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setupshell.PNG VergleichKnickstab.PNG

Hallo,

ich verwende Workbench 14.5 und habe schon viele Beiträge im Forum gelesen über Stabilitätsanalyse, Knicken, Beulen, nicht-lineares Knicken usw. Zu meinem Problem habe ich jedoch leider nichts finden können:

Ich habe einen einfachen Knickstab, "unten" 3-wertig gelagert, "oben" 2-wertig, verschieblich in Stablängsrichtung (z). Die Verdrillung um die Längs(z-)Achse ist bei beiden gesperrt. oben greit die Last F=1N an. Ich habe die gleiche Situation mit verschiedenen Element-Typen modelliert (Balken, Schale, Volumen, siehe Bild im Anhang).

Die Knickanalyse mit verschiedenen Eigenformen funktioniert einwandfrei, jedoch streuen die Ergebnisse der kritischen Last der 1. Eigenform sehr stark bei der Verwendung von SHELL181 und SOLSH190 Elementen. BEAM188, SOLID185 und 186 sind sehr nah an der von Hand ermittelten Verzweigungslast (168,11kN).

Die Randbedingungen (Lager und Kraft) sind überall gleich. Beim Balkenmodell wähle ich die Eckpunkte aus, bei der Schale die Kanten (jeweils 2, oben und unten), beim Volumen die "Stirnflächen". Im linearen Fall knickt auch nichts - ganz so wie es sein soll.

Ich möchte/muss im Folgemodell für meine Diplomarbeit mit Schalenelementen arbeiten, daher wäre eine Lösung für SHELL181 am wichtigsten.

Kann mir jemand weiterhelfen?

Besten Dank im Voraus,
Tim

edit: Geometrie ist ein gleichschenkliger Winkelstahl 100x10mm. D.h. beim Schalenmodell ist es ein extrudiertes 2d-"L" mit Schalendicke d=10mm in der statisch-mechanischen Analyse, an dem je 2 Kanten bei der Geometriewahl der Lager ausgewählt sind.

[Diese Nachricht wurde von esbibo am 26. Sep. 2013 editiert.]

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Hallo Tim,
ich bin zwar kein Experte für Knickstäbe, aber folgende Hinweise hätte ich für Dich:
- Shell181-Elemente haben keinen Mittelknoten, deswegen kann man die nicht direkt vergleichen. Mach doch mal die Rechnung mit Shell281-Elementen (die haben einen Mittelknoten, dann konvergieren Spannungen schneller)
- Die Spannungen werden von den Integrationspunkten auf die Knoten linear extrapoliert. Dass kann das Ergebnis verfälschen. Kontrollieren kannst Du dass indem Du feiner vernetzt die Ergebnisse sollten dann keine großen Änderungen zeigen.

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Viele Grüße von
Deepblue         

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

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mesh.PNG

Hey Deepblue,

das klappt aus irgendeinem Grund nicht mit den SHELL281 Elementen, jedenfalls nicht so, wie ich es sonst immer gemacht habe (über "et, matid, 281" bei der Geometrie). Da bekomme ich beim Lösen eine Fehlermeldung. Wo ist mein Fehler?

Meine Vernetzung ist eigentlich recht "fein" für diese Problematik (10mm Elementgröße, siehe Bild).

Eine andere Frage habe ich allerdings noch:
Ich möchte 2 senkrecht zueinander stehende Kanten (zusammen ausgewählt bei "Geometrieauswahl") 3-wertig, gelenkig lagern (z.zt. über "Ext.Verschiebung": δx=0; δy=0; δz=0; φx=frei; φy=frei; φz=0 mit z als Stablängsachse). Das andere Ende ist 2-wertig gelenkig gelagert: δx=0; δy=0; δz=frei; φx=frei; φy=frei; φz=0. Dort greift auch die Kraft an. Ist dieses Vorgehen korrekt oder ist die Übersetzung dann falsch und es ist "eingespannt". In der Verformungsfigur können sich die Stabenden nämlich um x- und y-Achse frei verdrehen...so wie ich haben möchte.

Gruß
Tim

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Hallo Tim,
die Shell281-Elemente kannst Du auch erzwingen, wenn Du bei den Vernetzungsopotionen unter "Advanced" die "Element Midside Nodes" auf "Kept" stellst - also alles ohne APDL-Script.
Dein Netz sieht eigentlich sehr fein aus und die Ergebnisse sollten ähnlich sein (auch ohne Mittelknoten). Warum die Ergebnisse soweit von einander abweichen, verstehe ich im Moment selbst nicht. Ich werd mir das mal anschauen...

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Viele Grüße von
Deepblue          

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[Diese Nachricht wurde von deepblue am 27. Sep. 2013 editiert.]

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Vielen Dank für die schnelle Hilfe, das mit der Umstellung auf SHELL281 hat geklappt wie du sagtest, aber der 1. Eigenwert ist fast der gleiche wie zuvor: 192,82kN

Ich muss mal schauen, wie ich das regele. Es kommt mir ja auch nicht auf diesen simplen Knickstab an. Mein eigentliches Modell behandelt 2 im Kreuzungspunkt verbundene Stäbe, die sich gegenseitig Stützen. Das modelliere ich einmal mit Balken und einmal mit Schalen. Ich wollte nur ein verlässliches Ergebnis vorher erzielen.

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Hallo Tim,
so hier nun mein Ergebnis (der Teufel liegt immer im Detail...):
- Bei der "externen Verschiebung" gibt es noch den Bezugspunkt (dies ist der Drehpunkt), je nach dem wo der liegt, gibt es andere Ergebnisse (X und Y Koordinate). Diesen mußt Du mit Deinem Balkenmodell abgleichen (der Querschnitt des Balkenmodelles ist relativ zur Einspannung bestimmt).
- Bei den Randbendingungen musst Du die Rotation um Y sperren, ansonsten entspricht diese Randbedingunge dann dem Eulerfall II (wie Du mit der Formel auch schon zum Ausdruck gebracht hast)
So jetzt viel Spaß beim Rechnen...

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Viele Grüße von
Deepblue         

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lagerungen.png

Ok, das mit dem Bezugspunkt (=Drehpunkt) habe ich verstanden und das ergibt auch Sinn. Die Lage dieses Punkts entspricht genau der Lage bei dem Balkenmodell.

Da ist ja bewusst den zweiten Eulerfall (sk = L) haben möchte, kann ich die Rotation um y nicht sperren, richtig? Die einzige Rotation, die gesperrt wird, ist die Verdrillung, also Rotation um die Stablängsachse (hier z). Und somit komme ich auf kein anderes/besseres Ergebnis.

Bitte korrigier mich, wenn ich falsch liege...ich habe nochmal die Lagerungen angehängt.

[Diese Nachricht wurde von esbibo am 27. Sep. 2013 editiert.]

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puuh, mal sehen ob ich das erklären kann...
Ich meine der 2. Eulerfall beschreibt ein Knicken in einer Ebene und nicht irgendwie diagonal im Raum. Da Du ja den Vergleich zur analytischen Rechnung ziehst, musst Du das in den Randbendingungen auch so berücksichtigen, daher würde ich nur eine Rotation (x oder y ist egal) zulassen und die andere sperren (zB roty=0).
Die Verformungswerte sind auf jedenfall anders wenn man das macht, weil nur Verformung in einer Ebene zulässig ist und andere nicht auftreten.
Wie das später am realen Bauteil ist, ist eine andere Frage... Da ist dann entscheidend wie die Randbedingungen dort wirklich wirken...

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Viele Grüße von
Deepblue         

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externerpunkt.PNG

Ich denke es wäre in diesem Fall sogar falsch, wenn es in der Ebene knickt, da ich auch in der Handrechnung mit dem schwachen Trägheitsradius i(vv)=73cm^4 rechne, d.h. Knicken aus der Ebene heraus. Wenn ich Knicken in der Ebene betrachten würde, müsste ich auch den starken Radius i(yy) bzw. i(xx) nehmen.

Ich habe aber noch einen Hinweis von einem Betreuer bekommen: "Externer Punkt" einfügen. So kann ich die (bisher mir nicht voll verständlich) gelagerten Kanten an den externen Punkt im Schwerpunkt des L-Winkels koppeln. Zusätzlich verhindert das Verhalten "starr" eine Verformung des L-"Stirnquerschnitts"...jetzt bin ich mir recht sicher, die gleichen Lagerungsbedingungen bekommen zu haben wie im Balkenmodell.

Die Verzweigungslast ändert sich dadurch jedoch leider nicht und bleibt bei 192kN.

Ich danke dir erstmal für deine Hilfe, ich werde das nach dem WE nochmal diskutieren falls möglich.

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Hallo Tim,
mit dem Trägheitsradius hast Du eigentlich den entscheidenden Punkt getroffen. Dies ist die entscheidende Größe die zu Deinem Verformungsbild passen muss!
Der externe Punkt ist eigentlich in der "externen Verschiebung" bereits enthalten! D.h. wird eine externe Verschiebung aufgebracht, wird ANSYS-intern ein externer Punkt erzeugt, für diesen Punkt gelten die Freiheitsgrade die Du dort definierst. Der Punkt wird mit allen Punkten des ausgewählten Elementes verbunden (MPC-Kontakt, starr oder verformbar -> d.h. darf sich das ausgewählte Element in sich verformen). Aus diesem Grund, sind alle notwendigen Angaben auch in der Definitionsmaske zur "externen Verschiebung" definierbar.

Erzeugt man den Punkt separat, ist das nicht falsch (ANSYS erzeugt den dann nicht zwei mal). Das macht man dann, wenn der Punkt mehrfach benötigt wird und man "overcontrained"-Bedingungen vermeiden möchte.

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Viele Grüße von
Deepblue         

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Vielen Dank für die Erklärung. Jetzt ergibt alles langsam einen Sinn  . Ich habe mir etwas in diese Richtung schon gedacht, da die Werte der Knicklasten fast identisch geblieben sind.

Allerdings ist es mir noch immer ein Rätsel, wo sich bei der Modellierung mit Schalenkörpern die "Fehler" befinden, da ich bei der Modellierung als Volumenkörper genauso vorgegangen bin und das Ergebnis der theoretischen Verzweigungslast sehr nahe kommt - wie die Balkenelemente auch.

Falls jemand anders noch eine zündende Idee hat, ist mir jede Hilfe sehr willkommen!

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SOLSH190.jpg vt.jpg

Hallo Tim,
Du meinst sicher die Abweichungen der Solid-Shell-Elemente?
Wie hast Du die erzeugt, über ein APDL-Script (dann sind die sicher falsch definiert)?
Das Problem ist, dass diese Elemente restriktionen haben (z.B. muss das Elementkoordinatensystem immer die z-Richtung in Dickenrichtung haben).
Deshalb solltest Du diese Elemente über die Mechanical-Oberfläche erzeugen! Ich häng mal ein paar Bilder an...
Du musst dort zum Meshing eine neue "Methode" hinzufügen. Damit die Source/Target Zuweisung richtig funktioniert, musst Du ausserdem eine "Virtuelle Topologie" hinzufügen (2 Eckpunkte wählen und die Fläche splitten). Sourceflächen sind dann die aussenliegenden L-förmigen Flächen.
So nun viel Spaß!

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Viele Grüße von
Deepblue         

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Hallo Deepblue,

ich meine tatsächlich die Abweichung bei der Modellierung mit SHELL181, bzw. SHELL281 Elementen. (Abweichung von 192kN zu 168kN)

Die Modellierung mit SOLSH190 hatte ich so gemacht, wie du geschrieben hast (über Mechanical, nicht APDL), nur ohne "virtuelle Topologie". Das produziert mir Fehlermeldungen. Ohne Topologie kann ich es mit sweep und solidshell vernetzen.

SOLSH190 lasse ich jetzt aber sowieso außen vor, da sie nicht relevant für meine Arbeit sind.

[Diese Nachricht wurde von esbibo am 30. Sep. 2013 editiert.]

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linear.PNG nicht-linear.PNG

Hallo, ich bin es nocheinmal!

Ich konnte mein Problem leider noch nicht klären. Falls irgendjemand noch eine zündende Idee hätte, warum meine Berechnungen mit den SHELL-Elementen in diesem Maß aus der Reihe tanzen, wäre ich hocherfreut und könnte diesen Missstand in meiner Diplomarbeit noch aufklären.

Vielen Dank schonmal!
Gruß Tim

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Hallo Tim,
ja das ist merkwürdig und hat mir keine Ruhe gelassen 
Deshalb hab ich mir die Rechnung mit den Solid's einmal selbst genau angeschaut... Und bei mir kommt immer eine Last von ca. 195kN raus (für Solid185 und Solid186).
Ich meine, irgend was stimmt an Deinem Modell nicht. Vielleicht stellst Du es einmal ein (Zip)?
Ansonsten frage ich mich wo Du das Flächenträgheitsmoment 2. Grades für die Handrechnung her bekommen hast (73cm^4)?

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Viele Grüße von
Deepblue         

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Hallo deepblue,
vielen Dank für deine Mühe!!

ich habe dieses Problem ersteinmal dabei belassen für das Ende der Arbeit. Jetzt bin ich erstmal "Unterwegs". Daher schicke ich die Sachen erst gegen Ende November!

Besten Gruß
Tim

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Die Ergebnisse sind abhängig von der Anzahl der Integrationspunkte über die Elementdicke. Solid-Elemente liefen gute Ergebnisse, jedoch nur mit einer hohen Elementanzahl über die Dicke. (Enorme Rechenzeit)  Shell Elemente besitzen 3Integrationspunkte welche bei Erreichen der Plastizität auf 5 erhöht werden. (Wird Empfohlen!)

Siehe Hilfe Shell 181:
Zitat: The default number of integration points for each layer is three; however, when a single layer is defined and plasticity is present, the number of integration points is changed to a minimum of five during solution.

http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/confpaper/2006-Int-ANSYS-Conf-22.pdf

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