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Guten Tag!

Ich bin neu in diesem Forum und arbeite gerade mal seit fünf Wochen mit ANSYS Workbench 12.1. Zur Zeit bin Maschinenbaustudent und mache gerade meine Bachelorarbeit. Gegenstand dieser Bachelorarbeit ist die Simulation des Beschusses von Sichtscheiben aus Polycarbonat an Werkzeugmaschinen mit abgerissenen Werkstücken und/oder Spannbackenteilen.
Um mich mit der Benutzeroberfläche von ANSYS Workbench vertraut zu machen, habe ich mir das Buch "Konstruktionsbegleitende Berechnung mit ANSYS DesignSpace" von Christof Gebhardt angeschafft und zahlreiche ANSYS Tutorials durchgearbeitet. Leider konnte ich nicht auf alle meine Fragen eine Antwort finden und die Suchfunktion dieses Forums hat mir auch nicht wirklich weitergeholfen. Ich hoffe, dass es hier einige User gibt, die mir ein paar hilfreiche Tipps geben können.
Nun zu meinem Problem. Ich habe eine Baugruppe von der Sichtscheibe und dem Werkstück in Solid Edge erstellt und in Explicite Dynamics überführt. Meine Simulation läuft zwar ohne Fehlermeldungen durch, aber das Ergebnis stimmt leider nicht ganz mit dem Ergebnis meiner praktischen Versuche überein. Die Fehlerquelle liegt, wie ich vermute, in meinem Werkstoffmodell des Polycarbonates. In der Komponente "Engineering Data" habe ich das Polycarbonat mit der Dichte, isotroper Elastizität, uniaxiale Versuchsdaten, multilinear Isotrope Verfestigung und Versagen durch plastische Verzerrung beschrieben. Kann es sein, das ich dabei etwas vergessen oder zuviel an Materialdaten eingepflegt habe?
In Büchern über die Grundlagen der Finite-Element-Methode und der Festigkeitslehre habe ich herausgefunden, das ich noch zusätzlich ein Materialmodell benötige, welches das Fließverhalten des Polycarbonats im plastischen Bereich beschreibt. Dazu bräuchte ich aber Spannungs-Dehnungs-Diagramme für hohe Dehnungsgeschwindigkeiten. Die Zugversuche kosten aber leider sehr viel Geld und deshalb kann ich keine Hochgeschwindigkeitswerkstoffprüfung in Auftrag geben. Gibt es dennoch eine Möglichkeit, wie ich in Explicite Dynamics ein adäquates Werkstoffmodell erstellen kann?

Ich freue mich auf Eure Antworten!

Viele Grüße
Jens

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Hallo,

die Eingabe der uniaxialen Versuchsdaten ist ohne Bedeutung, wenn sie nicht in einem Werkstoffmodell referenziert werden (in 12.1 für ein Hyperelastisches Modell).

Wenn ein Multilineares Modell definiert ist, ist darüber die Spannungs-Dehnungs-Beziehung festgelegt. Die Kombination mit Plastic Failure wird wenig bringen, wo soll eine plastische Dehnung herkommen? Ein doppelte Definition über ein zweites Materialmodell das Plastizität berücksichtigen kann, ist ungut. Die Problematik der fehlenden Messdaten für hohe Geschwindigkeiten ist nicht ungewöhnlich. Wenn keine vorliegen und nicht mit vertretbarem Aufwand beschafft werden können (evtl. auch über Vergleich mit ähnlichen Materialien, für die es was gibt), würde ich erst mal mit dem Polycarbonat in der Materialdatenbank "explicit materials" arbeiten. Zu Beginn erst mal so wie dort definiert. Versagen aufgrund von plastischer Dehnung wird dann erst mal NICHT stattfinden. Warum?
a) der wert für die max. plast. Dehnung ist 1e20, muss also auf kleinere Werte z. B. 0.1 = 10% angepasst werden
b) In den Analyseeinstellungen muss die Erosion aufgrund Materialversagens aktiviert werden
Diese beiden Punkte aber erst dann, wenn die Analyse ohne a) und b) soweit vernünftig klappt.

Was heisst denn, "die Ergebnisse stimmen nicht überein"? Was passiert denn in der Simulation, was im Versuch? Wie soll denn die Rechnung verifiziert werden? Gibt es einen Film des Versuchs?

Gruss
Christof Gebhardt

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

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Guten Tag Herr Gebhardt,

zuerst möchte ich mich bei Ihnen ganz herzlich für die rasche Antwort bedanken.

Heute morgen habe ich noch die Gelegenheit bekommen mit einem anderen CAD-FEM Ingenieur über dieses Thema zu sprechen. Er konnte mir einige nützliche Tips geben und ich habe auch erfahren, das die Eingabe der uniaxilen Versuchsdaten, so wie Sie es auch geschrieben haben, ohne Bedeutung für mein Problem ist. Das die Kombination mit Plastic Failure wenig bringt, ist mir inzwischen auch schon klar geworden.
Das Polycarbonat aus "explicit materials" habe ich letzte Woche schon für meine Simulation verwendet, war aber mit dem Ergebnis nicht zufrieden. Einen Grund für das schlechte Ergebnis habe ich auch in der Voreinstellung des Wertes für die max. plast. Dehnung vermutet, diesen aber nicht verändert, da ich mit dem Begriff "Maximale plastische Vergleichsdehnung EPS" nichts anfangen konnte. Ich benutze zur Zeit die deutsche ANSYS Workbench Benutzeroberfläche. Vielleicht ist die deutsche Übersetzung für den englischen Fachbegriff nicht so gut gelungen. Gehe ich richtig davon aus, das die max. plast. Dehnung der Gesamtdehnung der Werkstoffprobe bis zum Bruch entspricht?
Sehr hilfreich finde ich Ihren Hinweis auf die Anpassung des Wertes mit 0.1 = 10%. Nachdem ich mir die ANSYS Hilfe zu diesem Stichwort durchgelesen habe, bin ich davon ausgegangen, das wenn ich von 144% Dehnung ausgehe, auch die Zahl 144 dort eingeben muss. Das ist ja wohl eindeutig zu viel.

Die Simulation von letzer Woche habe ich mit den Analyseeinstellungen Erosion aufgrund Materialversagens, Erosion aufgrund geometrischer Dehnungen und beide zusammen mal laufen lassen. Macht denn nur die Analsyseeinstellung Erosion aufgrund Materialversagen hier einen Sinn?

Zu Ihrer Frage nach den Versuchsergebnissen:

Es gibt keinen Film zu den praktischen Versuchen. Bei den Versuchen mit unterschiedlichen Prüfgeschossgeschwindigkeiten ergaben sich folgende Ergebnisse:
- Durchschuss der Scheibe
- Halten des Geschosses mit und ohne Anriss des Polycarbonates an der Auftreffstelle
- Durchdrücken der Scheibe durch den Halterahmen

Diese praktischen Versuchsergebnisse versuche ich zu simulieren.

Leider habe ich in meinem Studium nur sehr wenige Einblicke in die FE-Methode bekommen und die beiden Semester Werkstofftechnik gingen leider auch nicht so stark ins Detail, wie ich es jetzt gebrauchen könnte. Deshalb bin ich für jede Antwort dankbar.

Nochmals vielen Dank für Ihre Hilfe!

Viele Grüße
Jens

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Hallo,

Erosion aufgrund Materialversagens sollte auf jeden Fall eingeschaltet sein, sonst bringt das Failurekriterium eben nichts. Die Erosion aufgrund geometrischer Dehnungen ist ein weiteres Kriterium, das bei Ihnen aber wohl nicht erreicht werden wird, wenn Sie mit plastic failure arbeiten. Plastic Failure basiert auf der effektiven plastischen Dehnung EFF_PL_STN. Das ist sozusagen die kumulierte plastische Dehnung (biegen Sie eine Büroklammer auf und zu, steigt die kumulierte plastische Dehnung an).

Natürlich können Sie anhand des Versagenskriteriums probieren, Versuch und Analyse zur Deckung zu bringen. Es ist aber die Frage, ob DIESER EINE Parameter in der Lage ist, alle Unschärfen die in Ihrer Analyse drinstecken aufzufangen. Selbst wenn das gelingt, wie robust ist die Analyse dann, was passiert, wenn man andere Parameter ändert, passt das dann auch noch alles? Ist es wirklich nur das Versagen, das anzupassen ist? Ich denke für einen wirklichen Vergleich, kommen Sie nicht herum Ihr Material mit passenden Daten zu füttern (die Sie - im Moment - nicht haben, ich weiss).

Was kann man in so einem Fall tun?

Wenn Sie keine Chance haben, Materialdaten messen zu lassen, zeigen Sie, wie der Einfluß dieser Unschärfe sich auf das Ergebnis auswirkt. Dann kriegt man ein Gefühl was alles passieren kann, welche Parameter wichtig sind und welche eher nicht. Ein ganz nettes Hilfsmittel dabei ist der DesignXplorer, der dabei hilft die verschiedenen Varianten zu organisieren und auszuwerten. Aber vielleicht wird das für Ihre Arbeit auch schon zu viel. Wenn Sie es "zu Fuss" machen, nehmen Sie z. B. für plastic Failure einen (geschätzten/recherchierten?) Wert von x und variieren Sie ihn in einem ingenieurtechnisch sinnvollen Bereich (z. B. -50%/+100%). Und so machen Sie das für die anderen unklaren Eingangsgrössen. Heisst natürlich, dass Sie in paar Analysen zusammenkriegen werden. Viel Erfolg.

Christof Gebhardt

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Christof Gebhardt
CAD-FEM GmbH
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Hallo Herr Gebhardt,

vielen Dank für die sehr hilfreichen Infos. Ein paar Fragen habe ich noch.

Für die Vernetzung der Bauteile soll man ja bevorzugt Hexaeder-Elemente anstatt der Tetraeder verwenden. So habe ich das im Studium gelernt und so wurde mir das auch in letzter Zeit von ein paar erfahrenen Ingenieuren nochmals gesagt bzw erklärt. Tetraeder-Elemente sollen sogar für meine Simulationen absolut ungeeignet sein. Aber hier liegt ein ganz großes Problem. Wenn ich mit Tetraeder-Elementen vernetze, dann laufen die Simulationen fehlerfrei durch. Aber wenn ich Hexaeder-Elemente verwende, dann schmieren mir die Simulationen immer sehr schnell ab und es erscheint die Fehlermeldung "Solver Fehler - Energiefehler ist zu groß". Ich glaube zwar zu wissen, was dieser Fehler bedeutet, weiss aber nicht, warum dieser Fehler bei mir immer nur in Verbindung mit der Hexader-Vernetzung auftritt. Mir wurde gesagt, das ich bei einer Scheibendicke von 12mm mindestens sechs Lagen von Hexaeder-Elementen über die Dicke gesehen übereinander haben soll. Das habe ich mal versucht und der Energiefehler tritt immer noch auf. Eine weitere Erhöhung der Anzahl von Hexaedern verlängert nur die Simulationszeit bis zum Energiefehler. Woran könnte das liegen? Ist die Vernetzung immer noch zu grob?

Bei der Dämpfung in den Analyseinstellungen gibt es ja auch Voreinstellungen. Soll ich diese unverändert belassen, oder gibt es dafür auch andere, empfohlene Einstellungen?
Basiert diese Dämpfung auf der Rayleighschen Dämpfung?

Viele Grüße
Jens

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Hallo,

Mit Hexadern kriegen Sie halt über die Dicke ein sehr viel feineres Netz hin, ohne die Gesamtzahl der Elemente ins uferlose zu steigern (in der Fläche können Sie vergleichsweise grob bleiben, bei Tets geht das eben nicht).

Für eine genauere Aussage müsste man das Modell mal sehen, auch die Energiebilanzen mal anschauen , wie der Verlauf der verschiedenen Energien aussieht (kinetische, interne, kontakt, hourglass...). Zum Debugging würde ich den zulässigen Energiefehler mal hochsetzen, damit er weiterrechnet und man besser sieht was passiert und woran es liegen kann.

Sind Sie im Kontakt mit dem Support? Wenn nicht, wäre jetzt der geeignete Zeitpunkt entweder per Mail oder Webex mal gemeinsam auf das Modell zu schauen.

Gruss
Christof Gebhardt

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Christof Gebhardt
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Hallo Herr Gebhardt,

die Simulation mit den Hexaeder-Elementen läuft jetzt durch. Der Fehler wurde durch zwei Einstellungen hervorgerufen, die Explicite Dynamics anscheinend absolut nicht mag. Bei Körpern aus der Baugruppe, die für meine Simulationsergebnisse von untergeordneter Bedeutung sind, darf ich deren Steifigkeitsverhalten nicht auf "starr" setzen und die Materialdefinition für den verwendeten Baustahl muss aus der Datenbank "General Materials non-linear" kommen.

Mit dem Support hatte ich sogar in den letzten Wochen viel Telefonkontakt, weil unsere IT-Leute die Netzwerkeinstellungen geändert und dadurch die Lizenzvoreinstellungen verstellt haben. Es gab auch noch andere Späße mit den Lizenzen. Der Support war bisher immer sehr hilfsbereit und konnte mir sofort helfen. Was meine Simulation angeht, so wurde mir gesagt, das die Support-Ingenieure kaum Erfahrung mit Explicite Dynamics hätten und diese mir deshalb nicht weiter helfen können. Ich soll mich doch an den CADFEM-Ingenieur mit Explicite Dynamics Erfahrung halten, der mir vom Support empfohlen wurde. Diesen Mann habe ich bisher nur einmal ans Telefon gekriegt, weil er in ganz Deutschland ANSYS-Seminare hält.

Grüße
Jens

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Hallo,

die Bandbreite schon innerhalb der Strukturmechanik ist recht breit. Die Supportingenieure haben - wie praktisch alle anderen Mitarbeiter - bestimmte Themen stärker im Blick, die einen mehr die nichtlin. Statik, die anderen modalbasierte Sachen, nochmal andere Materialmodellierung oder eben explizite Dynamik. Wenn spezielles Thema von dem jeweiligen Supporter nicht in der vollen Tiefe bedient werden kann, übergibt er es an einen Kollegen der dort mehr Wissen hat. Manche "Übergabekanäle" sind so eingeschliffen, dass erst mal die gegangen werden, auch wenn der übernehmende Kollege wg. zahlreicher Anfragen oder Seminare nicht kurzfristig verfügbar ist.
Wenn so was passiert: Rückmeldung mit dem Wunsch nach einer zeitnahen Reaktion an den Support oder an mich.

Gruss
Christof Gebhardt

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