Freitag, 18. März 2011
Freitag, 18. März 2011
Kraftkonvergenz - konvergierende Lastschritte
Beim Durchführen einer statisch-mechanischen Simulation kommt es darauf an, dass sich die Stützkräfte der weichen Federn der FEM-Simulation mit jeder weiteren Berechnungsschleife immer weiter verringern, bis letztendlich eine zulässige Fehlerschwelle erreicht wird.
Kann die Berechnung wie oben auf der Abbildung mit jeder Berechnungsschleife (Iterationsschritt) eine geringer werdende Kraft aufweisen (lila Linie im Graphen), so erreicht sie letztendlich auch die Linie des zulässigen Fehlers (türkisfarbene Linie im Graphen). Wird das Kraftkriterium unterschritten, so ist die Berechnung zu Ende und die Ergebnisse werden ausgewertet und dargestellt.
Da man in ANSYS in den „Analyseeinstellungen“ auch mehrere Lastschritte definieren kann und demnach in einer Tabelle für jeden Lastschritte die Höhe der Belastung eintragen kann, kann der Verlauf der Kraftkonvergenz auch wie in dieser Abbildung aussehen. In diesem Fall gibt es 3 Lastschritte, die alle 3 berechnet werden konnten. Nach Beendigung eines konvergierenden Lastschrittes dieser mit einer senkrechten, gestrichelten Linie dargestellt.
Nicht immer sieht es so gut aus. Oft treten Fehler auf, die sich mittels mangelhafter Konvergenz offenbaren. Leider dauert die Berechnung trotzdem sehr lange nur um anschließend zu sehen, dass die Berechnung nicht möglich ist. Im Verlauf der Kraftkonvergenz kann man das aber auch schon vorher absehen und somit kostbare Zeit sparen.
In diesem Verlauf kann man sehen, dass sich die Linie der Kraftkonvergenz zu keinem Zeitpunkt auch nur etwas der Linie des Kraftkriteriums nähert. ANSYS hat in diesem Falle nach 4 Iterationen die Reissleine gezogen und eine Bisektion eingefügt. Dabei reduziert ANSYS selbstständig die Höhe der Belastung in der Hoffnung, dadurch wieder eine Konvergenz zu bekommen. Diese Vorgehensweise kann bei nicht-linearen Berechnung mit großen Verformungen und Mehrkörperkontakten manchmal zum Ziel führen.
In diesem Beispiel wurde zwei mal die Belastung reduziert und trotzdem konvergiert die Berechnung nicht. Solche Verläufe können dann vom Benutzer abgebrochen werden bzw. irgendwann bricht auch ANSYS von sich aus ab. In diesem Falle war die Kontaktfläche der Modellierung fehlerhaft und Körper die miteinander in Kontakt treten sollten, waren bereits leicht ineinander durchdrungen. Da es sich um eine Verzahnung handelte, war der Fehler schnell gefunden. Die Verzahnung mußte so modelliert werden, dass die Zähne einen minimalen Kontaktabstand zueinander aufweisen.
Neben den gut nachvollziehbaren Fehlern durch eine fehlerhafte Modellierung bzw. Kontaktflächendefinition kann auch die Höhe der Kraft entscheidend sein. Am besten kann man dies überprüfen, indem man die Berechnung als rein linear definiert und deutlich kleinere Belastungen eingibt. Konvergiert diese Berechnung, so kann man sich Stück für Stück an die gewünschte Belastung herantasten. Am einfachsten lässt sich dies über die Definition mehrerer Lastschritte definieren. Zum Abschluss noch einen sehr suspekten Konvergenzverlauf. Bitte so nicht machen :-)