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Randbedingungen.JPG

Hallo ANSYS-Nutzer,

vorab muss ich sagen, dass ich kein FEM-Experte bin. Ich habe folgende Aufgabe:

Ich untersuche die elastische geometrisch nichtlineare Durchbiegung von Federstahldrähten mit Hilfe von ANSYS Workbench V13. Ein Draht ist dabei auf zwei Stützen gelagert und die Kraft soll mittig angreifen. Dazu verwende ich einen Linienkörper und Verschiebungsrandbedingungen als Fest- (3 Achsen fest) und Loslager (2 Achsen fest und 1 Achse frei). Diese Berechnung habe ich für diverse Konfiguration durchgeführt und ein normiertes Kraft-Durchbiegungs-Diagramm erstellt. Im Diagramm lassen sich die Ergebnisse mit anderen z.T. auch analytischen Berechnungsvarianten vegleichen.

Nun zum Problem:

Die Ergebnisse aus ANSYS Workbench zeigen eine leichte Spannungsversteifung mit steigender Belastung, wo nach der analytischen Berechnung das Gegenteil, d.h. ein weicher werdendes System, eintreten sollte. Ich vermute nun, dass ich ein falsches Modell nutze oder irgendwo einen Denkfehler gemacht habe. Ich brauche an der Stelle eure Meinung. Vielleicht könnt ihr mir sagen, wo mein (Denk-)fehler liegt und was mir helfen könnte? Vielen Dank im Voraus.

Gruß

Aendsen

[Diese Nachricht wurde von Aendsen am 25. Jun. 2013 editiert.]

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Hallo!
Wenn Du von nichtlinearer Durchbiegung redest, was meinst Du dann genau? Welches Materialgesetz verwendest Du?

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Viele Grüße von
Deepblue         

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

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Hallo,

ich verwende isotrop elastisches Materialverhalten, denn ich möchte nur geometrisch nichtlineares Verhalten im elastischen Bereich (bei Federstahl entsprechend groß) untersuchen.

Unter geometrisch nichlinear verstehe ich, dass sich die Steifigkeit der Struktur mit der Verformung ändert, sodass die Durchbiegung nichtlinear von der Kraft abhängt. Für kleine Durchbiegungen ist es zulässig mit einer linearen Theorie zu rechnen. Bei großen Verformungen, wie in meinem Beispiel, muss ich diese Nichtlinearität berücksichtigen.

Gruß Aendsen

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Ok, dann liegts nicht am Materialgesetz...
Einen eindeutigen Hinweis habe ich dann leider nicht...    

Was ich überprüfen würde:
- NL gerechnet?
- Diskretisierung ohne Einfluss? (einfach mal testen)
- Verformungsplot plausibel? -> Randbedingungen anschauen
  (Verdrehung möglich?, Kraftangriff ok?)
- Konvergenzkriterium prüfen (Force- bzw. Displacement Convergence)

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Viele Grüße von
Deepblue          

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

[Diese Nachricht wurde von deepblue am 25. Jun. 2013 editiert.]

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Durchbiegung.JPG

Ich habe noch ein Bild für eine Beispiellösung angehängt, vielleicht hilft das.

Alle Lösungen die, ich berechnet habe, sind konvergent. Dazu habe ich die Elementgröße z.T. reduziert.

Bei der Simulation treten allerdings 2 Warnmeldungen auf, die ich hier der Vollständigkeit halber angebe:

"Während der Lösung sind Solver-Pivot-Warnungen ausgegeben worden.  Dies ist in der Regel auf eine schlecht konditionierte Matrix aufgrund von unangemessen Materialeigenschaften, einem unterdefinierten Modell oder Kontaktproblemen zurückzuführen.  Ergebnisse aufmerksam prüfen."

"Es sind große Verformungseffekte aktiviert. Dadurch sind u. U. einige der zugeordneten Lagerungen, wie z. B. Verschiebung, zylindrische Lagerungen oder starre Auflager, ungültig geworden.  Einzelheiten hierzu finden Sie im Hilfesystem unter 'Problembehebung'."

Können die ein Hinweise sein?

Gruß

Aendsen

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In Deinem Beitrag fehlen explizit die angesetzten Randbedingen, als wo sind die ux,uy und uz Verschiebungen im Modell unterdrückt.
Dann mal anschauen außer der Durchbiebung wie sieht die Längskraft und Längsverschiebung aus etc.
Wie sind die Lagerkraefte usw.

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Gruß
Gerd 
Katzen wurden in die Welt gesetzt, um das Dogma zu widerlegen, alle Dinge seien geschaffen,
um den Menschen zu dienen (Paul Gray)

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Ich nehme Bezug auf die hochgeladenen Bilder. Wenn der Träger (Draht) in der z-Achse liegt, dann ist am linken Ende des Linienkörpers mein Loslager mit ux=0, uy=0 und uz=frei. Am linken Ende ist mein Festlager mit ux=0 uy=0 und uz=0. Man sieht im Beispielbild auch deutlich eine Längsverschiebung am Loslager.

Lagerkräfte sind in Ordnung, Längskraft ist quasi 0 am Festlager.

Wie gesagt, die Durchbiegung ist aber insgesamt zu gering und zeigt sogar eine leichte Spannungsversteifung.

Gruß

Aendsen

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Pardon mal für die Didaktik - woder sollen wir wissen wo x,y oder z-Achse liegen, aus den Bildern ging das nicht hervor.
Dann, Du sprichst von einer analytischen Lösung - welche, bitte mal nennen.
Dann welches Element mit welchen Real Properties hast Du verwendet?

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Gruß
Gerd 
Katzen wurden in die Welt gesetzt, um das Dogma zu widerlegen, alle Dinge seien geschaffen,
um den Menschen zu dienen (Paul Gray)

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moin.

wenn ich das richtig sehe (screenshot) hast bei deinem Einfeldträger links das Gleitlager und rechts das Festlager.

von Interesse:
Trägerabmessungen, Querschnittsabmessungen.

mögliches Problem: grafische Überhöhung der im Plot, hast du dir vielleicht eine "Schaukel" gebaut. Übergang Balken- in Seiltheorie

nicht Linearität durch Einzellast. ggfs mit einer Streckenlast gegenrechnen.

frohes schaffen
ral

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DiagrammVergleich.JPG

Das ist richtig, geht nicht aus den Bildern hervor. Die z-Achse ist die Längsachse.

Es gibt eine Polynom-Approximation aus dem IGF-Vorhaben 16217 BR der TU Ilmenau. Eine Kurzfassung findet sich unter folgender URL:

https://www.meisenbach.de/iv-2012/artikel_extreme-biegung-berechnet-_21353_11_2833_de.html

Ich hänge mal ein Diagramm an, welches die Lösungen miteinander vergleicht.

Zum Element kann ich nicht viel sagen. Ich arbeite in der Workbench und mir ist nicht bekannt, wie man dort explizit das zu verwendende Element auswählen kann. Die Auswahl ist also programmgesteuert.

Gruß

Aendsen

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Zitat:

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Original erstellt von RAL:
moin.

wenn ich das richtig sehe (screenshot) hast bei deinem Einfeldträger links das Gleitlager und rechts das Festlager.

von Interesse:
Trägerabmessungen, Querschnittsabmessungen.

mögliches Problem: grafische Überhöhung der im Plot, hast du dir vielleicht eine "Schaukel" gebaut. Übergang Balken- in Seiltheorie

nicht Linearität durch Einzellast. ggfs mit einer Streckenlast gegenrechnen.

frohes schaffen
ral

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Hallo RAL,

im Screenshot Länge des Trägers (Drahtes) 300 mm und Durchmesser 3 mm.

Was meinst du mit grafischer Überhöhung und "Schaukel"?

Da ich mit Linienkörper und Balken-Tool arbeite, nehme ich an, dass ANSYS hier nach der Balkentheorie rechnet. Was müsste ich tun, um Seiltheorie zu berücksichtigen oder sollte das automatisch passieren?

Gruß

Aendsen

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Die Seiltheorie oder Theorie II Ordung funktioniert doch erst dann wenn auch Zugkraefte aufgenommen werden können - die hast Du aber schon ausgeschlossen indem die Normalkraefte Null sind.
Wenn die mitwirken sollen, dann setz auch das freie Längslager fest. Ansonsten kannst Du soviel Nichtlinearitäten einstellen wie Du willst, die Lösung wird die gleiche sein wie für einen Balken auf zwei Stützen mit Einzellast.

Nachtrag : anhand der Veröffetnlich kann man sehen das die Auflagerkräfte die wirken immer orthogonal zum durchgebogenen Balken am Ende wirken - daran kann man schon den Unterschied sehen - quasi eine richtungstreue Auflagerung

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Gruß
Gerd  
Katzen wurden in die Welt gesetzt, um das Dogma zu widerlegen, alle Dinge seien geschaffen,
um den Menschen zu dienen (Paul Gray)

[Diese Nachricht wurde von smittytomcat am 26. Jun. 2013 editiert.]

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Ich habe naiverweise gedacht der Träger auf zwei Stützen ist eine hinreichende Näherung für die Quelle. Aber es scheint, dass genau die richtungstreue Lagerung das Problem sein könnte. Wie bekomme ich solch eine Auflagerung simuliert ohne mit einem Volumenköper arbeiten zu müssen?

Gruß

Aendsen

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Die Möglich die mir einfällt wäre zunächsteinmal die Symetrie des Systems auszunutzen (um den Rechenaufwand zu beschränken) und dann sie Auflagerung des Balkens auf der Rolle mit Kontakt zu rechen indem Du die Rollen mitmodelliert.

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Gruß
Gerd 
Katzen wurden in die Welt gesetzt, um das Dogma zu widerlegen, alle Dinge seien geschaffen,
um den Menschen zu dienen (Paul Gray)

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Das läuft also auf eine Berechnung als Volumenkörper hinaus. Das hatte ich befürchtet.

Ich hätte trotzdem erwartet mit dem Träger auf zwei Stützen näherungsweise dieselben Ergebnisse zu erhalten und nicht gegenteilige.

Danke euch für die Zeit und Hilfe.

Gruß

Aendsen

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nlgeomon.jpg

ueberpruefen ob grosse Verformungen tatsaechlich aktiviert sind
und die Elementzahl ausreichend fein gestalten,
wie schon von deepblue vorgeschlagen.

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

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@ife - der Versuchsaufbau wird durch das einfache Modell nicht physikalisch korrekt beschrieben, einfach mal dem Link aufmachen und das PDF durchschauen.
Besser ist die Symetrie auszunutzen und dort an der Symetriestelle die Längsverschiebung unterdücken

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Gruß
Gerd 
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Zitat:

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Original erstellt von ife:
ueberpruefen ob grosse Verformungen tatsaechlich aktiviert sind
und die Elementzahl ausreichend fein gestalten,
wie schon von [i]deepblue vorgeschlagen.

[/i]

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Große Verformung sind aktiviert. Ist es möglich, dass die programmgesteuerten verwendeten Elemente dafür ungeignet sind?
Die Elementgröße habe ich manuell reduziert, da ich ansonsten für einige geometrische Konfigurationen keine konvergente Lösung berechnen konnte. Auf den berechneten Wert der maximalen Durchbiegung hat dies allerdings nur sehr geringen Einfluss.

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Ich denke, Du solltest Dir einmal genau überlegen, wie die Randbedingungen zu setzen sind. Dein Modell mit dem Loslager erscheint mir falsch, da sich die Lager im Versuch auch nicht axial verschieben können, oder?
Den Elementtyp kannst Du aus der solve.out (Solution Information in Mechanical) auslesen, dort findest Du eine "ELEMENT MATRIX"... Soweit mir bekannt, ist der Standardelementyp für Balken in Mechanical "Beam188". In der Hilfe kannst Du Dir die Eigenschaften durchlesen, aber ich denke dieser Elementtyp ist grundsätzlich geeignet.

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Viele Grüße von
Deepblue         

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

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da muss man dann (bspw) rechte Drahthaelfte als Symmetriemodel modelieren. Mit z=0 an der Draht-(Symmetrie)Mittelinie.

Plus einer Kontaktbedingung im Auflager: einen Punkt (Knoten) erzeugen und in den Translationen fixieren. Interessierende Balkenelemente selektieren. Solche, deren Knoten in Kontakt mit dem Auflager kommen waehrend die Durchbiegung voranschreitet. Kontakttyp Standard mit/ohne Reibung waehlen.

Rechnen.

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

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Ich werde das Modell einfach mal als Volumenkörper unter Ausnutzung der Symmetrie und mit Kontaktbedingung rechnen. Das dauert ein paar Tage. Ggf. melde ich mich an dieser Stelle noch einmal, sollten Probleme auftreten.

Danke euch allen für die Hilfe.

@smittytomcat und @deepblue

Unabhängig davon, dass ich den Versuch in den Randbedingungen nicht korrekt nachgebildet habe, erscheint es mir dennoch befremdlich, dass die nichtlineare ANSYS Rechnung für mein modelliertes Modell zu steiferen Ergebnissen führt als die lineare ANSYS Rechnung (siehe Diagramm einige Posts früher).

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Gruß

Aendsen

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Moin Aendsen,

hast Du denn mal geschaut ob Du in einer linearen Rechung auch eine Längsverschiebung des Balken gehabt hättest?

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Gruß
Gerd 
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draht_3mm_300mm_lagerabstand.zip

Das FE-Modell wie im Versuch bauen und rechnen, soetwas dauert keine paar Tage, dabei aber die Symmetrie zweifach ausnutzen, damit es schneller läuft.

Du kannst auch weggesteuert rechnen, egal ob in der Mitte nach unten gedrückt oder die Lagerrolle nach oben geschoben wird.

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Trotz selber Randbedingungen, gibt es bei der linearen Rechnung keine Längsverschiebung am Loslager. Was bei mir die Frage nach dem Warum aufwirft?

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Gruß

Aendsen

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Zitat:

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Original erstellt von ToTacheles:
Das FE-Modell wie im Versuch bauen und rechnen, soetwas dauert keine paar Tage, dabei aber die Symmetrie zweifach ausnutzen, damit es schneller läuft.

Du kannst auch weggesteuert rechnen, egal ob in der Mitte nach unten gedrückt oder die Lagerrolle nach oben geschoben wird.

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Das habe ich nur geschrieben, weil ich vorher keine Zeit habe.

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Gruß

Aendsen

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Hallo Aendesen,

bei der linearen Theorie gibt es keine Koppelung zwischen einen Balkenlängskraft und den Biegemomneten bzw. vice versa - daber das etwas steifere Verhalten bei den Ergebnissen der nichtlinearen Rechung.
Würde keine Längsverschiebung bei nicht nichtlinearen Rechung geben, dann würde die Dehung des Balkenzuges aufgrund der Durchbiebung gegenüber der Ausgangslänge eine Normalkrfat erzeugen.

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Gruß
Gerd 
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Wieder was gelernt. Danke.

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Gruß

Aendsen

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moin.

Diskussion ist ja voll im Gange...
Die Idee mit der Nicht-Linearität und dem Seil war wie folgt:
Im unbelasteten Zustand sind die Auflager L auseinander. Wird die Kraft nun gesteigert, biegt sich der Balken durch. Das kann man - numerische Stabilität mal hinters Sofa gelegt - soweit treiben, dass die beiden Auflager nicht nur ein wenig zusammenrücken (wie du bei der NL-Berechnung gesehen hast), sondern dass die Lager auf der gleichen Koordinate liegen und der belastetet Punkt L/2 nach unten verschoben ist. Das kann man sich wohl am Besten anhand eines Seils vorstellen. Biegeradius am Lastpunkt ist bei der numerischen Stabilität. 
Wenn die Punkte erstmal zusammen liegen, war's das erstmal mit der Biegung und alles geht über (Zug)Normalkraft, und die ist geduldig, was Laststeigerung angeht.

Also: hoffe, deine Durchbiegung liegt nicht in der Nähe von L/2 , ...

frohes schaffen
ral

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kraft_durchbiegung_kurve.jpg

Du solltest definitiv weggesteuert rechnen, denn die Kraft erreicht einen Spitzenwert und sinkt danach ab (Bild anbei).

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falscheKontaktrandbedingung.JPG

Hallo zusammen,

mir hat das doch keine Ruhe gelassen. Hab es gestern noch probiert, aber ohne Erfolg. Die Randbedingungen insbesondere die Kontaktbedingung (das ist quasi Neuland für mich) bereiten mir Schwierigkeiten. Was hat @ife gemeint mit "einen Punkt (Knoten) erzeugen..."?

Habe am rechten Ende die Symmetriebedingung und die Kraft (später dann Wegsteuerung). Die Mantelfläche habe ich als zylindrische Lagerung? Als Kontakt habe ich die sich berührenden Flächen als Typ "keine Trennung" definiert. Das ist sicher fehlerhaft so. Habe mal ein Bild von dem falschen Ergebnis angehängt. Der Draht gleitet nicht.

@ToTacheles:

Leuchtet mir ein mit der Wegsteuerung. Ein Maximum ist auch im pdf zum Experiment feststellbar (Link einige Posts früher). Danke.

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Gruß

Aendsen

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Zu ToTacheles

das mit der weggesteuerten Berechnung und der Steigerung der ertragbaren Last ist ein schöner theoretischer Ansatz - nur leider wird er der Praxis nicht gerecht, denn wenn ich nach dem Maximum noch die Last steigere usw. . dann geht auch nicht die Durchbiegung zurück (hab ich noch nie erlebt). Allerfalls bei Stabilitätsproblemen kann es ein Durchschlagen geben und das ist dann nicht ohne. Es geht um die Durchbiegung unter einer Last.
Rechnen kann man vieles, nur die reale Physik verhält sich anders.

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Gruß
Gerd 
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experiment_vs_theorie.jpg

Hallo Gerd,

es gab experimentelle Untersuchungen, der Fragesteller hat einen Link angegeben, dort ist eine Messkurve dargestellt (Bild anbei).

Gruß Paul

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drahtbiegeversuch.zip

Aufbau als Film.

[Diese Nachricht wurde von ToTacheles am 28. Jun. 2013 editiert.]

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@ToTacheles:

Wie modelliere ich in der Workbench den Kontakt mit der Rolle, sodass der Draht darüber gleitet wie in deinem Video und in dem Versuch? Sind meine o.g. Randbedingungen korrekt?

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Gruß

Aendsen

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rb_draht.jpg

In meinem FE-Viertelmodell gibt es die Kontaktdefinition zwischen den beiden, sich nicht berührenden (0,1 mm Spalt zu Beginn) Flächen, Kontakttyp ist Penalty reibungsfrei (geht auch Lagrange, denke ich) und zusätzlich starke Verfomungen (geometrische Nichtlinearität) aktiviert. Simulation ohne Last, weggesteuert, 100 mm Gesamtweg, 41 Schritte (2,5 mm pro Schritt, Software unterteilt aber noch zusätzlich). Die Kraft wird vertikal in der Mitte und zur Kontrolle am Lager (vertikale Komponente von dem Kontakt) gemessen, sollte gleich sein.

Soetwas müsste in Workbench sicher gehen.

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Pro/MECHANICA® verstehen lernen

[Diese Nachricht wurde von ToTacheles am 28. Jun. 2013 editiert.]

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Kontaktdefinition.JPG Kontakt-Tool.JPG

Das geht bestimmt in Workbench, ich weiß eben nur noch nicht wie. Meine Randbedingungen sind dieselben wie bei dir und ich habe jetzt auch die doppelte Symmetrie genutzt.

Mit reibungsfreiem Kontakt (Bilder) habe ich eine Starrkörperbewegung oder aber keine Konvergenz. Das hängt davon ab, ob ich im ersten Bild unter Kontaktbehandlung "Versatz hinzufügen" oder "auf Berührung anpassen" auswähle. Hast du die Geometrie mit einem Spalt erstellt oder in den Kontakteinstellungen nachträglich eingegeben, weil du das so betonst? Spielt das Netz im Kontaktbereich eine Rolle?

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Gruß

Aendsen

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Der Spalt ist vor der Analyse vorhanden, nach einer Verschiebung von 0,1 mm ist der Kontakt da und wird nicht mehr geöffnet. Das hatte aber nur mit der Vernetzung zu tun, damit keine "Knoten" aufeinanderfallen.

Elemente sollten auf jeden Fall klein genug im Kontaktbereich sein.

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kurve.jpg

Zitat:

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Original erstellt von Aendsen:
Was hat @ife gemeint mit "einen Punkt (Knoten) erzeugen..."?

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hatte die Idee den Auflagerkontakt durch einzelnen feststehenden Auflagerknoten im Kontakt mit vorbeigleitenden Drahtknoten zu realisieren. Durch smittycomcat's Anregung die Auflager realitaetsgetreu zu modellieren habe ich mich dann, aehnlich ToTacheles anders entschieden:

Symmetriemodel Draht. Auflagerrolle als starre Kreislinie, in Punktkontakt (TARGE169 & CONTA175) mit flexiblem Draht. Damit kann ich die Polynomkurve aus dem Dokument, wie schon ToTacheles, reproduzieren. Bei mir zeigt die Kurve ein paar kleinere Oszillationen im Bereich Kurvenmaximum, welche man noch wegbügeln könnte. Mag an der Modelwahl liegen, als Trend ok.

P.S. Model in MAPDL (ANSYS "Classic" GUI) erstellt.

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

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Wenn ich beide Volumenkörper mit einem Spalt modelliere und, dann in der Kontaktbehandlung, wie es in der Workbench heißt, "auf Berührung anpassen" auswähle, dann konvergiert die Simulation zumindest und Verformung sieht auch wie gewünscht aus.

Die Kraft muss ich mit Faktor 4 multiplizieren, um die korrekten Ergebnisse zu erhalten (wegen der Symmetrie wohl).

Muss die Kontaktsteifigkeit in jeder Iteration aktualisiert werden? Die Standardeinstellung ist hier Kontaktsteifigkeit "nie" aktualisieren. Wenn ich das so belasse, gleitet mir der Draht jedoch, ab einer bestimmten Durchbiegung durch die Rolle hindurch. Oder gibt es dafür einen anderen Grund?

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Gruß

Aendsen

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