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ANSYS BLOG

April 28, 2021

Grundlagen der FEA-Netzbildung für die Strukturanalyse

Simulation ist ein wichtiges Instrument für viele Branchen. Laut Grand View Research wird erwartet, dass der globale Markt für Simulationssoftware von 2021 bis 2028 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 17,1 % ansteigen wird. Dies ist ein beträchtliches Wachstum, das in erster Linie auf die vielen Vorteile zurückzuführen ist, die die Nutzung von Simulationssoftware den Unternehmen bietet. Dazu gehören die Reduzierung von Produktentwicklungskosten, physischen Tests sowie fehlerhaften Prototypen.

Bei computergestützten Konstruktionsanwendungen (CAE) wie der Simulation gibt es verschiedene Arten von Software, um Ihr Produkt zu analysieren, z. B. Finite-Elemente-Analyse (FEA), numerische Strömungsmechanik (CFD) und viele andere. Bei der Durchführung einer CAE-Simulation gibt es drei wichtige Analyseschritte: Vorverarbeitung, Berechnung und Nachverarbeitung. Lassen Sie uns den FEA-Vorverarbeitungsschritt beleuchten, insbesondere die Bedeutung eines qualitativ hochwertigen Meshings.

Ein Beispiel für den Eingriff in ein Getriebegehäuseteil.

Was ist Meshing in der FEA?

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist eine mathematische Darstellung eines physikalischen Systems, das ein Teil/eine Baugruppe, Materialeigenschaften und Randbedingungen umfasst. In vielen Situationen kann das Produktverhalten in der realen Welt nicht durch einfache manuelle Berechnungen angenähert werden. Eine allgemeine Technik wie die FEA ist eine bequeme Methode zur Darstellung komplexer Verhaltensweisen durch die genaue Erfassung physikalischer Phänomene mithilfe partieller Differentialgleichungen. Die FEA hat sich weiterentwickelt und wurde demokratisiert, so dass sie sowohl von Konstrukteur*innen als auch von Fachleuten genutzt werden kann.

Meshing ist einer der wichtigsten Schritte bei der Durchführung einer genauen Simulation mit FEA. Ein Netz besteht aus Elementen, die Knoten enthalten (Koordinatenpositionen im Raum, die je nach Elementtyp variieren können), die die Form der Geometrie darstellen. Ein FEA-Solver kann nicht ohne Weiteres mit unregelmäßigen Formen arbeiten, kommt aber mit gewöhnlichen Formen wie Würfeln viel besser zurecht. Beim Meshing werden unregelmäßige Formen in besser erkennbare Volumina umgewandelt, die "Elemente" genannt werden.

Bevor Sie mit der Vernetzung beginnen, müssen Sie zunächst eine Geometrie oder ein CAD-Modell z. B. in Ansys Mechanical hochladen, um den Simulationsprozess zu starten.

So bereiten Sie Ihre CAD/Geometrie für das Meshing vor

Bei der Verwendung von FEA-Simulationssoftware, wie z. B. Mechanical, ist es wichtig zu bestimmen, welche Features aus Ihrem CAD-Modell vernetzt werden müssen und welche nicht. In vielen Fällen ist die CAD-Geometrie für Fertigungszwecke sehr komplex und detailliert. Für eine Simulation benötigen Sie jedoch möglicherweise nicht alle Details, so dass Teile Ihrer Geometrie entkoppelt werden können, d. h. diese Details werden entfernt, um Zeit zu sparen.

An Ihrem Produkt kann zum Beispiel ein Typenschild angebracht sein. Möglicherweise müssen Sie die physikalischen Auswirkungen dieses Typenschilds nicht erlernen, so dass das Schild deaktiviert werden kann, um die Erstellung eines Meshings zu vermeiden, was Vernetzungs- und Lösungszeit spart.

Mit Hilfe von Ansys Spaceclaim konnte das Namensschild auf der Geometrie leicht entkoppelt werden, um eine potenziell unnötige Analyse zu vermeiden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Vorbereitung Ihres CAD-Modells für die Simulation ist die Beschreibung der Beziehung zwischen zwei oder mehr Teilen in Ihrer Geometrie. Wenn Ihre Geometrie beispielsweise Knoten zwischen gemeinsamen Flächen (oder Kanten) hat, ist es wichtig zu entscheiden, ob es sich um ein konformes oder nicht-konformes Netz handelt. Ein konformes Netz wird für Teile verwendet, die durch Klebstoff oder Schweißnähte verbunden sind. Ein nicht-konformes Netz wird für Teile verwendet, die durch Kontakte oder Fugen verbunden sind. In Ansys Mechanical können Sie diese Ansätze je nach Bedarf mischen.

 Erfahren Sie mehr im Blogartikel In drei Schritten zum verbesserten FEA-Model.

Arten von Vernetzungsmethoden: Tetraeder vs. Hexaeder

Es gibt zwei Haupttypen von Vernetzungsmethoden. Für diese Zwecke beziehen wir uns auf 3D-Modelle:

  • Tetraederelement-Vernetzung oder "tet"
  • Hexaedrische Elementvermaschung oder "hex"

Hex- oder "Brick"-Elemente führen im Allgemeinen zu genaueren Ergebnissen bei geringerer Elementanzahl als Tet-Elemente. Wenn es sich um eine komplexe Geometrie handelt, können tet-Elemente die beste Wahl sein. Diese Standard- oder automatischen Vernetzungsmethoden können ausreichen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Aber es gibt auch zusätzliche Methoden, die Ihnen mehr Kontrolle über das Netz geben.

Hybrid Meshing

In Mechanical können Sie eine Multizonen-Methode verwenden, die eine Mischung aus Hex- und Tet-Elementen ist und es Ihnen ermöglicht, verschiedene Teile der Geometrie mit unterschiedlichen Methoden zu vernetzen. Auf diese Weise müssen Sie weniger Geometrievorbereitung durchführen und haben mehr lokale Kontrollnetze.

Eine Rohrverbindungsgeometrie unter Verwendung der hybriden Vernetzungsfunktionen von Ansys Mechanical

 

Sweep Meshing

Beim Sweep Meshing wird das Netz tatsächlich durch das Volumen und die Flächen "gefegt", um ein effizientes Netz mit gleichmäßiger Größe zu erstellen.

Die Entscheidung über die zu verwendende Vernetzungsmethode hängt in der Regel davon ab, welche Art von Analyse (explizit oder implizit) oder Physik Sie lösen wollen und welche Genauigkeit Sie erreichen möchten. Einige andere Optionen sind kartesische Netze und geschichtete Netze, die für spezielle Analysen wie die additive Fertigung verwendet werden.

Meshin Controls

Meshing-Steuerungen ermöglichen ein präziseres Netz. Ansys Mechanical ermöglicht die Steuerung lokaler Netze anstelle eines globalen Netzes, das das gesamte CAD mit der gleichen Methode vernetzt. Einige Beispiele für lokale Vernetzungssteuerungen sind lokale Größenanpassung, Verfeinerung und Beeinflussung der Geometrie.

Nehmen wir zum Beispiel einen Motorradrahmen. Sie möchten vielleicht einen allgemeinen Vernetzungsansatz für die gesamte Geometrie anwenden. Aber an den Schweiß- und Schraubverbindungen eine andere Strategie verwenden. Die Verwendung lokaler Vernetzungssteuerungen ermöglicht es Ihnen, an diesen Stellen ein feineres Netz zu erstellen und nicht das gesamte Teil mit kleineren Elementen zu vernetzen, was eine längere Berechnungszeit zur Folge hätte.

Die Geometrie eines Motorradrahmens ist vernetzt und zeigt Schweißnähte.

 

Warum ist eine gute Qualität des Meshing wichtig?

Einfach ausgedrückt: Ein qualitativ hochwertiges Netz ist gleichbedeutend mit präziseren Ergebnissen. Ein schlechtes Netz kann zu Konvergenzproblemen führen, was wiederum falsche Ergebnisse und falsche Schlussfolgerungen zur Folge haben kann. Die Qualität Ihres Netzes hängt von einigen Szenarien ab:

  • Welche Art von Analyse Sie durchführen.
  • Wie viel Zeit Sie in das Netz investieren wollen.
  • Wie viel Zeit Sie in die Lösung der Aufgabe investieren wollen.

In manchen Fällen suchen Sie vielleicht nach einer schnellen Lösung - etwas, das Ihnen hilft, eine Designentscheidung zu klären. In diesem Fall möchten Sie vielleicht nicht viel Zeit mit dem Einrichten Ihres Netzes verbringen. In anderen Fällen möchten Sie vielleicht eine sehr genaue Berechnung oder ein sehr genaues Ergebnis, was einige Zeit und Mühe für die Einrichtung Ihres Netzes mit verschiedenen Methoden und Steuerelementen erfordern würde.

Ein gutes Netz hat ein Qualitätskriterium, das Ihren Anforderungen entspricht (Art der Analyse, Genauigkeitsgrad, Zeit), z. B. Elementqualität und Seitenverhältnis. Letztendlich empfehlen wir Ihnen, Ihre Geometrie zu verstehen und Kontrollen zu verwenden, um das bestmögliche Netz zu erhalten - was schließlich zu einem besseren Produktdesign führt.

Erfahren Sie mehr in unserem Intro to Meshing Kurs auf dem Ansys Learning Hub.

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