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BalkenLagerung.jpg BalkenSpannungen.jpg

Hallo zusammen,

ich bin neu in Ansys Workbench 12 eingestiegen und habe ein Problem. Ich möchte die Spannungen an einem gekrümmten Balken berechnen (s. Bilder). Der Balken wird lediglich durch eine Kraft am rechten Ende belastet. Sowohl die rechte, als auch die Vorder- und Rückseite des Balkens sind aus Symmetriegründen reibungsfrei gelagert. Bei der linken Seite wird eine sehr kleine Verschiebung in Normalenrichtung möglich sein, die ich durch entsprechende Lagerung realisiere. Anhand der beigefügten Spannungen ist allerdings zu erkennen, dass diese unrealistisch hoch sind.
Woran kann das liegen? Die Verformung am Kraftangriffspunkt ist eigentlich noch geringer als sie in der Realität sein sollte.
Vielen Dank schon mal für die Hilfe!

Viele Grüße

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Hallo,

wenn ich dein Modell richtig deute, dann hast du folgendes gemacht: Die rechte Seite in Y-Richtung mittels reibungsfreier Lagerung gesperrt. Jetzt verschiebst du die linke seite entlang der Y-Achse. Um wie viel? Das erzeugt deine hohen Spannungen.

Du sagst: "Bei der linken Seite wird eine sehr kleine Verschiebung in Normalenrichtung möglich sein, die ich durch eine entsprechende Lagerung realisiere". Das ist auch in Ordnung so. Aber für mich sieht es so aus, als hättest du auf das linke Ende eine Verschiebung als Randbedingung in Y-Richtung drauf, obwohl der Schenkel eigentlich frei sein sollte. Das solltest du nicht machen.

Oder versuchst du, mit deiner Verschiebungsrandbedingung die X- und Z-Richtung zu sperren, so dass nur noch die Bewegung in Y möglich ist? Dann stimmts auch nicht, weil wenn deine Kraft angreift, dann möchte sich die linke Seite auch etwas nach oben biegen... Kann er dann aber nicht wegen deiner Randbedingungen.

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Gruß 

Markus

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Hallo Markus,
danke für deine schnelle Antwort!
Bei der linken Seite habe ich durch die Lagerung eine Verschiebung von 0,05 mm ermöglicht. Das Modell ist auch nur 1 mm hoch und 1,75 mm lang. Wenn ich die linke Seite einspanne, dann steigen die Spannungen leider noch mehr. Mit der Verschiebungsrandbedingung möchte ich eine Verformung in Z-Richtung unterbinden, da dies nicht möglich ist/sein soll. Um es nochmal zusammenzufassen: Die linke Seite des Balkens kann sich infolge der Kraft F um einen kleinen Teil in Y-Richtung verschieben. Das habe ich versucht mit dieser Lagerung zu ermöglichen. Kann es nur daran liegen, dass die Spannungen so hoch sind? Oder gibt es noch eine andere Möglichkeit, dieses Balken zu lagern?

Viele Grüße

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"Bei der linken Seite habe ich durch die Lagerung eine Verschiebung von 0,05 mm ermöglicht"
Du hast nicht die Verschiebung ermöglicht, sondern eine Zwangsverschiebung aufgegeben, wodurch sehr hohe Spannungen entstehen können.
Wenn ich das richtig verstehe, solltest Du auf die linke Seite eine "Externe Verschiebung" mit y=frei und x=0 und z=0 setzen. Wenn die Verschiebung höher ist, als von den realen Randbedingungen her möglich, kannst Du z.B. zusätzlich eine Feder in y-Richtung anbringen, die durch Ihre Steifigkeit die Verschiebung reduziert.

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Gruß, A.

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Danke für den Hinweis. Allerdings sind die Spannungen auch mit externer Verschiebung und einer Federung (elastische Lagerung) immernoch ungefähr genauso groß...
Gibt es vielleicht noch weitere Möglichkeiten?

Vielen Dank schon mal für die Hilfe!

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Zitat:

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Original erstellt von arnd13:
Du hast nicht die Verschiebung ermöglicht, sondern eine Zwangsverschiebung aufgegeben, wodurch sehr hohe Spannungen entstehen können.

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Genau das meinte ich in meinem ersten Post.

Noch etwas: Wenn dein Teil so putzig-klein ist, stimmt dann deine Kraftannahme mit den 500 Neftönern? Ich hab zwar keine Ahnung, was es werden soll, wenns fertig ist, aber irgendwie erscheints mir alles ein bisschen abstrus...

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Gruß 

Markus

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"Allerdings sind die Spannungen auch mit externer Verschiebung und einer Federung (elastische Lagerung)immernoch ungefähr genauso groß..."
Die Steifigkeit war wahrscheinlich viel zu hoch. Lass die Feder erst mal weg.

Das Verformungsbild sieht auch nicht korrekt aus. Muss die linke Seite wirklich eben bleiben, oder kann sie auch kippen? -> "verformbar" einstellen.

Der Hinweis von Markus, dass 500N für das winzige Teil womöglich etwas viel sind, ist ebenfalls nicht von der Hand zu weisen. Überschlägig ausgerechnet ergibt sich allein für die Scherspannung:
tau = F / A = 500N / 1mm*0.25mm = 2000MPa
Dazu kommen noch sehr hohe Biege- und Normalspannungen.

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Gruß, A.

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Die 500 Newton sind kein fester Wert. Ich muss lediglich eine Absenkung des Kraftangriffpunktes von 0,165 mm erreichen. Daher habe ich z.B. 500 N gewählt. Je nachdem wie ich den Balken lagere, erreiche ich diese Absenkung auch mit einer geringeren oder manchmal auch mit einer höheren Kraft.
Wichtig ist allerdings, Spannungen zu bekommen, die der REalität entsprechen und das ist im Moment leider noch nicht der Fall.
Gruss

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BalkenSpannungenneu.jpg

Also hier ist noch mal das Bild des SPannungsverlaufs mit einer externen Verschiebung und ohne Federung. Leider sind wie man sieht die Spannungen nicht wirklich kleiner geworden. Die Kraft habe ich von 500 N auf 200 N reduziert. Leider ist hier aber auch die Verschiebung der linken Seite mit 0,11mm zu hoch.

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Die linke Seite ist immer noch eben. Soll das so sein? Wenn nicht, die Verdrehungen bei der externen Verschiebung frei lassen und Option auf "verformbar" oder besser externe Verschiebung nur auf die untere Kante der linken Seite.
Um die Verschiebung einzugrenzen, ein recht weiches Federelement einsetzen (nicht "elastische Lagerung"!) Welche Verschiebung wäre denn ok?

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Gruß, A.

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Ja die linke Seite muss leider aus Symmetriegründen eben bleiben, also muss ich die Verdrehungen null setzen. "Verformbar" habe ich aber so eingestellt. Wo finde ich denn das weiche Federelement? Die Verschiebung soll ungefähr maximal bei 0,05 mm liegen.
Oder können die hohen Spannungen an dem Material liegen? Habe bisher den normalen Stahl verwendet (damit ist glaube ich nur elastisches Verhalten möglich oder???). Ändert sich was, wenn ich vielleicht eine plastisches Modell verwende? Wie kann man denn so etwas einstellen?
Liebe Grüße

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Verstehe nicht: Wenn die linke Seite eine Symmetrieebene ist, kann sie sich doch nicht in y-Richtung verschieben?

Die Feder findest Du unter Kontakte -> rechte Maustaste -> einfügen -> Feder
Eine andere Möglichkeit: Dummy-Körper links einfügen, diesen auf seiner linken Seite fixieren und zum Balken einen nichtlinearen Kontakt mit 0.05mm Spalt einfügen.
Material: Wenn Spannungen erwartet werden, die unterhalb der Streckgrenze liegen, sollte Plastizität keine große Rolle spielen.

Generell: Sind die Verformungen plausibel? Passen sie zu den realen Randbedingungen?

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Gruß, A.

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Das Teil ist symetrisch, deshalb rechts die reibfreie Lagerung. o.k.
Kraft greift von oben, quasi auf Bogenmitte an. o.k.
Aber wer oder was soll die linke Seite daran hinter sich zu verformen?

Zitat:

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Ja die linke Seite muss leider aus Symmetriegründen eben bleiben, also muss ich die Verdrehungen null setzen.

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Darüber würde ich nochmals intensiv nachdenken. Ich habe hier, wie arnd13, wirklich starke Zweifel.

Wenn du dein Teil in alle Richtungen nach vorne, hinten und rechts mittels Reibfrei festhälts - die Flächen können nicht aus diesen Ebenen, und zusätzlich auf die linke Seite eine Zwangsverschiebung aufgibst egal wie groß, die Fläche kann sich aus dieser Verschiebeebene nicht herausbewegen ... Wohin soll sich das Volumen den bewegen. Dein ganzes Teil ist auf diese Art verspannt.
Durch das festhalten der linke Seite oder aufgeben von relativ kleine Verschiebungen erzeugst du meiner Meinung nach Singuläritäten.

Habe auch gesehen das du gemittelte und ungemittelte Spannungen vergleichst. Ist das Netz o.k. Wie sieht es hier mit der linken Seite aus? Gute Übereinstimmung um 3%? oder doch auf der linken Seite starke Abweichungen?

Weitere Angaben wären hilfreich. Hier kann man sonst nur weiter spekulieren.

Prinzipiell nochmals: Drücke ich einen Bogen, wie in deinem Beispiel, nach unten wollen seine Enden nach außen wandern. Verhinderst oder behinderst du den Bewegungsdrang der Bogenenden erzeugst du innere Spannungen, die sich auf dein gesuchtes Ergebnis aufschlagen.

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Gruß
Rene

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Danke arndt13 für die schnellen Antworten!!!
Das mit der Symmetrie ist schwierig zu erklären. Wenn man den Balken an der rechten Seite spiegelt, erhält man ein Balkensegment (eine Art Berg, der sich vereinfacht aus diesem Balken zusammensetzt). Spiegelt man dieses Balkensegment nun an der linken Seite, schließt sich der gleiche Teil wieder an, der genauso belastet ist. Da diese Konstruktion aber nicht geschlossen ist, ist es möglich, dass sie sich wie oben erklärt verschiebt. Ich hoffe, so ist es klarer geworden.
Wie funktioniert das denn mit der Feder? Dafür bräuchte ich doch eigentlich zwei Körper (Ansys will, dass ich einen mobilen Körper anwähle)?
Die Verformungen sind auf jeden Fall plausibel, nur halt die Spannungen leider nicht. Wo kann man denn diese Datenbank mit nichtlinearem Materialverhalten runterladen? Es könnte ja sein, dass sich der Körper in der Realität doch ein bisschen plastisch verformt...
Liebe Grüße

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Dein Berg wiederholt sich. o.k. Wie oft?
Ist der Bogenausschnitt Bestandteil eines Ringes?
Hast Du irgendwann ein freies Ende?

Symetrie nur anwenden wenn Geometrie UND Last symetrisch!
Dies würde nicht zutreffen, wenn du links eine halbe Welle nach oben hast mit gleicher Last und rechts eine halbe Welle nach unten mit auslaufendem Ende.

Vielleicht kannst du doch eine Prinzipskizze spendieren.

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Gruß
Rene

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Belastung.jpg

Hallo!

Auch ich möchte mich gerne in die Diskussion einbringen. Ich stimme meinen Vorrednern zu dass bei der derzeitigen Konfiguration etwas nicht stimmen kann. femfan hat das bereits recht schön erklärt.

Ich würde dir vorschlagen wie folgt vorzugehen: Rechne mit einem 2D-Modell und definiere dir eine "Stempelfläche" und eine Anschlagfläche. Die Stempelfläche wird dann mit der gefordeten Kraft belastet. Die beiden Flächen werden mit einem sehr großen E-Modul versehen sodass sie auf das Verformungsverhalten deiner (ich nenne es mal) Wellenfeder keinen Einfluss haben. Im Anhang habe ich dir mal ein Bild angehängt wie ich das meine. Zwischen der Wellenfeder und den Dummyflächen definierst du dann nur noch Kontaktbedingungen (z.B. reibungsbehaftet / reibungsfrei), die einzigen Randbedingungen in dem Modell sind dann nur noch die Belastung von oben und eine feste Einspannung an der Anschlagfläche.

Viele Grüße
fly-away

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Hallo femfan,

der Bogenausschnitt ist Bestandteil eines Ringes mit einem offenen Ende. Die Anzahl der Berge soll im Grunde genommen variabel sein. Sowohl Geometrie als auch Last sind somit symmetrisch. Im Prinzip sieht das aus wie auf der Skizze von fly-away nur halt bogenförmig.
Der Vergleich von gemittelten mit den nicht gemittelten Spannungen zeigt, dass das Netz sehr gut zu sein scheint und sich die Spannungen nicht unterscheiden.
Ich weiß, dass mein gezeigter Balken nicht viel Bewegungsfreiheiten besitzt, aber selbst wenn ich die reibungsfreie Lagerung der Vorder- und Rückseite lösche, verringern sich die Spannungen auch nicht (realistisch geesehen kann sich der Balken ja auch sowieso nicht nach vorne oder hinten verformen). Ich würde auch gerne nur dieses Segment so simulieren, da ich das dann später so mit mathematischen ansätzen vergleich möchte. Wie ist das denn mit dem Material. Würden sich die Spannungen verringern, wenn ich nichtlineares Material verwende? Wie würde das funktionieren?

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undeformed.jpg 10fach_deformed.jpg

Guten Morgen Studi2011,

bitte mach dich mal schlau was Nichtlinearität bedeutet. Hierbei wird nämlich nur festgelegt, dass die Spannungs-Dehnungskurve keine Gerade ist sondern der Spannungs-Dehnungsverlauf eben abschnittsweise definiert ist. Im einfachsten Fall kann man ein bilineares Materialgesetz verwenden, dass mit einem E-Modul arbeitet (bis zu einem gewissen Punkt) und im weiteren Verlauf mit einem sog. Tangentenmodul.

Abhängig was als Grenzwert definiert wird, liegen deine Spannungswerte dann unter den bisherigen, allerdings glaub ich nach wie vor nicht, dass das Problem korrekt abgebildet wurde. Bitte lade doch mal ein Bild der gesamten Geometrie hoch damit wir nochmal über RB disskutieren können.

Im Übrigen habe ich mal das Modell so aufgebaut wie ich gestern abend kurz angedeutet habe. Das Ergebnis sieht ziemlich genau so aus wie ich mir das vorgestellt habe und rechnet trotz reibungsbehafteter Kontakteauch nicht allzu lange. Mit Hilfe von Parametern bin ich in der Lage eine Paramterstudie zu betrieben (d.h. Form / Anzahl sowie Blechdicke kann variiert werden).

Im Anhang habe ich mal das unverformte und das 10fach überhöht skalierte Modell dargestellt.

Viele Grüße
fly-away

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Zitat:

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der Bogenausschnitt ist Bestandteil eines Ringes mit einem offenen Ende.

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Das heißt für mich auf dein Teilelementbezogen Symetrie NEIN.
Für Symetrie müsstest Du ein freies Ende mit hineinnehmen.
Wenn es Trotzdem auf dieses Teilelement und Symetrie auf der rechten Seite beschränken möchtest mußt du meiner Meinung nach das linke Ende quer zur einwirkenden Kraft frei lassen und die Bewegungsrichtung in Kraftrichtung sperren.

Bspl. Nur die linke untere Kante Remote Displacement alles frei nur Richtung Z (paralle Kraft F) = 0 (also sperren).

ODER:
Das Modell von fly-away sieht für ich stimmig aus.
auch seine Erklärungen zu nichtlinearem Materialverhalten sind auf den Punkt gebracht.

 

Zitat:

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aber selbst wenn ich die reibungsfreie Lagerung der Vorder- und Rückseite lösche

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diese beiden Randbedingungen kannst du getrost löschen. Sie sind in keiner Weise erforderlich, was ebenfalls aus dem Modell von fly-away ersichtlich ist. In dieser Richtung hast du so gut wie keine wirkenden Kräfte und Kräfte aus etwaiger Verformung werden durch die weak springs abgedeckt.

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Gruß
Rene

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