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ANSYS BLOG

December 2, 2020

In drei Schritten zu verbesserten FEA-Modellen

Die Entwicklung eines erfolgreichen und effektiven Finite-Elemente-Analyse-Modells (FEA) kann für Konstrukteure eine frustrierende Erfahrung sein. Das Modell muss einfach und leicht zu reproduzieren sein, aber dennoch komplex genug, um gültige Testergebnisse zu liefern. Dies führt zu dem Problem, dass die Modelle oft zu vereinfacht und angenähert sind, um eine genaue Analyse zu ermöglichen, oder das Modell ist zu kompliziert, um es einfach zu verarbeiten. Verschiedene Arten von Modellen erfordern auch verschiedene Arten der Meshgenerierung. Und schließlich müssen die Lasten genau angewendet werden, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Wir werden jede dieser Herausforderungen und ihre Lösungen diskutieren.

Wie ein FEA-Modell verbessert werden kann: Modellvereinfachung

Ein wichtiger Schritt zur Verbesserung eines FEA-Modells ist die Vereinfachung des Modells. Allerdings muss das Modell auf die richtige Weise vereinfacht werden, um genaue Analysen zu erhalten.


Ein Beispiel für die Simulation einer Finite-Elemente-Analyse in Ansys Sherlock

Die Erstellung der Modellgeometrie ist einer der schwierigsten Aspekte der FEA. Ein häufiger Fehler unter FEA-Anfänger*innen ist die Annahme, dass ein im Rahmen des Produktdesigns erstelltes CAD-Modell direkt in eine FEA-Studie eingefügt werden kann. Die CAD-Modelle der Designer enthalten in der Regel eine enorme Detailfülle, deren Einarbeitung in eine Simulationsanalyse Stunden oder Tage in Anspruch nehmen würde.

Erfahren Sie mehr in unserem aufgezeichneten Webinar "ECAD to FEA in 5 minutes".

Viele dieser Details sind jedoch in der FEA oft unnötig. Schlimmer noch: die Aufnahme unnötiger Details in ein FEA-Modell kann zu minderwertigen Netzen, ineffizienten Simulationslaufzeiten und ungenauen Ergebnissen führen.

Für einen Analysten ist das Verständnis, wann und wie ein Modell, das ihm von einem Designer übergeben wurde, zu vereinfachen ist, eine wichtige Fähigkeit für eine effektive FEA-Simulation.

Optimierung der Finite-Elemente-Analyse: Unnötige Objektmerkmale entfernen

Die vielleicht häufigsten Details, die sofort aus den meisten CAD-Modellen entfernt werden können, sind Verrundungen und Abrundungen. Wirklich eckige Kanten gibt es in der realen Welt nur selten. Kanten sind in der Regel abgerundet, und CAD-Modelle enthalten diese Abrundung oft an vielen, wenn nicht an allen geometrischen Körpern. Allerdings sind quadratische Kanten in der FEA-Welt viel einfacher zu vernetzen, und die meisten kleinen Verrundungen haben keinen Einfluss auf die globalen Verschiebungsberechnungen. CAD-Werkzeuge verfügen in der Regel über eine Funktion, die das Entfernen von Verrundungen/Runden erleichtert, wie z. B. der Füllbefehl in Ansys SpaceClaim. Die angemessene Verwendung dieser Funktionen kann die Modellkomplexität mit geringem Aufwand für die Benutzer*innen schnell reduzieren.


Inkrementelle Rundungsentfernung in Ansys SpaceClaim
 

Einbeziehung effektiver Geometrien und Beschränkungen

Eine weitere gängige Vereinfachung besteht darin, unbedeutende Körper zu entfernen oder durch effektive Geometrien oder Beschränkungen zu ersetzen. Zum Beispiel enthalten die meisten mechanischen Baugruppen Verbindungselemente wie Schrauben und Nieten. In vielen Fällen können Schraubengeometrien jedoch durch stark vereinfachte 3D-Geometrien oder 1D-Balkenelemente ersetzt oder sogar ganz entfernt und durch starre Kontaktbeschränkungen oder feste Randbedingungen approximiert werden.

Die Ergebnisse mechanischer Schocks zeigen vernachlässigbare globale und lokale Ergebnisse, wenn sie sehr klein sind.
Chipkomponenten enthalten sind (links) und wenn sie ausgeschlossen sind (rechts).
 

Wenn beispielsweise mechanische Stöße auf einer 12x12-Zoll-Leiterplattenbaugruppe (PCBA) simuliert werden, haben sehr kleine Komponenten wie 0201 Widerstände keine Auswirkungen auf die globale Steifigkeit des Modells und können vollständig entfernt werden. Größere Komponenten wie ein 16-PIN-SOIC müssen möglicherweise modelliert werden, aber das Lot kann ersetzt und durch einen starren Kontakt zwischen den Anschlüssen und der Leiterplatte approximiert werden.   Ansys Sherlock ist ein Tool, das bei der Erstellung eines FEA-fertigen Modells aus den in der Designphase einer PCBA verfügbaren Informationen helfen kann, indem es die für die PCBA-Fertigung bestimmten ECAD-Informationen aufnimmt und die Erstellung eines vereinfachten, vernetzten, FEA-fertigen PCBA-Modells automatisiert.

Wie ein FEA-Modell verbessert werden kann: Richtige Meshgenerierung

Neben der Beherrschung eines Modells müssen eine Reihe von Entscheidungen getroffen werden, um ein korrektes Mesh zu erzeugen. In der Regel gibt es drei Bereiche, die Ansys-DfR bei der Erstellung genauer Netze berücksichtigt:

  • Wahl zwischen Schalen- und Volumenelementen
  • Auswahl von Hex- (Ziegel) und Tet-Elementen (Pyramiden)
  • Wahl der richtigen Maschengröße und Maschenreihenfolge


Schalen- vs. festes Element

In den meisten Fällen wird die CAD-Geometrie vollständig aus dreidimensionalen Körpern bestehen. In einem FEA-Modell kann es jedoch von Vorteil sein, einige dieser Körper mit Schalen-Elementen statt mit 3D-Volumenelementen zu vernetzen.

Schalen-Elemente sind 2D-Annäherungen an die 3D-Geometrie, die die Dicke eines Körpers als physikalische Eigenschaft speichern. Sie können für dünnwandige Geometrien verwendet werden, deren Länge viel größer ist als die Dicke des Körpers, und wenn die Scherverformung unbedeutend ist (z. B. ein Blechchassis oder die Wände einer Getränkedose). Es gibt auch spezielle Schalen- und Balkenverstärkungselemente, die für die Modellierung der dünnen Kupferschichten im Inneren einer Leiterplatte (PCB) verwendet werden können.

Leiterplattenmerkmale aus Kupfer, modelliert als Schalen- und Balkenverstärkungen

Neue Funktionen in  Ansys Sherlock  ermöglichen die schnelle Erzeugung dieser Verstärkungsgeometrien. Diese Verstärkungen ermöglichen es dem Benutzer, die Auswirkungen der Leiterbahnen auf die Verformungen der Leiterplatte effizient zu erfassen.

Darüber hinaus kann die richtige Einbindung von Schalen-Elementen in FEA-Modelle sowohl die Simulationslaufzeit als auch die Genauigkeit der Ergebnisse erheblich verbessern. Bei richtiger Anwendung können Schalen-Elemente bei dünnwandigen Strukturen (z. B. Blechen) in der Regel ein qualitativ hochwertigeres Mesh mit einer viel geringeren Elementanzahl erzeugen, was zu genaueren Ergebnissen bei deutlich geringeren Rechenkosten führt. CAD-Werkzeuge wie die Funktion "Create Midsurface" in Ansys SpaceClaim können bei der Vorbereitung von Geometrien für die Schalenvernetzung helfen.


Volumenkörper (links) ersetzt durch Oberflächenkörper (rechts) mit dem Ansys SpaceClaim Midsurface Tool.

Es mag intuitiv erscheinen, anzunehmen, dass eine 3D-Vernetzung mehr Details und damit genauere Ergebnisse liefert. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Insbesondere bei großen Biegungen erzeugen Volumenelemente oft künstlich steife Strukturen, wenn sie zur Vernetzung dünnwandiger Geometrien verwendet werden. Das resultiert in ungenauen Simulationen. Darüber hinaus kann es sehr schwierig sein, das Mesh zu verfeinern und genügend Elemente durch die Dicke einer dünnwandigen Struktur zu erzeugen, um genaue Verschiebungs- und Spannungsergebnisse zu erzielen.

Darüber hinaus können dünnwandige Strukturen, wenn die Geometrie komplex genug ist, bei der Verwendung von Volumenelementen zu einem Mesh von schlechter Qualität führen, das splitterartige Elemente mit schlechten Seitenverhältnissen erzeugt, was die Ergebnisse negativ beeinflusst.

Hex vs. Tet-Elemente

Bei der Entscheidung, ob hexaedrische (hex) oder tetraedrische (tet) Elemente in einer FEA-Modellkonfiguration verwendet werden sollen, ist es wichtig, die Gesamtform und Komplexität des Objekts selbst zu berücksichtigen. Als Faustregel gilt, dass man nach Möglichkeit mit hexaedrischen Elementen vernetzt. Hex- oder "Brick"-Elemente führen im Allgemeinen zu genaueren Ergebnissen bei geringerer Elementanzahl als tetraedrische Elemente. Wenn das Objekt jedoch spitze Winkel oder andere komplexe Geometrien enthält, kann es notwendig sein, mit tetraedrischen Elementen zu vernetzen.


Ein identischer Körper, der mit Hex-Elementen (links) und Tet-Elementen (rechts) vernetzt ist.

Es ist ratsam, dass Modell so weit zu vereinfachen, dass es vollständig mit Bricks vernetzt wird, aber das ist nicht immer möglich. Bei komplexen Geometrien mit notwendigen Tet-Meshes ist darauf zu achten, dass das Netz nicht zu ungenauen Ergebnissen führt. Dies bedeutet in der Regel eine höhere Elementanzahl, Elemente hoher Ordnung und längere Laufzeiten.

Aus diesen Gründen sind Modellvereinfachungen empfehlenswert. Dazu gehört das Entfernen von Verrundungen oder das Aufteilen von Körpern, die eine Sechskantvermaschung ermöglichen, ohne die Geometrie wesentlich zu verändern.

Mesh-Größe und Anordnung

Um bei einer Finite-Elemente-Analyse ein Gleichgewicht zwischen genauen Ergebnissen und angemessenen Laufzeiten zu finden, ist es wichtig, die Anordnung und Größe des Meshes richtig zu verstehen.

Die Mesh-Größe bezieht sich einfach auf die charakteristische Kantenlänge eines Elements. Eine kleinere Maschenweite führt zu mehr Elementen im Modell, was zu längeren Laufzeiten und genaueren Ergebnissen führt. Ordnung beschreibt die Formfunktion, die zur Berechnung von Elementverschiebungen verwendet wird.

Elemente erster Ordnung haben Knoten nur an den Ecken der Elemente und berechnen die Verschiebung zwischen den Knoten linear. Elemente zweiter Ordnung enthalten Knoten in der Mitte zwischen den Ecken und berechnen die Verschiebung quadratisch. Die zusätzliche Detaillierung der Elemente zweiter Ordnung führt in der Regel zu einer höheren Genauigkeit, aber auch zu einem deutlich höheren Rechenaufwand.


Ein quadratisches Element (links) und ein lineares Element (rechts). Die Knoten sind grün hervorgehoben.
Beachten Sie die Knoten in der Mitte zwischen den Ecken des Elements der zweiten Ordnung.

Der Schlüssel zur Erstellung effektiver FEA-Netze liegt darin, ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Ordnung und Größe für das jeweilige Problem zu finden, das analysiert werden soll. Wenn möglich, sollten Sie Elemente zweiter Ordnung verwenden und das Mesh iterativ verfeinern, bis die Ergebnisse konvergieren. Bei sehr viel größeren Problemen, die selbst mit Hochleistungsrechnern in der Größenordnung von Tagen gelöst werden müssen, ist dies jedoch möglicherweise nicht machbar. In diesen Fällen muss der Analytiker auf seine Erfahrung zurückgreifen, um geeignete Entscheidungen bezüglich der Netzgröße und -ordnung zu treffen.

Wie ein FEA-Modell verbessert werden kann: Richtige Lastanwendungen

Die Bestimmung der richtigen Lastanwendungen ist ein wichtiger Schritt bei der FEA. Lastanwendungen sind die Modelleingaben, für die das Objekt getestet wird, wie z. B. ein bestimmtes Ereignis wie ein thermischer Zyklus, Schock durch einen Fall, Vibration oder statische Biegung. Das Verständnis für die Feinheiten der Lastanwendung ist wichtig, um ein Ereignis zu simulieren, dem das Objekt in einer realen Umgebung ausgesetzt ist.

Ein gängiges Beispiel ist die Entscheidung, ob die angewandten Lasten als statisch oder instationär gelten sollen. Wenn Ingenieur*innen zum Beispiel die Biegung einer Struktur während der Montage simulieren, kann es akzeptabel sein, die Last als statische Verschiebung zu modellieren, da die Dehnungsraten wahrscheinlich viel langsamer und die Ergebnisse zeitunabhängig sind. Modellierein Ingenieur*innen jedoch eine ähnliche Durchbiegung, die durch das Fallenlassen der gleichen Baugruppe verursacht wird, müssen sie wahrscheinlich ein instationäres Modell verwenden. Das beinhaltet die damit verbundenen Trägheitseffekte zu erfassen, da die Einwirkungszeit der Last viel schneller ist und zeitabhängige Effekte erfasst werden müssen.

In der Welt der Elektroniksimulation haben wir es oft mit einem ähnlichen Fall zu tun, wenn wir thermische Zyklen simulieren. Bei der Untersuchung der thermischen Ausdehnung auf Leiterplattenebene (und nicht auf Komponentenebene) können zum Beispiel oft lineare Näherungen für die Materialeigenschaften verwendet werden, und statische, zeitunabhängige Temperaturrampen können sinnvoll sein. Dies ist akzeptabel, wenn Verschiebungen und elastische Spannungen/Dehnungen auf Leiterplattenebene im Mittelpunkt einer Analyse stehen und nicht Kriechdehnungen/Energien. Bei der Untersuchung der Ermüdung von Lötmitteln auf Komponentenebene müssen jedoch die zeitabhängigen Kriecheigenschaften von Lötmitteln berücksichtigt werden. In diesem Fall ist es wichtig, die Rampen- und Verweilzeiten des thermischen Zyklus genau anzuwenden, anstatt die Temperatur einfach linear ansteigen zu lassen. Kriechmodelle beinhalten zeitabhängige Eigenschaften, so dass die simulierten Zyklen in ihrer Gesamtheit modelliert werden müssen, um die Kriechdehnungs-/Energieergebnisse, die zur Vorhersage der Lotermüdung verwendet werden, möglichst genau zu berechnen.

Ein und dasselbe reale Ereignis ist in der FEA-Welt nicht immer gleich, je nach dem gewünschten Ergebnis der Analyse. Es ist wichtig, immer die realen Beanspruchungen zu berücksichtigen, denen das Objekt wahrscheinlich ausgesetzt sein wird, und wie sich diese Beanspruchungen auf die betreffende Komponente auswirken könnten. Die korrekte Eingabe dieser Nuancen führt zu einer Analyse, die genau, gültig und umsetzbar ist.

Mit dem richtigen Pre-Processing können Sie die Geschwindigkeit der FEM erheblich steigern, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Erfahren Sie mehr in unserem aufgezeichneten Webinar ECAD to FEA in 5 Minutes.

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