löschen Sie zunächst die Arbeitsdaten des vorherigen Beispiels mit den folgenden Schritten. Wählen Sie Utility Menu> File> Clear & Start New Bestätigen Sie alle Warnungen und Hinweise mit OK bzw. YES (die Standardeinstellungen der Fragen sind für unsere Absicht zutreffend). Bitte vergewissern Sie sich, daß
auf dem Bildschirm folgende Fenster mit den angegebenen Titelzeilen zur
Anwendung des ANSYS/ED-Programms bereitstehen,
Wenn diese Fenster vorhanden sind, arbeiten
Sie weiter. Wenn eines dieser Fenster oder gar alle nicht zu finden ist
bzw. sind, dann
4.1 Jobname Die Festlegung des Jobnamen erfolgt über Utility Menu> File> Change Jobname Eingabe mit der Tastatur: STRUK OK 4.2 Die Knoten, die Elemente und der Elementtyp Auch in diesem Beispiel wird mit der Geometriemodellierung
(Solid Modeling) zunächst die Definition der Geometrie vorgenommen,
wobei die "top-down-"Vorgehensweise verwendet wird. Damit wird zunächst
ein Rechteck erzeugt, anschließend ein Kreis und dann der Kreis vom
Rechteck durch eine Boole'sche Operation subtrahiert, so daß die
Rechteckfläche mit einem Bogenausschnitt übrigbleibt. Diese Fläche
wird zunächst in der Ebene automatisch vernetzt. Anschließend
wird die Fläche und das darin ausgeführte Element-Netz extrudiert
und zu einem Volumen erweitert.
4.2.1 Das Quadrat Zur Festlegung des Quadrates wählen wir Main Menu> Preprocessor> Create> Rectangle> By Dimensions Xl, X2
0 1
Wenn die Grafik aktualisiert werden soll, kann dies erfolgen mit Utility Menu> Plot> Areas Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
4.2.2 Der Kreis Verkleinern und verschieben Sie das Quadrat mit Utility Menu> PlotCtrls> Pan, Zoom, Rotate Klicken Sie mehrmals auf das Feld im mittleren Bereich mit dem kleinen Punkt sowie die Felder mit den Pfeiltasten, bis das Quadrat in die obere linke Ecke des Bildbereiches verkleinert und verschoben ist. Die Festlegung des Kreises erfolgt nun mit: Main Menu> Preprocessor>
Create> Circle> Solid Circle
Drücken Sie die linke Maustaste und halten Sie die Taste gedrückt. Verschieben Sie nun den Mauszeiger solange, bis im zuletzt geöffneten Fenster der Eintrag bei Global X den Wert 1 und bei Global Y den Wert -1 hat. Lassen Sie nun die linke Maustaste los. Damit ist das Zentrum der Kreisfläche an dieser Position festgelegt. Drücken Sie wieder die linke Maustaste und halten Sie die Taste gedrückt. Verschieben Sie nun den Mauszeiger solange nach oben, bis im zuletzt geöffneten Fenster der Eintrag bei Global X den Wert 1 und bei Global Y den Wert 0.8 hat. Lassen Sie nun die linke Maustaste los. Damit ist der Rand der Kreisfläche festgelegt. Wählen Sie im zuletzt geöffneten Fenster die Bestätigung OK. Die grafische Darstellung wird nun an die Abmessungen unserer Geometrie durch Anklicken des Feldes Fit im Grafiksteuerungs-Fenster mit der Titelzeile Pan-ZoomRotate angepaßt. Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
4.2.3 Die Boole'sche Operation Diese Boole'sche Subtraktion der Flächen wird durch Anwählen von Main Menu> Preprocessor> Operate> Subtract> Areas eingeleitet. Wir schieben den Mauszeiger etwa in den Mittelpunkt des Quadrats und drücken auf die linke Maustaste. Dadurch wird das Quadrat neu eingefärbt. Dies ist die Basisfläche für die Subtraktion. Bestätigen Sie diese Auswahl durch Anklicken von OK im zuletzt geöffneten Fenster. Schieben Sie nun den Mauszeiger etwa in den Mittelpunkt des Kreises und drücken auf die linke Maustaste. Dadurch wird der Kreis neu eingefärbt. Dies ist die Fläche, die von der Basisfläche subtrahiert wird. Bestätigen Sie diese Auswahl durch Anklicken von OK im zuletzt geöffneten Fenster. Nun wird die Boole'sche Subtraktion ausgeführt. Es erscheint im Grafikfenster der gewünschte Umriß des Quadrates mit dem ausgeschnittenen Bogen an der Unterseite. Die grafische Darstellung kann an die Abmessungen unserer Geometrie durch Anklicken des Feldes Fit im Grafiksteuerungs-Fenster mit der Titelzeile Pan-ZoomRotate angepaßt werden. Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
4.2.4 Der Elementtyp Nachdem das Geometriemodell fertiggestellt ist, wird nun in diese Fläche zunächst ein Netz von ebenen Elementen und Knoten erzeugt. Wählen Sie hierzu Main Menu> Preprocessor>
Element Type> Add/Edit/Delete
Damit wird in dem Fenster der Element Types ein Eintrag vorgenommen, es erscheint in der Liste die Zeile Type 1 PLANE42 als Bestätigung dafür, daß als erster Eintrag mit der Referenznummer 1 der Elementtyp PLANE42 ausgewählt wurde. Schließen Sie das Fenster mit der Titelzeile Element Types durch Anklicken des Feldes Close.
4.2.5 Das Vernetzen Das Geometriemodell wird nun automatisch mit einem Netz von Knoten und Elementen versehen, und zwar in diesem Beispiel nur mit einem Netz von 5 mal 5 viereckigen Elementen. Dies erreichen wir zunächst nach dem Auswählen von Main Menu> Preprocessor>
Shape & Size> -Lines- All Lines
Nun kann die Vernetzung beginnen. Wählen Sie hierzu Main Menu> Preprocessor> Mesh> -Areas- mapped> 3 or 4 sided In dem dadurch geöffneten Fenster
mit der Titelzeile Mesh Areas klicken Sie
Pick All an. Damit wird die Vernetzung
ausgeführt.
Toolbar> SAVE-DB
4.2.6 Das Extrudieren Es wird nun dieses ebene Netz in der x- y- Ebene in die dritte Dimension des Raumes (also die z- Richtung) extrudiert, also herausgezogen. Dadurch wird aus der bisher vorhandenen Fläche ein Volumen, das senkrecht an diese Fläche angrenzt. Bei diesem Extrudieren (Herausziehen) wird das vorhandene Finite- Element- Netz als Grundlage mitgezogen und zu einem Netz von Volumenelementen erweitert. Dabei wird aus jedem Viereckelement der Fläche ein Quaderelement im Raum. Zusätzlich wird noch eine Anzahl angegeben, so daß gleichzeitig nicht nur ein angrenzendes Quaderelement, sondern eine ganze Folge von aneinanderhängenden Quaderelementen erzeugt wird. Der Elementtyp der quaderförmigen Volumenelemente ist bislang noch nicht in dieses Modell mit aufgenommen worden. Das erfolgt nun dadurch, daß wir einen weiteren Elementtyp auswählen und in die aktuelle Liste unseres Modells aufnehmen. Wählen Sie Main Menu> Preprocessor>
Element Type> Add/Edit/Delete
Die Liste der Elementtypen unseres Modells ist um den zweiten Eintrag "Type 2 SOLID45" erweitert worden. Schließen Sie diese Operation im Fenster Element Types durch Anklicken von Close. Zur Vorbereitung der Extrudier-Operation geben wir nun an, daß die dabei entstehenden Elemente solche des Typs 2 unserer Liste werden sollen, nämlich quaderförmige Volumenelemente. Dies erfolgt durch eine Einstellung mit Main Menu> Preprocessor>
-Meshing- Attributes> Default Attribs [TYPE] Element type number 2
Damit werden von jetzt an alle neu erzeugten Elemente als quaderförmige Volumenelemente ausgeführt. Die Vorschrift, wieviele Volumenelemente in der z-Richtung angeordnet werden sollen, legen wir fest mit Main Menu> Preprocessor>
Shape & Size> -Global- Size NDIV No. of element divisions 8
Nach diesen Vorbereitungen kann das Extrudieren erfolgen und dabei automatisch ein Netz von Volumenelementen mit 8 Elementen entlang der z-Achse erzeugt werden. Diese Operation leiten wir ein durch die Auswahl von Main Menu> Preprocessor>Operate> Extrude/Sweep> -Areas- By XYZ Offset In dem neu geöffneten Pick-Fenster
klicken wir den Eintrag Pick All an.
Nun wird mit dem Fenster mit der Titelzeile Extrude
Areas by XYZ Offset (Extrudiere Herausziehen von Flächen durch
Angabe einer Strecke) abgefragt, welche Strecken bei dieser Extrusion zugrundeliegen
sollen. Tragen Sie hier in dem rechten oberen, der Strecke DZ zugeordneten
Feld neben dem Text DX,DY,DZ Offsets for extrusion
(Strecke für die Extrusion) den Zahlenwert 2
ein. Die Zeile sieht damit so
DX,DY,DZ Offsets for extrusion 0 0 2 Klicken Sie OK an. Das Berechnungsmodell ist nun aus den Volumenelementen aufgebaut. Die Flächenelemente, die die Grundlage für das Extrudieren bildeten, werden später noch entfernt. Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB 4.2.7 Die grafische Kontrolle Das Volumenmodell sollte nun zunächst kontrolliert und inspiziert werden. Hierfür ist die Grafik-Steuerung in dem Pan-Zoom-Rotate-Fenster geeignet. Das Fenster ist wahrscheinlich aufgrund der vorangegangenen Operation mit dem Quadrat noch auf der Bildschirmoberfläche vorhanden. Wenn es nicht mehr vorhanden ist, wählen Sie noch einmal Utility Menu> PlotCtrls> Pan, Zoom, Rotate Einige der Möglichkeiten, die in diesem Fenster mit der Titelzeile Pan-Zoom-Rotate angeboten werden, können gut anhand unseres Volumenmodells getestet werden. Im oberen Bereich befinden sich Drucktasten mit der Aufschrift Top, Front, Iso, Bot, Back usw. Durch Anklicken dieser Tasten können Standard-Blickrichtungen ausgewählt und sofort ausgeführt werden. Dabei steht Top für die Blickrichtung von der positiven y-Achse aus (vergleichen Sie mit der eingezeichneten Koordinatensystem-Triade). Front ist die Darstellung mit Blickrichtung von der positiven z-Achse, Right ist die Darstellung mit Blickrichtung von der positiven x-Achse usw. Darunter sind Drucktasten zum Zoomen (Ausschnittdarstellung) angeboten. Durch das Anklicken einer Zoom-Taste wird der Mauszeiger zu einer Lupe umgeschaltet, wenn er in das Grafikbild geschoben wird. Jedes Zoomen wird dadurch erleichtert, daß der Ausschnittbereich durch eine Gummiband-Funktion (rubberbanding) dem Mauszeiger folgt. Wenn Sie Zoom wählen, muß zur Festlegung des gewünschten Ausschnittes zunächst das Zentrum des Bereiches und anschließend der Rand des Bereiches angeklickt werden. Durch Anklicken der Back Up-Taste wird die letzte Zoom-Operation rückgängig gemacht. Dies kann auch eine Folge von Zoom-Operationen gewesen sein, das Back Up macht jeweils eine Zoom-Stufe rückgängig. Wenn Sie Box Zoom wählen, können Sie nacheinander eine Ecke und dann die diametral gegenüberliegende Ecke des gewünschten Ausschnittes anklicken. Wenn Sie Win Zoom wählen, können Sie nacheinander eine Ecke und dann einen dazu gegenüberliegenden Rand des gewünschten Ausschnittes anklicken. Aber besser als alle Beschreibungen ist: Ausprobieren! Testen Sie das Zoomen. Durch die Taste Fit im unteren Bereich des Fensters kann jedes Zoomen wieder aufgehoben werden. Im mittleren Bereich des Fensters sind Drucktasten mit Symbolen zum Verschieben, Vergrößern/Verkleinern und Verdrehen angeboten. Die Schrittweite, die bei jedem Anklicken eines dieser Felder verwendet wird, kann durch den Schieberegler darunter gesteuert werden. Diese Drucktasten können alternativ zu der folgenden Möglichkeit genutzt werden. Der Dynamic Mode, in einem Feld im unteren Teil des Fensters angeboten, kann ein- oder ausgeschaltet werden. Das Schalten erfolgt durch Anklicken des Textes oder des Rechteckes davor. Wenn dieser Dynamic Mode eingeschaltet ist, wird das Symbol des Mauszeigers im Bildbereich des Grafikfensters geändert zu einem Symbol mit drei radialen und drei tangentialen Pfeilen. Dann ist gleichzeitig die Funktion der Maustasten umgeschaltet. Die einzelnen Möglichkeiten werden am besten wiederum durch einen Test beschrieben. Aktualisieren Sie die Grafik durch Auswahl von Utility Menu> Plot> Elements Schalten Sie den Dynamic Mode ein und verschieben Sie den Mauszeiger in den Bereich des dargestellten Modells etwa in die Mitte des quadratischen Rahmens, der das Bild umgibt. Drücken Sie auf die linke Maustaste, halten Sie die Taste gedrückt und bewegen Sie den Mauszeiger nach links und rechts. Es erscheint ein Drahtrahmen, der dieser Bewegung folgt. Lassen Sie die Maustaste los. Das Modell wird zur letzten Position des Rahmens verschoben. Der zweite Teil dieser Funktion: Drücken Sie auf die linke Maustaste, halten Sie die Taste gedrückt und bewegen Sie den Mauszeiger nach oben und unten. Es erscheint wieder der Drahtrahmen, der dieser Bewegung folgt. Lassen Sie die Maustaste los. Das Modell wird zur letzten Position des Rahmens verschoben. Es zeigt sich: die linke Maustaste kann zur Verschiebung nach oben und unten sowie nach links und rechts in der Bildschirmebene verwendet werden. Drücken Sie auf die rechte Maustaste, halten Sie die Taste gedrückt und bewegen Sie den Mauszeiger nach links und rechts. Der Drahtrahmen wird um eine Achse gedreht. Bewegen Sie den Mauszeiger nach oben und unten. Der Drahtrahmen wird um eine dazu senkrechte Achse gedreht. Lassen Sie die Maustaste los. Das Modell wird entsprechend der letzten Position des Rahmens neu dargestellt. Es zeigt sich: die rechte Maustaste kann zur Verdrehung um die Achsen der Bildschirmebene verwendet werden. Drücken Sie auf die mittlere Maustaste, halten Sie die Taste gedrückt und bewegen Sie den Mauszeiger nach links und rechts. Der Drahtrahmen wird um die Achse, die senkrecht auf der Bildschirmebene steht (die Bildschirm-Normale), gedreht. Bewegen Sie den Mauszeiger nach oben und unten. Der Drahtrahmen wird entlang der Achse, die senkrecht auf der Bildschirmebene steht, verschoben und dadurch verkleinert und vergrößert. Lassen Sie die Maustaste los. Das Modell wird entsprechend der letzten Position des Rahmens neu dargestellt. Es zeigt sich: die mittlere Maustaste kann zur Vergrößerung/Verkleinerung und zur Verdrehung um die Bildschirm-Normale verwendet werden. Schalten Sie nun wieder den Dynamic
Mode aus.
Sie sehen, wie zahlreich die Möglichkeiten
dieser Grafiksteuerung sind. Die räumliche Form des Berechnungsmodells
kann dadurch ausführlich kontrolliert werden.
4.3 Das Entfernen der Flächenelemente Das Berechnungsmodell besteht im Moment aus Flächen- und Volumenelementen. Die zuerst in der Frontfläche angeordneten ebenen Elemente des ersten Elementtyps PLANE42 mit der Referenznummer 1 dienten nur als Ausgangsbasis für die Extrusion. Sie werden nun ausgeblendet, indem die Fläche, in der diese Elemente erzeugt worden waren, von diesem Netz von Elementen befreit wird. Die Flächenelemente sind farbig von den Volumenelementen unterschieden und erkennbar in der grafischen Darstellung der Elemente Utility Menu> Plot> Elements Eine der Seitenflächen unterscheidet sich farblich von den anderen Oberflächen und zeigt damit die Flächenelemente an. Wenn diese Seitenfläche gerade nicht zu sehen ist, drehen Sie das Modell mit den vorher untersuchten Möglichkeiten des Pan/Zoom/Rotate-Fensters, bis Sie diese Seitenfläche erkennen. Nun kann das Entfernen dieser Elemente bzw. das Säubern (clear) der zugrundeliegenden Seitenfläche von dem einbeschriebenen Netz mit Main Menu> Preprocessor> -Meshing- Clear> Areas erfolgen. Nachdem hierdurch ein Fenster geöffnet wurde, das zum Auswählen der gewünschten Fläche auffordert, drücken Sie die linke Maustaste, halten diese gedrückt und verschieben den Mauszeiger so lange über das Modell, bis die gewünschte Seitenfläche eingefärbt wird. Dann kann die Maustaste losgelassen werden und auf OK gedrückt werden. Mit dieser Vorgehensweise werden mit Sicherheit nur die Flächenelemente entfernt. Die später durch das Extrudieren erzeugten
Volumenelemente sind mit dem Volumen und den Seitenflächen intern
hierarchisch verknüpft und dadurch geschützt. Dieser Schutz
stellt in diesem Fall sicher, daß wirklich nur diejenigen Elemente
entfernt werden, die zu der ausgewählten Fläche - und zwar ausschließlich
zu dieser Fläche - gehören.
4.4 Die Materialdaten Zur Eingabe der Materialdaten wird Main Menu> Preprocessor>
MaterialProps> Isotropic
eingegeben. Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB In diesem Abschnitt werden die äußeren Einflüsse auf unsere Struktur (die Randbedingungen und Kräfte bzw. Momente) festgelegt und die Berechnungsaufgabe gelöst. Die äußeren Einflüsse werden im ANSYS/ED-Menü generell unter der Oberschrift Lasten (loads) geführt. Die entsprechende Menü-Auswahl kann daher nun bereits mit Main Menu> Solution> erfolgen. Im mittleren Bereich dieses
Menüs ist die Eingabemöglichkeit für die äußeren
Einflüsse unter -Loads- zu finden.
5.1 Die Randbedingungen
Wenn wir die Festhaltung direkt den Knoten zuordnen wollen, ist hier eine Auswahl der Knoten nicht über Anpicken sinnvoll, sondern über Kriterien wie alle Knoten, die den Koordinatenwert x
= 0 haben oder
Für solche Auswahl-Operationen steht im ANSYS/ED-Programm das Selektieren zur Verfügung. Durch das Selektieren kann aus allen Knoten eine Gruppe ausgesondert werden. Diese selektierten Knoten sind damit "eingeschaltet", während alle anderen, nicht selektierten Knoten "ausgeschaltet" sind. Für dieses Selektieren gilt: Das Selektieren ist auf Knoten, Elemente, Geometriepunkte (keypoints), Geometriekanten (lines), Flächen (areas), Volumen (volumes) und andere Bestandteile des Modells anwendbar. Es kann aus der Gesamtmenge aller Bestandteile (also aller Knoten oder aller Elemente usw.) oder aus einer bereits selektierten Menge oder zu einer bereits selektierten Menge selektiert werden. Noch weitere Kombinationen sind möglich. Die Selektion kann nach Nummern oder nach gemeinsamen Eigenschaften wie z.B. Koordinatenwerten erfolgen. Die Selektion kann aber auch die Zusammengehörigkeit mit anderen Bestandteilen des Modells ausnutzen (also diejenigen Knoten selektieren, die zu den gerade aktuell selektierten Flächen gehören, oder diejenigen Elemente, die zu den aktuell selektierten Volumen gehören usw.) Weitere Informationen zum Selektieren sind im ANSYS Analysis Guide, Abschnitt 7, angegeben. Sie können diese Dokumentation über Utility Menu> Help anwählen. In unserem Beispiel wird das Selektieren der festzuhaltenden Seite dadurch vorgenommen, daß alle Knoten mit dem Koordinatenwert x = 0 herausgesucht werden. Wählen Sie hierzu Utility menu> Select> Entities In dem dadurch geöffneten Fenster Select Entities verändern Sie den ersten Eintrag dadurch, daß Sie das oberste Feld zunächst anklicken. Es wird die gesamte Auswahl von Nodes (Knoten), Elements (Elementen), Volumes (Volumen), Areas (Flächen), Lines (Linien, Kanten) und Keypoints (Geometriepunkten) aufgelistet. Schieben Sie den Mauszeiger auf Nodes und klicken Sie dieses Wort an. Genauso gehen Sie bei dem darunter gezeigten Feld vor: Klicken Sie das Feld an und wählen Sie den Eintrag By Location. Dadurch werden für das Selektieren die Koordinatenwerte zugrundegelegt. Im Feld darunter muß X coordinates gekennzeichnet sein. Dadurch werden für das Selektieren die x-Koordinatenwerte zugrundegelegt. Das Feld unter demText Min,Max klicken Sie an und fügen dort mit der Tastatur den Wert 0 ein. Dadurch werden alle Knoten mit dem Koordinatenwert x = 0 ausgesucht. Im Feld darunter muß From Full gekennzeichnet sein. Dadurch werden diese Knoten mit x = 0 aus allen vorhandenen Knoten des Modells herausgesucht. Schließen Sie diese Einstellung mit OK ab. Diese Auswahl sollte kontrolliert werden. Verwenden Sie dazu die Auswahl Utility Menu> Plot> Nodes Die Knoten werden standardmäßig nur als Punkte dargestellt, aber es ist ungefähr auch anhand dieses "Sternenhimmels" zu erkennen, welche Punkte durch die vorangegangene Selektion ausgewählt wurden. Daraufhin dürfen im Grafik-Bildbereich nur die Knoten der festzuhaltenden Seite dargestellt werden. Wenn andere Knoten oder alle Knoten zu sehen sind, führen Sie das Selektieren noch einmal durch, Sie hatten einen Fehler gemacht. Bei dieser grafischen Kontrolle nutzen wir aus, daß vom ANSYS/ED-Programm nur diejenigen Modellbestandteile (hier also nur diejenigen Knoten des Modells) grafisch dargestellt werden, die zur Zeit selektiert sind. Hin weis: Wenn Sie die Nummern dieser Knoten zusätzlich dargestellt haben möchten, schalten Sie die Nummem ein mit Utility Menu> PlotCtrls>
Numbering
Anschließend kann die Nummerndarstellung wieder zurückgestellt werden durch Utility Menu> PlotCtrls>
Numbering
Alle diese Knoten können nun mit der Randbedingung beaufschlagt werden. Dazu wird Main Menu> Solution> Apply> Displacement> On Nodes angewählt. In dem Fenster zum Picken wird Pick All angepackt. Mit dem nun geöffneten Fenster mit der Titelzeile Apply U,ROT on Nodes werden die Freiheitsgrade ausgewählt, die hier festgehalten werden. Klicken Sie All DOF an, lassen Sie das Feld Value leer (dies entspricht der Eingabe des Wertes 0) und klicken Sie auf OK. Im Grafikfenster werden danach Festhaltungs-Symbole ins Bild eingefügt, die eine schnelle Kontrolle der Dateneingabe ermöglichen. Sichern Sie die bisherige Arbeit mit Toolbar> SAVE-DB
5.2 Die Drucklast Für das Aufbringen der Drucklast wird ebenso das Selektieren, hier mit einer anderen Variante, verwendet. Zunächst wird die Fläche, die die Oberseite bildet, selektiert. Stellen Sie dazu im Bildbereich die Flächen dar mit Utility Menu> Plot> Areas Wählen Sie nun Utility Menu> Select> Entities Stellen Sie die Einträge in dem Fenster Select Entities auf Areas
und klicken Sie OK an. Zum Selektieren der richtigen Fläche drücken Sie auf die linke Maustaste, halten sie gedrückt und verschieben den Mauszeiger über das Modell. Sie sehen, daß je nach aktueller Position des Mauszeigers unterschiedliche Flächen in der Farbe verstellt werden. Verschieben Sie den Mauszeiger so lange, bis die Oberseite getroffen ist, und lassen Sie nun den Mauszeiger los. Diese Fläche ist nun ausgewählt und wird durch OK selektiert und damit "eingeschaltet", während alle anderen Flächen "ausgeschaltet" sind. Nun werden die zu dieser Oberfläche gehörenden Knoten selektiert. Wählen Sie dazu Utility Menu> Select> Entities und steilen Sie die Einträge in dem
Fenster Select Entities auf
und klicken Sie OK an. Eine Kontrolle mit Utility Menu> Plot> Nodes bestätigt die korrekte Auswahl. Auf diesen Bereich wird die Drucklast aufgebracht. Dies geschieht durch die Auswahl von Main Menu> Solution> Apply> Pressure> On Nodes In dem Fenster zum Picken, hier mit der Titelzeile Appiy PRES on Nodes, wird Pick All angepackt. Mit dem nun geöffneten Fenster mit der Titelzeile Apply PRES on Nodes wird die Höhe des Druckes im Feld neben VALUE Pressure Value mit der Tastatur als 1000 eingesetzt und auf OK geknickt. Im Grafikfenster wird die druckbelastete Fläche rot gekennzeichnet. Für eine Übersicht des Modells mit allen Randbedingungen und der Drucklast muß zunächst wieder das Selektieren rückgängig gemacht werden mit Utility Menu> Select> Everything Zusätzlich werden einige grafische Symbole eingeschaltet mit Utility Menu> PlotCtrls> Symbols Aus der Vielzahl der hier angebotenen Einstellungen
wählen wir für unser Beispiel
[/PBCI Boundary
condition symbol Applied B.C.´s
Wenn Sie diese Einträge vorgenommen haben, klicken Sie OK an. Wenn nicht sofort die neue Darstellung mit den Symbolen erschienen ist, wählen Sie Utility Menu> Plot> Elements Diese Darstellung bestätigt, daß
alle Randbedingungen und Lasten wie beabsichtigt aufgebracht worden sind.
Toolbar> SAVE-DB 5.3 Die Berechnung des Lastfalles Für die Berechnung dieses Lastfalles wird Main Menu> Solution> -Solve- Current LS ausgewählt. Es erscheint ein Hinweis-Fenster mit der Titelzeile Solve Current Load Step und ein Fenster mit einer Liste und der Titelzeile /STAT Command. Beide Fenster informieren über die für dieses Beispiel eingegebenen Daten. Hier wird unter anderem festgestellt, daß die Struktur mit einem 3-dimensionalen Berechnungsmodell abgebildet wird. Jeder Knoten hat die Freiheitsgrade (Verschiebungsmöglichkeiten) in allen drei Raumrichtungen, also in x-, y- und z-Richtung. Es ist eine statische Lösung vorgesehen. Diese Einträge bestätigen Sie mit OK. Der Abschluß der Berechnung wird durch ein Hinweisfeld mit dem Text Solution is done! gemeldet. Durch Anklicken von Close wird das Fenster geschlossen. Das Fenster, das die Lösungs-Einsteilungen protokollierte, kann ebenso geschlossen werden. 6.1 Die Verschiebungen Im vorliegenden Beispiel wird zunächst eine Darstellung der Verschiebungen erzeugt. Dazu wird Main Menu> General Postproc> Plot Results> Deformed Shape ausgewählt. In dem anschließend geöffneten Fenster mit der Titelzeile Plot Deformod Shape wird die Auswahl Def + undef edge angeklickt und anschließend auf OK gedrückt. Dadurch wird eine grafische Darstellung der Durchbiegung des Modells erzeugt. Die Verschiebungen wurden dabei automatisch so skaliert, daß die Verformung erkennbar wird. 6.2 Die Spannungsverteilung Nun wird eine Farbkontur-Darstellung der Spannungen erzeugt. Dazu wird Main Menu> General Postproc> Plot Results> Nodal Solu ausgewählt. In dem anschließend geöffneten Fenster mit der Titelzeile Contour Nodal Solution Data wird die Auswahl der darzustellenden Spannung durch Anklicken von Stress und von Mises SEQV auf die von-Mises-Vergleichsspannung eingestellt und anschließend auf OK gedrückt. Dadurch wird eine grafische Darstellung der Verteilung dieses Spannungswertes im Modell erzeugt. Auch hierbei wird das Modell im verformten Zustand gezeigt, wobei weiterhin die Verschiebungen automatisch skaliert wurden. Eine Darstellung der Biegespannungen in Querrichtung (entlang der x-Achse) ergibt sich durch Main Menu> General Postproc> Plot Results> Nodal Solu und der Auswahl der darzustellenden Spannung mit Stress und X-direction SX und Bestätigung mit OK. Beachten Sie in diesem Bild, daß in Längsrichtung die Spannungsverteilung variiert und an den durch den Kreisbogen berandeten Kanten andere Spannungen vorliegen als in der Mitte dazwischen. Diese Verteilung ist deutlicher zu erkennen, wenn die Element-Begrenzungslinien ausgeblendet werden. Wählen Sie hierzu Utility Menu> PlotCtrls> Style> Edge Options und stellen bzw. tragen Sie hier ein [/EDGEI Plot element
outlines Edges only
und drücken Sie auf OK.
Lassen Sie mit diesen Einstellungen den Plot noch einmal
Utility Menu> Plot> Replot 6.3 Der Isosurface-Plot Bei diesem 3-dimensionalen Volumenmodell sind weitere grafische Hilfen wichtig, um in dem gesamten Volumen die Ergebniswerte erkennen und beurteilen zu können. Eine dieser Möglichkeiten ist die Isosurface-Darstellung. Bei dieser Darstellung wird das Modell mit seinen Umrandungslinien dargestellt, so daß es wie aus Glas durchsichtig erscheint. Im Volumen des Modells werden farbige Flächen eingezeichnet, die jeweils die Positionen gleicher Ergebniswerte darstellen. Testen Sie diese Möglichkeit bei diesem Modell. Wählen Sie Utility Menu> PlotCtrls> Style> Contours> Contour Style und stellen Sie hier ein Style of contour
plot
Isosurface
und drücken Sie auf OK. Sie sehen innerhalb des Modellvolumens farbige Flächen, die jeweils die Begrenzung von Bereichen bestimmter Spannungswerte darstellen. Mit der Grafiksteuerung Dynamic Mode kann jetzt besonders deutlich auch im Inneren des Modells die Spannungsverteilung erkannt und beurteilt werden. 6.4 Der Capped-Hidden-Plot Eine weitere grafische Hilfe kann an diesem Modell gezeigt und getestet werden. Mit einem Capped-Hidden-Plot kann ein Teil des Modells weggeschnitten werden und die Spannungsverteilung an der Oberfläche des Restgebildes dargestellt werden. Auch die Schnittfläche und die Spannungsverteilung darauf wird sichtbar. Beim Testen dieser Möglichkeit wird eine zusätzliche Hilfe des ANSYS/ED-Programms verwendet: die Arbeitsfläche (working plane). Der englische Ausdruck der Working Plane hat sich schon so weit im Bereich der computer-gestützten Verarbeitung von 3-dimensionalen Modellen eingebürgert, daß daher im weiteren Text der englische Ausdruck Working Plane verwendet wird. Die Working Plane wird in diesem Beispiel verwendet, um die Schnittebene durch das Modell festzulegen. Standardmäßig ist die Working Plane nicht auf dem Grafikbild dargestellt. Sie kann aber schnell eingeschaltet werden. Die Art der Darstellung erfolgt durch die Auswahl von Utility Menu> WorkPlane> WP settings Klicken Sie in dem neuen Fenster mit der Überschrift WP Settings den Text Grid only an und führen Sie diese Einstellung mit OK aus. Wählen Sie nun wieder Utility Menu> WorkPlane und schalten Sie durch Anklicken von Display Working Plane die Darstellung ein. Daraufhin erscheint im Bildbereich die Working Plane als Rastergitter. Nun wird die Working Plane an die Position der gewünschten Schnittebene durch das Modell geschoben. Drehen Sie dazu das Modell mit dem Grafik-Steuerungsfenster Pan-Zoom-Rotate zum Beispiel durch Anklicken von Left. Dies ergibt eine Blickrichtung auf die festgehaltene Rückseite des Balkon-Modells. Die Working Plane ist als Strich durch den Koordinaten-Ursprung zu sehen. Die Verschiebung der Working Plane kann zum Beispiel durch Anwählen von Utility Menu> WorkPlane> Offset WP by increments erfolgen. dadurch wird ein Steuerungsfenster mit der Titelzeile Offset WP geöffnet. Drücken Sie in diesem Fenster einige Male auf die Taste mit der Aufschrift +Z im oberen Bereich des Fensters. Sie können sehen, daß sich die Working Plane entsprechend im Bildbereich verschiebt. Verwenden Sie diese Taste oder die inverse Taste -Z solange, bis mit der Position der Working Plane die gewünschte Schnittebene festgelegt ist. Schließen Sie dann das Fenster Offset WP durch Anklicken von OK. Nun wird die Capped-Hidden-Darsteilung eingeschaltet. Dies geschieht mit Utility Menu> PlotCtrls> Style> Hidden-Line Options und stellen Sie hier ein [/TYPE] Type of Plot
Capped hidden
und drücken Sie auf OK. Sie sehen den Teil des Modells, der durch die Working Plane abgeschnitten wurde, und die Verteilung der Spannungen an der Oberfläche dieses Teils und an der Schnittfläche. Zum Studieren der Spannungsverteilung kann schnell das Rastergitter der Working Plane weggeschaltet werden mit Utility menu> WorkPlane und Anklicken von Display
Working Plane (Ausschalten).
6.5 Der Q-Slice-Plot Und noch eine weitere grafische Hilfe kann an diesem Modell gezeigt und getestet werden. Mit einem 0-Slice-Plot kann die Spannungsverteilung auf einer Schnittebene durch das Modell dargestellt werden. Die Umrisse des Modells bleiben als Drahtmodell sichtbar. Die Lage der Schnittebene wird wiederum durch die Arbeitsfläche (working plane) festgelegt. Zunächst wird die Isosurface- Darstellungsweise ausgeschaltet mit Utility Menu> PlotCtrls> Contours> Contour Style Style of contour
plot
Normal
Die Q-Slice-Darstellung wird eingeschaltet mit Utility Menu> PlotCtrls> Style> Hidden-Line Options und stellen Sie hier ein [/TYPE]
Type of Plot Q-Slice Precise
und drücken Sie auf OK. Sie sehen das Modell als Umriß, eingezeichnet eine Fläche mit der Verteilung der Spannungen auf dieser Schnittfläche. Hinweis: Falls keine Schnittfläche zu sehen
sein sollte, liegt vielleicht Ihre WorkingPlane außerhalb der Modellgeometrie.
Kontrollieren Sie in diesem Fall die Lage der Working Plane.
7 Abschluß
Löschen des gerade abgeschlossenen Modells über Utility Menu> File> Clear & Start New Diese Operation öffnet ein Fenster, dessen Standardeinstellungen Sie in diesem Fall akzeptieren können und das Sie mit OK bestätigen. Da dieses Löschen eine sehr einschneidende Maßnahme ist, werden Sie durch ein auffällig hervorgehobenes Fenster zur Bestätigung (Titelzeile: Verify) aufgefordert. Die Bestätigung geben Sie durch Anklicken des Feldes YES. Sie können nun mit einem anderen Beispiel
beginnen und das ANSYS/ED-Menü weiterverwenden.
Als Variante zum Selbststudium verwenden
Sie bei diesem Beispiel die gleiche Geometrie, bringen Sie jedoch die Drucklast
nur auf einen Teil der Oberfläche auf. Beachten Sie das Abklingen
der Spannungen im unbelasteten Bereich des Balkons.
Mit diesem Beispiel haben Sie die wesentlichen Grundlagen der Handhabung vom ANSYS/ED-Programm durchgearbeitet. Setzen Sie Ihre Arbeit mit beliebigen anderen
Beispielen fort.
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