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Ansys_Makro_Forum.zip

Ahoihoi!

Ich bin Student an der FH Jena und schreibe gerade meine Diplomarbeit. Als Teil dieser gilt es eine Simulation eines elektrostatischen Aktors mit Ansys 11 classic durchzuführen.
Dieser Aktor ist recht simpel aufgebaut: Eine gebogene Elektrode deren Form eines Polynoms des Grades 2 bis 4 entspricht. Darüber liegt ein dünner Balken der sich an die Elektrode legt sobald Spannung angelegt wird. Dazwischen ist natürlich ein Isolator mit einer bestimmten Dielektrizitätszahl. Das ganze nennt sich im englischen „zipper actuator“, für Interessierte.

Ich habe zunächst versucht das Problem mit Luftvolumen in 3d zu lösen, aber das hat nicht funktioniert weil die Luftelemente auf 0 zusammengedrückt werden (distorted mesh) und das meshing ein großer Aufwand war (ist am einen Ende spitz zulaufend).

Also schrieb ich mir ein Makro um das Problem mit den Trans126 Elementen zu erschlagen (2d).
Auf diese Weise kann ich die ganzen Parameter immer wieder verändern ohne das ganze Gelumpe von Hand neu machen zu müssen. Zudem müssen die Trans126 Elemente eh in Form der Elektrode geschoben werden, was bei 150 Stück von Hand kaum zu machen ist.

Auf Position der Elektroden Nodes kommen dann noch Kontakt Elemente die ein Durchdringen verhindern.

So weit, so gut. Alle Elemente werden korrekt erstellt, die Form des Polynoms stimmt, die Kontaktelemente laufen, keine Warnungen und alles konvergiert. Super!
Aber: Die Ergebnisse stimmen nicht. Ich habe mir 2 Dissertationen gesucht die ebenfalls einen solchen Aktuator gefemmt haben.
Sobald ich den Plane42 Elemente (die ich für den dünnen Balken verwende) eine thickness zuweise um diese mit der korrekten Breite zu modellieren (Ausdehung in Z-Achse) wird die Endauslenkung massiv geringer (die erhöhte Breite rechne ich natürlich auch in die Capacity von c0 mit rein). Als wenn die Capacity der Trans126 Elemente nicht im selben Maße steigt wie der Widerstand gegen Verbiegung durch die thickness (was aber von der Theorie her der Fall sein sollte).

Ein 3d Modell wollte ich aufgrund des großen Aufwandes. Ein Beam Element kann ich leider auch nicht vewenden weil ich noch eine Festkörperfeder einbauen möchte (über einen veränderten Emodul den ich aus einer Festkörperfeder umrechne die ich in Inventor simuliere). Oder geht das mit einem Beam Element?

Ist aber letztlich wurscht ob Beam oder Plane. Hat von Euch jemand eine Idee woran das liegen könnte dass die Ergebnisse VIEL zu klein sind? Ich vermute ja, dass es eine ganz simple Option ist, die aus/an muss oder was anderes banales was ich vor lauter Bäumen nicht mehr sehe (wie den Wald).
Die Ergebnisse kommen übrigens einigermaßen hin, wenn man den c0 Wert um den Faktor der  Elektrodenbreite/2 bzw. /2,5 multipliziert (bei Flaechenfaktor eintragen). Vielleicht hilft das bei der Problemfindung, Ergebnisse tunen wollte ich für eine Diplomarbeit nicht.
Ich habe schon etliches versucht aber finde einfach den doofen Fehler nicht. Wer den findet bekommt von mir so viele Hubschrauber wie er tragen kann. :-P

Im Anhang habe ich mal das Makro mit reingepackt. Die Werte und Ergebnisse der Dissertationen sind hier (Ihr braucht nur die entsprechenden Zeilen im Makro ersetzen):

Und noch etwas: wenn Ihr das ganze Makro kopiert und eingebt rechnet der gleich los, also nicht wundern oder die letzten beiden Fett gedruckten Überschriften auslasten.

Gruß und Dank,
Formfunktion

Diss_1
! Beam Parameter
unterteilungen=150
emodul =150e3
poisson =0.3
dickebeam =2
laengebeam =501.613
dichtebeam = 2.329e-15

! Elektrode Parameter
polynom = 3
laengeelektrode =500
dickeisolator = 2
auslenkung =30
breiteelektrode=5
korrpoly=4.99104
er=1
e0=8.854e-6
d0=dickeisolator/er
flaechenfaktor=1

! Elektrische Parameter
spannung =200
mingap = d0
inigap =auslenkung+d0

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Diss_2
! Beam Parameter
unterteilungen=150
emodul =150e3
poisson =0.3
dickebeam =30
laengebeam =6000.96
dichtebeam = 2.329e-15

! Elektrode Parameter
polynom = 3
laengeelektrode =6000
dickeisolator = 1
auslenkung =80
breiteelektrode=500
korrpoly=5.00013
er=3.6
e0=8.854e-6
d0=dickeisolator/er
flaechenfaktor=1

! Elektrische Parameter
spannung =200
mingap = d0
inigap =auslenkung+d0

Die Soll-Ergebnisse:
Diss_1
Spannung – Auslenkung in um
20 - 2
40 – 8
60 – 15,2
80 – 21,1
100 – 25
120 – 27,2
140 – 28,2
160 – 28,6
180 – 29

Diss_2
Spannung – Auslenkung in um
10 - 10
20 – 40
30 - 63
40 – 77
60 – 79
80 – 80
100 – 80

[Diese Nachricht wurde von Formfunktion am 14. Jul. 2008 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von Formfunktion am 16. Okt. 2008 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von Formfunktion am 16. Okt. 2008 editiert.]

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Morgen, ich nochmal.

Ich habe noch etwas auf dem Problem rumgedacht und werde mein Vorgehen etwas darlegen, so ein ganzes Makro ist zu umständlich zu durchschauen, ausserdem denke ich wird es was grundlegenderes sein als irgendwo ein Schreibfehler in einem Befehl.

Ziel:
Simulation einer Folie/Balken die sich auf eine gebogene Elektrode legt sobald eine Spannung angelegt wird.

So wie in dieser pdf: http://doc.utwente.nl/55668/

Problem:
Coupled field ist ungünstig weil das Luftvolumen (sehr) schwierig zu meshen ist und auf 0 zusammengedrückt wird, daher TRANS126 Elemente.

Ich habe nur ein Material dem ich die Werte im uMKS System gebe (Emodul = 150e3).

Den Balken meshe ich mit PLANE42 Elementen (stress with thickness entsprechend der Breite der Elektrode).
Könnte hier ein Problem liegen? Dass TRANS126 nicht gut mit PLANE-Elementen arbeitet, nur mit BEAM oder SOLIDs? Oder nur nicht mit diesem?
Den Balken unterteile ich mehrfach (rund 150 mal) und meshe. Alle Nodes an der Unterseite vom Balken nutze ich zum erzeugen der TRANS126 Elemente über den EMTGEN Befehl. Über eine *do Schleife wird dann jeder Node einzeln angewählt und in Abhängigkeit seiner X-Position an die korrekte Position geschoben (dem Verlauf der Elektrode entsprechend) und bekommt das c0 zugewiesen.
Das c0 selbst bestimme ich über die Formel E0*Elektrodenbreite*Elektrodenlänge/Unterteilungen. Das E0 ist auf uMKS umgetragen.
Die Formel ist ja recht simpel, da kann man nicht viel falsch machen… denke ich ;-)
Könnte es ein Problem sein, wenn die Ausrichtung der TRANS126 Nodes nicht richtig ist? Ist ja recht entscheidend wie die orientiert sind. Aber generell läuft es korrekt, nur viel zu schwach.

Die Nodes entlang der Elektrode bekommen dann noch Kontaktelemente damit der Balken nicht durch die Elektrode wandert. Die Kontaktelemente bekommen einen Offset entsprechend der Isolatordicke.

Die Spannung wird auf die Nodes der TRANS126 Elemente gelegt (0V bzw. 120V),
Der Balken wird an der Seite an der er die Elektrode berührt eingespannt, Elektrode wird komplett fixiert.

Solver lass ich von Ansys aussuchen, genau genommen lass ich sonst alles auf „default“, auch bei den Kontaktelementen. Ich lasse die Spannung in kleinen Schritten erhöhen (0,2V) damit Ansys immer korrekt rechnet und konvergiert.

Eigentlich ein simples Ding (mehr oder weniger), aber irgendwo hackt es und die berechnete Kraft ist viel zu gering wenn die PLANE42 eine Thickness bekommt.
Hat jemand irgendeine Idee woran das liegen könnte? Ist die Stiffness der TRANS126 Elemente zu groß?
Sehr frustrierend das ganze weil das Modell an sich gut funktioniert und ich es für Simulationen brauche damit ich einen Prototypen mit nicht geratenen Maßen fertigen lassen kann (macht sich sonst nicht doll in einer Diplomarbeit ;-) ).
Hoffe ihr könnt mir weiterhelfen.

Danke und Gruß,
Nicolas

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wuerde 'spasseshalber' die Konsistenz der eingegebenen Einheiten checken
(/units,umks ist nur ein Label, konvertiert nicht in konsistente Einheiten).

Wuerde denken das PLANE42 ok ist.

Ob die TRANS126 stiffness (Kapazitaet ueber Gapsize) korrekt
ist, haengt von der ggb Problemstellung ab.

------------------
Gruesse,
Frank Exius
IFE Deutschland  www.ife-ansys.de
Mo-Fr 9:00-18:00 Uhr durchgaengig

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Danke für die Antwort und den Input.

Die Einheiten werde ich auf jeden Fall nochmal durch checken.

Habe eine Dissertation gefunden in der eine Membran (PLANE42) mit TRANS126 Elementen angeregt wird und zwar genau auf die gleiche Art, nur als rotationssymmetrisches Modell.

Die Stiffness beschreibt die Kapazität über Gap? Also bräuchte ich eine höhere Stiffness. Ich dachte die wäre äquivalent zur Kontaktstiffness der Kontaktelemente. In meinem Fall übernehmen ja diese den Kontakt, daher habe ich die Stiffness auf 0 gesetzt damit die nicht stört...

Werde heute mal einfach einen Balken aus PLANE42 Elementen mit einer Kraft belasten. Mal schauen ob da das richtige rauskommt (läßt sich über Balkenbiegeformel ja schnell kontrollieren).
Ich vermute der Fehler ist genauso simpel wie peinlich :-D

EDIT:
Am Balken liegt es definitiv nicht, gerade durchgefemmt (hätte ja sein können dass es sowas simples ist).
Also wird wohl doch die Kraft durch die TRANS126 falsch bestimmt. Welchen Buchstaben haben die neu erzeugten Nodes? Sind die neu erzeugten die J?
Evtl liegt hier der Hase im Pfeffer im begraben.

[Diese Nachricht wurde von Formfunktion am 17. Jul. 2008 editiert.]

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Bezgl erzeugter Verformung ist, neben den Realkonstanten TRANS126, bei PLANE42 die Einstellung Keyoption 3 relevant (ebene Spng, ebene Spng mit Dicke, axialsym oder ebene Dehnung).

Die Steifigkeit ist schon die Kontaktsteifigkeit. Nur definiert sich diese in default Einstellung (Standarteinstellung) ueber die kapazitive Kraft (und diese aus der Kapazitaet ueber der Gapgroesse):

KN defaults to a stiffness represented by the slope from the capacitive force at GAPMIN to the origin as shown in Figure 126.3: "TRANS126 Force Relationship".

------------------
Gruesse,
Frank Exius
IFE Deutschland  www.ife-ansys.de
Mo-Fr 9:00-18:00 Uhr durchgaengig

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Die Verformung und die Einstellungen des Balkens habe ich gerade überprüft, die sind korrekt.

Als Kontaktelement nutze ich nicht die TRANS126 sondern vorgeschobene "richtige" Kontaktelemente. Daher kommt die Stiffness der TRANS126 gar nicht zum tragen. Aber wenn ich den Wert für die Stiffness auf "default" lasse, trägt er in den real constants bei "gap normal stiffness" überall 0 ein. Der EMTGEN Befehl erzeugt aber vorher ein Popup mit einer Stiffness von 15000.
Ein Zeichen dafür dass die Zuweisung der Konstanten fehlerhaft ist, wenn die Steifigkeit von der Kapazität abhängig ist?

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*Post kann gelöscht werden*

[Diese Nachricht wurde von Formfunktion am 18. Jul. 2008 editiert.]

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Ok, weitere Erkenntnisse ;-)

Durch den Gap zu teilen war gut, hat was gebracht. Der Balken verformt sich jetzt im gleichen Maße, unabhängig von der Elektrodenbreite. Gut, sehr gut. Ist aber immer noch zu schwach und erreicht nur 1/3 der Soll-Auslenkung.

Die TRANS126 eignen sich nur für small gaps, wie ich in der Anleitung gelesen habe. Ab wann ist denn ein gap "small"?
Könnte das ein Problem erzeugen? Im Prinzip interessiert mich ja nur der Bereich mit dem kleinen Abstand, der wandert nur über die Elektrode.

Ist die Kopplung mit SOLIDs besser als mit PLANEs? Dann bastel ich ein 3D Modell draus.

EDIT:
Kennt Ihr die XANSYS Mailing List? Gibst die noch?

[Diese Nachricht wurde von Formfunktion am 18. Jul. 2008 editiert.]

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Moinsen!

Ich habe weiter rumprobiert:
Die Kontaktelemente von den TRANS126 funzen gut, habe wohl vorher die Stiffness nicht korrekt eingestellt.
Also fallen die Kontaktelemente als Fehlerursache raus.

Es scheint wirklich direkt an den TRANS126 zu liegen. Wenn jemand irgendwelche erfahrungen mit denen hat, immer raus damit! Vermutlich bin ich in eine große Falle getappt in die man schnell fällt wenn man als Anfänger (oder sollte ich n00b sagen?) mit den Elementen arbeitet.
Muss ich die Node Koordinatensysteme evtl. noch ausrichten?
wird die c0 richtig berechnet?
ist der Gap generell zu groß? dürfte nicht, habe Dissertationen gefunden die 100 um Gap benutzten für die Verkippung eines Mikromirrors.

Gruß,
Formfunktion

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Ich bereite gerade meine Diplomarbeit vor, in der ich ebenfalls einen Elektrostatischen Aktor mit TRANS126 Elementen in ANSYS modellieren soll.

@Formenfaktor: Hast Du eine Lösung gefunden?

@All: Habt ihr Erfahrungen mit diesem Element gesammelt oder könnt mir ein gutes Beispiel empfehlen?

CU TRANS126

[Diese Nachricht wurde von TRANS126 am 28. Jan. 2010 editiert.]

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