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ritzel_anschlag.jpg Vierkant1.JPG

Hallo an alle,

ich versuche folgendes Problem zu berechnen:

Eine Ritzelwelle steckt steckt mit einem Achtkant in einem "Anschlag" (s. Bild Ritzel). Die Welle wird tordiert und der Anschlag an der Außenfläche festgehalten.
Nun möchte ich die Spannungen am Übergang Achtkant-Verzahnung bestimmen.

Um es erst einmal möglichst einfach zu halten, habe ich einen "einfachen Achtkant" in einen Block "gesteckt" und diesen mit einem Torsionsmoment belastet. Die Kontaktflächen habe ich als reibungsfrei/abhebend definiert. Die Kanten sind leicht gerundet.

Leider habe ich das Problem, daß die Spannungen nicht konvergieren wollen. Bei feiner Netztdichte entstehen an den Kontaktstellen einzelne, nebeneinander liegende Spannungsspitzen.

Für einen Tipp was ich hier falsch mache, oder wie die geschickteste Vorgehensweise ist wäre ich sehr dabkbar !!!

Schon einmal Danke und CU
Stephan

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Hallo Stephan,

leider sieht man in dem angehängten Bild nicht gut, ob der Übergang zwischen Achtkant :-) und Anschlussfläche verrundet ist oder nicht. Muss er unbedingt sein, sonst singuläre (unendliche) Spannung. Die Spannungsverteilung sieht aber glatt und rund aus, deutet also darauf hin, dass dem so ist.
Zur eigentlichen Frage:
Konvergenzprüfung auf keinen Fall auf das gesamte Modell.
Am besten nur auf die Verrundungsfläche zwischen Achtkant und der senkrecht zur Achse liegenden axialen Anschlagfläche. Und nur dort.
Wie das erreichen? Spannungsergebnis definieren, vor dem Berechnen ins Detailfenster, dort "alle Körper" anklicken, dann Flächen selektieren und "anwenden". Berechnung aktualisieren, Teilergebnis
auf den selektierten Flächen.
Für dieses Teilergebnis Konvergenz definieren.
Keine Konvergenz an Flächen, die am Kontakt beteiligt sind, damit das ganze ein bisschen schneller geht. Am Kontakt entstehen oft Singularitäten, deshalb wenn die Spannungen dort nicht primär interessieren (sind als Druckspannungen meist eh nicht so kritisch) diesen Bereich erst mal ignorieren und Fokus auf den wirklich interessanten Übergangsbereich (Schub/Zug) legen. Es sollte im Kontakt ein Netz definiert sein, das ein lokales Tragen auch abbilden kann, wodurch ja eine Spannungskonzentration über den Umfang gesehen, zustande kommt (ich würde mal mit 5 Elementen über die Sehnenlänge einer Seitenfläche anfangen, damit ist die Kontakt-Spannung zwar noch nicht gleichmässig, aber das tragende/nichttragende Verhalten sollte abgebildet werden können). Mit diesen Änderungen sollte eine Spannungs-Konvergenz mit 3 bis 6 Verfeinerungsschritten erreichbar sein (je kleiner der Radius, desto mehr Schritte). Wenn diese Berechnung soweit läuft, kann man sie auch noch ausbauen, was Vernetzungsgüte angeht.
Alternative: Statt die Ergebnisgüte über Konvergenzprüfung sicherzustellen, kann man auch mit Elementgröße auf Flächen ein Netz definieren, das gute Ergebnisse liefert.
Also z. B. im Übergangsbereich Verrundungsflächen selektieren, dort eine Elementgrösse definieren mit ungefähr einem sechstel der Bogenlänge der Verrundungslinie (so dass ca. 6 Elemente über dem Radius liegen und dafür die Konvergenzprüfung entfernen. Vorteil: Rechnet nur 1x den Gleichgewichtszustand (der aufgrund der nichtlinearen Kontakte eh mehrere Iterationen braucht), dafür muss man aber wissen, was ein "gutes" Netz ist.

Zum Vergleich mal die Welle alleine rechnen, auch mit Konvergenz (oder manueller Netzkontrolle) nur
an der krititschen Verrundung. Moment auf den Achtkant mit "Moment" aufbringen. Die damit ermittelte Spannung sollte gleichmässiger über den Umfang verteilt sein, als in dem ursprüngl. Lastfall, und damit etwas unterhalb liegen.
Gruss+Schöne Weihnachten
Christof Gebhardt

------------------
Christof Gebhardt
CAD-FEM GmbH
Marktplatz 2
85567 Grafing
Tel. +49 (0) 8092 7005 65
cgebhardt@cadfem.de
www.cadfem.de

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Spannung_lokal1.JPG Spannung_lokal2.JPG

Hi Christof,

erst einmal : Vielen Dank für deine ausführliche Antwort und die Tipps!!

Mit deinen Tipps ist es mir gelungen, den Übergang "Vierkant-Welle" richitg darzustellen. (Die Ergebnisse sehen zumindestens sinvoll aus)

Nun noch eine Frage zu den Kontaktflächen selber:
Du schreibst:  Am Kontakt entstehen oft Singularitäten ...

Gibt es überhaupt eine Möglichkeit, die Kontaktdrücke richtig mit DS darzustellen ?? Bei meinen Versuchen lief es nämlich immer auf deine vorhergesagten Singularitäten heraus ... (s. Bild)

Vielen Dank und CU
Stephan

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Hallo,

in DesignSpace gibt es keine Möglichkeit, den Kontakt-Druck direkt auszuwerten. Ok, man kann sich behelfen z. B. mit Normal- und min. Hauptspannungen. ABER:
Nichtlineare (abhebende) Kontakte sind heute die Grauzone zwischen der einfach handhabbaren konstruktionsbegleitenden FE-Berechnung und der ambitionieren FE-Analyse, die einem Berechnungsingnenieur vorbehalten bleiben sollten. Natürlich, wir wünschen uns alle die eierlegende Wollmilchsau. Den Ferrari, in dem man eine Familie unterkriegt, mit dem man umziehen kann, der wenig Sprit braucht und eben kein Vermögen kostet. Und in der FEM wäre es schön, wenn wir die komplexesten Simulationen so nebenher aus dem Ärmel schütteln könnten. Für den Bereich der linearen Aufgabenstellungen lässt sich die Arbeitsweise eines FE-Programms ganz gut automatisieren. Bei nichtlinearen Aufgabenstellungen ist das etwas schwieriger. Und Kontakt (genauso wie z. B. plastifizierendes Material, Stabilitätsprobleme wie das Durchknicken eines Coladosen-Bodens etc.) gehört dazu. Die Nichtlinearitäten erfordern einfach ein bisschen mehr. Vom Anwender. Ok, auch dort gibt es Automatismen. Aber die funktionieren eben nicht in 100% der Fälle, sondern vielleicht nur in 80%. Deshalb gibt es Lösungen für die Konstruktion und Lösungen für die Berechnung.
Konkret: Im vorliegenden Fall wird eine deutlich höhere Netzdichte im Kontaktbereich einen gleichmässigeren Spannungsverlauf ergeben.
Um Kontaktanalysen mit allen Schikanen (Auswertung des Kontakt-Drucks, der Relativbewegung, des Kontaktstatus gleitend/haftend etc.) machen zu können, wäre ein erweiterter ANSYS-Modul die richtige Lösung. Sieht von der Bedienung erst mal genauso aus, bietet aber mehr Möglichkeiten, verlangt vom Anwender aber auch mehr Hintergrundwissen, welche davon sinnvoll einsetzbar sind.

Sorry, dass ich jetzt etwas ausgeschweift bin, aber es ist wichtig zu wissen, dass es in DesignSpace Grenzen gibt, eine davon eben bei abhebendem Kontakt. 

Gruss
Christof Gebhardt

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Christof Gebhardt
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