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Autor Thema:  Schalenelemente vs. Volumenelemente (6675 mal gelesen)
TL9091
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ANSYS Workbench 18.2

erstellt am: 02. Mai. 2018 09:52    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo zusammen,

ich simuliere zur Zeit mit ANSYS Workbench 18.2 eine sequentiell gekoppelte thermisch-mechanische Analyse zum thermomechanischen Verhalten einer Hohlprofilverbundstütze (bestehend aus einem betongefüllten Stahlrohr). Jetzt stehe ich vor der weitreichenden Entscheidung, Volumen- oder Schalenelemente für das Rohr zu benutzen. Für die Betonfüllung nehme ich natürlich Volumenelemente (SOLID90 in der thermischen, SOLID186 in der mechanischen Analyse) aber für das dünne Stahlrohr (5mm Blechdicke bei einem Radius von 220mm) kommt m.E. beides infrage (SOLID90 oder SHELL132 in der thermischen, SOLID186 oder SHELL281 in der mechanischen Analyse). Nach einiger Recherchearbeit über die Vor- und Nachteile von Schalenelementen gegenüber Volumenelementen bin ich leider nicht viel schlauer geworden. Die wichtigsten Vor- und Nachteile, die ich den Schalenelementen zugeschrieben habe sind folgende:

- Bei der Verwendung von Schalenelementen bleibt ein möglicher Gradient der Ergebnisgröße (z.B. Temperatur
  oder Spannung) über die Elementdicke unberücksichtigt.
+ Modelle aus Schalenelementen benötigen geringere Rechenzeiten als qualitativ hochwertige Modelle aus Volumenelementen.

Nach meiner Recherche kann ich aber sagen, dass beides nicht so ganz richtig ist. Z.B. habe ich gelesen, dass SHELL132-Elemente über die Dicke sehr wohl Temperaturgradienten nachbilden können, konnte dies in einem Ersatzmodell aber nicht bestätigen. Um die zweite Aussage zu prüfen, habe ich mein Modell mit drei unterschiedlichen Diskretisierungen berechnet:

1) Ein Schalenelement über die Blechdicke
2) Ein Volumenelemente über die Blechdicke
3) Drei Volumenelemente über die Blechdicke

Sowohl die Temperaturfelder als auch die Verformungen sind in allen drei Modellen (fast) identisch und die Rechenzeit ist nur für Modell 3) erhöht. Die Modelle 1) und 2) unterscheiden sich diesbezüglich kaum (Modell 1 mit Schalenelementen rechnet sogar ein paar Minuten länger).

Es wäre super, wenn mir jemand erklären könnte, was der prinzipielle Unterschied zwischen Schalen- und Volumenelementen ist und welcher Elementtyp in meinem Fall angemessen ist.

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Duke711
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erstellt am: 02. Mai. 2018 14:15    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für TL9091 10 Unities + Antwort hilfreich

Grundlagen, z.B.:
http://www.cae-wiki.info/wikiplus/index.php/Schalen-Element

Ich wüsste nicht welchen Vorteil Shell-Elemente haben könnten. Die Rechenzeit ist sowie so maßgeblich abhängig von der Anzahl der DOF, indirekt von den Elementen und Knoten und somit kommt es auf das Netz an und kaum auf die Berechnungselemente.
Auf Shell-Elemente war oder ist man immer bei dünnwandigen Bauteilen angewiesen, bezüglich der Netz-Güte. Bei Solid-Elementen ist die Netzdichte nicht unabhängig der Blechdicke. Das führt entweder zu unnötig hohen Netzdichten oder so einer sehr schlechten Netz-Güte, bezüglich des Elementseitenverhältnisses. 
Das Problem von Shell-Elementen ist das Locking, d.h. Hauptergebnisgrößen wie Verschiebungen weichen zum Nachteil gegenüber Solid-Elementen ab. Und das beachtlich, je nach Randbedingungen bis zu 25%.
Um das Locking zu mindern, teilweise zu verhindern, ist man mit SolidShell–Elementen besser beraten als mit Shell. Shell werden eigentlich kaum noch verwendet. 

Schon mal die Defintion von Shell132 durch gelesen?
https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/en-us/help/ans_elem/Hlp_E_SHELL132.html

Hier müssen einige Annahmen zum Materialverhalten bezüglich des Temperaturleitfähigkeit in Abhängigkeit der Schichtdicke eingestellt werden. Das würde ich jetzt nicht unbedingt als vorteilhaft bezeichnen, wenn es sich um ein nicht lineares Mataerial handelt. Man verwendet aus guten Grund bei thermischen Simulationen keine Shell oder Solidshell.

Von daher Solid, Locking kommt hier nicht zum tragen, das Seitenverhältnis spielt eine untergeordnete Rolle.


[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 02. Mai. 2018 editiert.]

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TL9091
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ANSYS Workbench 18.2

erstellt am: 03. Mai. 2018 12:26    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Vielen Dank für die schnelle Antwort, Duke711,

Zitat:
Auf Shell-Elemente war oder ist man immer bei dünnwandigen Bauteilen angewiesen, bezüglich der Netz-Güte. Bei Solid-Elementen ist die Netzdichte nicht unabhängig der Blechdicke. Das führt entweder zu unnötig hohen Netzdichten oder so einer sehr schlechten Netz-Güte, bezüglich des Elementseitenverhältnisses.

Bislang habe ich das Stahlrohr, das ja ein dünnwandiges Bauteil ist, mit SOLID186 und einer Elementschicht über die Dicke diskretisiert. Auf diese Weise erhalte ich Elemente mit einem Kantenlängenvergältnis von 26/26/5mm mit einer Elementqualität von 0,2. Ich könnte das ganze natürlich auch mit 5/5/5mm Elementen vernetzen oder gar mit z.B. zwei Elementschichten à 2,5/2,5/2,5mm, hätte dann aber einen wesentlich höheren Rechenaufwand. Die Frage ist: Was ist an einem ungleichmäßigen Kantenlängenverhältnis so schlimm, ab welchem Kantenlängenverhältnis kommt das zum Tragen und kann das durch Schalenelemente behoben werden? Ich habe auch gelesen, dass man niemals mit nur einer SOLID-Elementschicht über die Blechdicke rechnen soll, eine Begründung wurde aber nicht geliefert. Trifft das evtl. für SOLID186 überhaupt nicht zu, da es sich hierbei um ein Element quadratischer Ansatzfunktion (mit Zwischenknoten) handelt? In einer Vergleichssimulation mit drei Elementschichten à 26/26/1,67mm über die Blechdicke habe ich keinen wirklichen Unterschied im Ergebnis verglichen mit der Simulation mit einer Elementschicht 26/26/5mm feststellen können.

Zitat:
Das Problem von Shell-Elementen ist das Locking

http://www.cae-wiki.info/wikiplus/index.php/Locking sagt, dass das eben bei SOLID-Elementen der Fall ist. Das war nämlich der eigentliche Grund warum ich versucht habe, das Rohr mit SHELL-Elementen zu vernetzen.

Zitat:
Man verwendet aus guten Grund bei thermischen Simulationen keine Shell oder Solidshell.

Für die thermische Analyse ist es mir klar, dass SHELL-Elemente keinen Vorteil bringen sondern im Gegenteil das thermische Verhalten über die Elementdicke nicht so gut nachbilden (Temperaturgradient über die Blechdicke aber irrelevant, da über geringe Dicke und hohe Wärmeleitfähigkeit des Stahls sowieso annähernd konstant). Da ich aber die Ergebnisse der thermischen Analyse an die mechanische Analyse weitergebe, kann ich zwischen den einzelnen Analyseschritten nicht einfach von SOLID (in der thermischen) auf SHELL (in der mechanischen Analyse) springen, da die Knotenpositionen dann nicht mehr übereinstimmen und Knotentemperaturen nicht mehr korrekt weitergegeben werden.

Zitat:
Von daher Solid, Locking kommt hier nicht zum tragen, das Seitenverhältnis spielt eine untergeordnete Rolle

Du empfiehlst also SOLID? Spielt aber nicht gerade da das Seitenverhältnis eine Rolle?

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deepblue
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erstellt am: 03. Mai. 2018 13:54    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für TL9091 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo,
zu dem Locking bei Volumenelementen:
Das trifft nur dann zu, wenn man einen linearen Elementansatz hat. Ist dieser quadratisch (Standard in der Workbench), zeigen diese Elemente kein Locking mehr.
Der Elementansatz wird über die Mittelknoten eingestellt (ja/nein). Mit Mittelknoten hat man einen quadratischen Elementansatz.
Hilfreich ist auch immer die Onlinehilfe zu den Elementen. Dort steht auch etwas zu Locking-Effekten wenn diese relevant sind. Auch mit Keyoptionen kann man das Verhalten beeinflussen...
Beispiel solid185:
Dort gibt es eine Keyoption für das shear locking

------------------
Viele Grüße von
Deepblue         

PS: War meine Antwort hilfreich? Dann freu ich mich über Unities 

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Duke711
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erstellt am: 03. Mai. 2018 15:02    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für TL9091 10 Unities + Antwort hilfreich

Bei der thermischen Simualtion spielt das Seitenverhälnis kaum eine Rolle. Bei der mechanischen Simulation sollte es nicht mehr wie 5, maximal 10 betragen, kommt ganz auf das Netz an. 5 - 10 ungefährer Richtwert, wenn nur Solid-Elemente zum Einsatz kommen. Über 10 ist bei Solid-Elementen eine feststellbare Beeinflussung der Ergebnisgrößen zu erwarten, insbesondere die abgeleiteten Größen wie Spannungen etc. Teilweise große Abweichungen zwischen gemittelter und ungemittelter Spannung.

Solid bei der thermischen und Solidshell bei der folgenden mechanischen Analyse. Dann gibt es auch keine Probleme mit den Knotenpunkten.
Bzw. bei 26/5 mm ~ 5, kann man das Modell auch komplett mit Solid-Elementen aufbauen.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 03. Mai. 2018 editiert.]

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TL9091
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erstellt am: 04. Mai. 2018 13:37    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo deepblue, vielen Dank für die Antwort!

Zitat:
zu dem Locking bei Volumenelementen: Das trifft nur dann zu, wenn man einen linearen Elementansatz hat. Ist dieser quadratisch (Standard in der Workbench), zeigen diese Elemente kein Locking mehr.

Heißt das, dass Shear Locking bei Elementen mit quadratischer Ansatzfunktion z.B. SOLID186 prinzipiell ausgeschlossen werden kann? Was ist mit Volumetric Locking? Könnte das ein Problem werden? Die ANSYS-Hilfe weißt außerdem darauf hin, dass es zu Hourglass-Mode kommen kann, wenn nur ein Element SOLID186 über die Dicke eines Bauteils existiert. Reicht es dann nicht, die Blechdicke einfach durch zwei SOLID186-Elemente (unter Hinnahme von schlechten Kantenlängenverhältnisse) zu diskretisieren anstatt sich mit Shell- oder Solidshell-Elementen rumzuärgern?

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deepblue
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Was in der ANSYS-HIlfe steht ist natürlich korrekt und die Hinweise solltest Du berücksichtigen - außer du hast einen anderen Lastfall.
Mehr Elemente über der Dicke sind natürlich eine Abhilfe. Das führt aber zu mehr Elementen und wenn man das max. Kantenlängenverhältnis berücksichtigt wieder zu kleineren Elementen.
Wobei ich immer der Meinung bin, dass man nicht zu sparsam sein sollte. Schließlich kostest es auch Zeit ein Modell zu vereinfachen und die Rechnungen laufen doch rel. schnell durch. 1 Mio. Elemente sind bei mir keine Seltenheit und mit heutiger Rechnertechnik und HPC geht's doch recht flott...

------------------
Viele Grüße von
Deepblue         

PS: War meine Antwort hilfreich? Dann freu ich mich über Unities 

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ANSYS Workbench 18.2

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Unbenannt1.JPG

 
Habe jetzt nochmal alle Möglichkeiten durchprobiert, wobei ich festgestellt habe, dass das Modell mit Schalenelementen wesentlich länger rechnet (drei weitere DOFs) und wahnsinnige Konvergenzprobleme bereitet. Kann ich denn einfach die Flächen der Schalenelemente an Flächen benachbarter Volumenelemente und Kanten der Schalenelemente an Flächen benachbarter Volumenelemente anschließen, obwohl sich die einzelnen Elementtypen hinsichtlich ihrer DOFs unterscheiden? Bei den Solidshell-Elementen passt mir nicht, dass sie nur mit linearer Ansatzfunktion existieren. Kann ich sie dennoch ohne Bedenken an SOLID186-Elemente anschließen obwohl diese quadratische Ansatzfunktionen besitzen? Allein optisch macht diese Kombination wenig her, da die Rundung durch die SOLID186-Elemente mit Zwischenknoten genauer nachgebildet wird als durch die SOLISH190-Elemente und sich die Elemente daher überschneiden (siehe Bild im Anhang).

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Duke711
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erstellt am: 04. Mai. 2018 17:21    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für TL9091 10 Unities + Antwort hilfreich

Ja, aber nur leider beeinträchtigen große Kantenlängenverhältnisse die Netzqualität und somit erheblich die Qualität der Ergebnisse. Falsche Ergebnisse sind oft eine Ursache schlechter Netzqualität und/oder Randbedingungen. Ansonsten könnte man auf Shell bzw. Solidshell komplett verzichten.
Bei Elementen mit quadratischen Ansatz sind bezüglich Verschiebung weniger Elemente nötig als mit linearen Ansatz. Z.B. können vier Elemente mit quadratischen Ansatz die gleiche Näherungslösung liefern wie acht Elemente mit linearen Ansatz. Aber selbst wenn vier Elemente mit linearen Ansatz und vier Elemente mit quadratischen Ansatz sich die selben Knotenpunkte teilen, sind es gerade mal Abweichungen von ~ 1% in den Hauptergebnisgrößen. Ein schlechtes Netz hat da einen deutlich größeren Einfluss. Man könnte aber genauso weitere Knotenpunkte einfügen um mehr Elemente mit linearen Ansatz einzufügen. Oder einfach einen Kontakt erstellen.
Aber so habe ich das eigentlich nicht gemeint. In der Workbench werden sowie so nur die Ergebnisse von der thermischen zur mechanischen Analyse importiert. Wegen anderer Elemente wird das Netz und somit die Knotenpunkte gar nicht übernommen. Wichtig ist hier, dass die Flächen und Kanten (also die Geometrie) erhalten bleibt.

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