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  Lineare Perturbation mit Ansys 2019R1: Kontakt hebt ab

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Autor Thema:   Lineare Perturbation mit Ansys 2019R1: Kontakt hebt ab (431 mal gelesen)
patman89
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Guten Abend Zusammen,

ich bearbeite seit wenigen Wochen meine Masterarbeit. In dieser geht es um den Aufbau und die anschließende Validierung eines SCR-Dosierer FE-Modells bzgl. Eigenfrequenzen im Abgstrakt eines NFZ Dieselmotors. Bereits stattgefunden hat die experimentelle Modalanalyse am besagten Objekt. Meine Aufgabe ist es nun in Ansys 2019R1 ein FE-Modell des Dosierers zu erstellen.

Der Dosierer besteht aus drei Teilen. Gehäuse, Drucksensor und Dosier-Einspritzventil mit Nadel. Der Drucksensor ist mit einer M5 Schraubenverbindung auf das Gehäuse geschraubt, das Einspritzventil mit einer Schweißverbindung. Die Nadel im Einspritzventil wird mit einer vorgespannten Feder in den Düsensitz des Gehäuses "gedrückt".

Soweit so gut, die Schraubenverbindung und die vorgespannte Feder habe ich einmal mit dem Schraubenvorspannkraft-Tool und mit einer Federverbindung vor der eigentlichen Modalanalyse in einer statisch-mechanischen Analyse vorgespannt und die Ergebnisse auf die Modalanalyse übertragen (vorgespanntes Netz; lineare Perturbation).

Wenn ich jetzt die Eigenmoden des Dosierers ansehe, kommt es bei einem Eigenmode zu einem Abheben der Nadel an der Kontaktfläche Nadelsitz-Nadel. Wie kann das sein? Der Kontakt ist in der statisch-mechanischen Analyse als reibungsbehafteter Kontakt definiert und in den Analyseeinstellungen der Modalanalyse, ist die Übernahme des letzten Kontaktstatus eingestellt, sowie "wahren Kontaktstatus" übernehemen.

Jetzt ist meine Frage: Kann es denn wirklich sein, dass ein Abheben der Nadel stattfindet? Ich war der Meinung dass Ansys diesen nichtlinearen Kontakt in der Modalanalyse in einen linearen umwandelt:also Verbund/ keine Trennung. Die GEH-Spannung am Nadelsitz von 141MPa erscheinen mir äußerst realistisch, der Kontakt kann also eigentlich nicht offen sein nach der statischen Analyse. Setze ich den Kontakt in der statischen Analyse zu "keine Trennung" findet kein Abheben der Nadel in der Modalanalyse statt. Wo liegt hier der Fehler, bzw. darf ich die Animation der Simulation mit dem abhebenden Kontakt ernst nehmen? Ich war nämlich der Meinung dass ein Abheben nur mit einer transienten Simulation erreicht werden könnte.

Vielen Dank vorab für die Hilfe 


Beste Grüße Patrick

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patman89
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Hat niemand eine Idee zu diesem Problem?

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arnd13
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Hi Patrick,

Hast Du Dir den Kontaktstatus aus der statischen Analyse genau angesehen? Vermutlich sind nur einzelne Knoten in Kontakt, vielleicht ist auch das Netz in der Kontaktfläche zu grob.
Mit dem Befehl "wahrer Kontaktstatus" werden in der Modalanalyse auch wirklich nur die Knoten verbunden, die in der statischen Analyse verbunden waren. Falls es sich nur um wenige Knoten handelt und/oder das Netz grob ist, kann das durchaus zu einer "Federwirkung" am Kontakt kommen. Der Kontakt hebt dann nicht ab, sondern ist "elastisch".
Bei einer Öffnung des Kontaktes solltest Du auch Starrkörperbewegungen (0-Hz-Moden) im Ergebnis sehen. Das ist aus Deiner Beschreibung nicht der Fall.

Ein Bildchen wäre auf jeden Fall für die Diagnose hilfreich!

Warum linearisierst Du die Kontakte nicht einfach selber (Verbund, keine Trennung) und vergleichst die Ergebnisse mit den Ergebnissen aus dem realen Test? Aus meiner Sicht bist Du hier in einer sehr komfortablen Situation. Du kannst so lange an den Randbedingungen und Materialparametern spielen, bis die FEM die Realität widerspiegelt...

------------------
Gruß, A.

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patman89
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Nadelhebtab.PNG


nadelsitz.PNG

 
Hi arnd,

ich habe mir den Kontaktstatus nach der statischen Analyse (nach der Vorspannungsaufbringung durch die Federverbindung) angesehen. Dort gibt es wenige haftende Elemente, einige gleitende und überwiegend "nahe". Das Ansys nur an den wenigen haftenden Elementen einen "Bonded" Kontakt generiert erscheint mir logisch. 0Hz Starrkörper Bewegung sind wie du schon sagst auch nicht der Fall. Wenn ich den Status umstelle auf "Kraftverbindung" (Force Sticking) oder "Verbund erzwingen" (Force Bonded) ergeben sich minimal höhere Frequenzen, die Nadel hebt allerdings trotzdem noch ab.

Die Situation ist zwar komfortabel, nur wurde im Versuch nicht die Dynamik der Innenliegenden Komponenten, zu denen die Dosierernadel bzw der Nadelsitz zählt, vermessen. Das erscheint mir auch unmöglich messtechnisch erfassbar zu sein, aufgrund der Geometrie. Die Firma hat jetzt großes Interesse daran ob man quasi mit der Modalanalyse die Eigenfrequenz des Nadelsitzes simulieren kann und hier evtl. für den realen Betrieb in diesem speziellen Frequenzbereich eine Fehlfunktion (selbstständiges Initiieren des Einspritzvorgangs) vorliegt.

edit: wenn ich den Kontakt linearisiere, klebe ich ja quasi die Nadel an den Sitz, was der Realität nicht entspricht. Die Folge davon ist dass die Nadel zu jeder Zeit in Ihrem Sitz gehalten wird und die Mode "verschwindet". Du sprichst ja von einer Art "Federwirkung". Die Federkennlinie der kraftaufbringenden Feder ist ja linear. Nur eben der Kontaktbereich Nadel-Nadelsitz ist als einziger ein nichtlinearer Kontakt in meiner Simulation.

Kann man dieses Kontaktverhalten denn ernst nehmen?

[Diese Nachricht wurde von patman89 am 09. Nov. 2019 editiert.]

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Duke711
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Nö, mach einfach eine transiente Analyse, die übrigens in nicht linearen Fällen oft mals schneller rechnet als die statische.

Und nein ein abheben der Nadel kann nicht sein, nur werden sich die wenigen boundet Elemente entsprechend stark verformen.  Entweder man kann mit der Modellvereinfachung leben und setzt an der Geometry einen bounded contact, wenige boundet und verzerrte bzw. stark verformte Elemente die ein abheben der Nadel suggerieren können nich das Ziel sein. Oder man wechselt auf die realistische transiente Analyse, rein sinusförmige Schwingungen gibt es in der Realität sowie so nicht und genau das setzt eine Modal aber voraus. 

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 10. Nov. 2019 editiert.]

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patman89
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Blöde Frage hierzu: mit einer transienten Analyse bekomme ich aber keine Eigenfrequenz berechnet bei der sich der Kontaktstatus ändert, also die Nadel abhebt. Oder anders gesagt: mir ist nicht ganz klar wie ich diese transiente Analyse aufbauen soll, also welche Last ich in das System einleite und wie ich im Postprocessing dann auf meine Eigenfrequenz schließen soll 

Als Idee hätte ich jetzt einen Sinus mit 1G und eben der Frequenz aus der linearen Perturbation aufgebracht, bei der die Nadel "abhebt, federt, oder wie man es sonst nennen mag". Hat jemand eine Idee wie ich vorgehen soll?

Vielen Dank und Grüße Patrick

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Duke711
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Natürlich bekommt man bei der Transienten die Eigenfrquenzen ist aber nicht mit wenigen Mausklicks getan und auch sollte man verstanden haben wie so eine Modalanalyse aufgebaut ist, eben mal wieder Grundlagen.

Eigenwertproblem:

Steifigkeitsmatrix * - w² * Massenmatrix * Eigenvektormatrix = 0

Das System wird nun mit einer harmonischen Schwingung angeregt, z.B. Sinus. Dann wird eine Bedingungsschleife geschrieben. In dieser Schleife wird ramped angeregt, sobald die Bedingung der Eigenwertgleichung erfüllt ist, wird das als Eigenwertproblem, also Modal Mode 1 bis gewünscht, herausgeschrieben.

Nichts anderes macht übrigens auch die Modal Analyse.

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Mustaine
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Zitat:
Original erstellt von Duke711:
Natürlich bekommt man bei der Transienten die Eigenfrquenzen ist aber nicht mit wenigen Mausklicks getan und auch sollte man verstanden haben wie so eine Modalanalyse aufgebaut ist, eben mal wieder Grundlagen.

Eigenwertproblem:

Steifigkeitsmatrix * - w² * Massenmatrix * Eigenvektormatrix = 0

Das System wird nun mit einer harmonischen Schwingung angeregt, z.B. Sinus. Dann wird eine Bedingungsschleife geschrieben. In dieser Schleife wird ramped angeregt, sobald die Bedingung der Eigenwertgleichung erfüllt ist, wird das als Eigenwertproblem, also Modal Mode 1 bis gewünscht, herausgeschrieben.

Nichts anderes macht übrigens auch die Modal Analyse.


Mhhh, das würde mich jetzt aber mal genauer interessieren: Wie bekommt man aus einer nichtlinear dynamischen Analyse, wo sich auch Kontaktzustände ändern, eine Eigenfrequenz berechnet? Also nicht von Programm, sondern wie kann das der Anwender berechnen.
Selbst wenn man eine zyklische Last vorgibt, ändert sich doch mit jeder Änderung des Kontaktzustandes die Systemsteifigkeit.

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Duke711
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Mustaine
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Die verlinkten Seiten beschreiben lineare Prozeduren - da kann sich kein Kontaktzustand ändern.

Die Frage war, wie man sich Eigenfrequenzen berechnen kann, basierend auf einer nichtlinear (=transient) dynamischen Analyse.

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patman89
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Zitat:
Original erstellt von Mustaine:
Die verlinkten Seiten beschreiben lineare Prozeduren - da kann sich kein Kontaktzustand ändern.

Die Frage war, wie man sich Eigenfrequenzen berechnen kann, basierend auf einer nichtlinear (=transient) dynamischen Analyse.


Genau das würde ich auch gerne wissen

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Duke711
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Steht doch im Link. Was gibt es dort nicht zu verstehen? Da steht übrigens nichts von linear.

Ein Kontaktstatus kann sich ja wohl nicht simultan ändern. Entweder ist dieser geschlossen oder offen. Es gibt also nur zwei mögliche Frequenzen als Eigenwertproblem.

Ansonsten gibt es genügen Studien bezüglich LS-Dyna und co. über Modal transient Analysis bzw. Modal transient response Analysis.

@Mustaine

Begründe doch mal ausführlich warum das nicht möglich sein soll. Gleich vorweg, ein Kontakt kann kein Quantenzustand haben. Entweder 1 für offen oder 0 für geschlossen.
Was soll nun für den Solver bei solch eine expliziten Zustand angeblich für ein Problem darstellen.
Das möchte doch mal ausführlich von Dir begründet haben.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 13. Nov. 2019 editiert.]

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Jens.Friedrich
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Hallo Duke,

wie wärs wenn du die Frage konkret beantwortest! Aus deinen Antworten kommt ja klar heraus dass du dieses Problematik kennst und eine Lösung hast.
Du machst eine transiente Analyse mit nichtlinearen kontakten soweit so klar.
Und wie kommst dann KONKRET auf deine Eigenfrequenzen?

Vielleicht hast du ja sogar ein BSP an dem die Arbeitsweise darlegen kannst.

Der Link (den ich mir nicht angeschaut habe) hilft dem Fragenden ja anscheinend nicht weiter.

------------------
Gruß
Jens

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patman89
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gleich vorab: Ich erwarte nicht von jemanden, dass er mir die Lösung des Problems vorkaut oder niederschreibt. Das Thema mit der Änderung des Kontaktstatus kam erst durch die lineare Perturbation auf, in der ja eben nichtlineare Kontakte in der statischen Analyse vorab definiert werden können. Grundziel der Arbeit ist es nicht über die Dynamik innenliegender Teile bescheid zu wissen, aber das Thema kam eben durch meine Simulation erst zum Vorschein. Erfahrungen bei transienten strukturdynamischen Simulationen habe ich gar leider gar keine.

Die Links habe ich mir angesehen und kann nicht wirklich viel damit anfangen, ich arbeite außerdem mit Ansys und nicht mit Abaqus

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Duke711
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@Jens.Friedrich

Leider werden keine konkreten Fragen gestellt, außer die Wiederholung von

Zitat:

"Die Frage war, wie man sich Eigenfrequenzen berechnen kann, basierend auf einer nichtlinear (=transient) dynamischen Analyse."

Dabei wurde das bereits schon beantwortet. Nämlich über die Lösung der Eigenwertproblemgleichung, als Ergebnis die jeweilige Frequenz und der Eigenvektor als Eigenform mit der Verschiebung.
Genau das wurde auch in dem Link beschrieben und in Abaqus wird das automatisch mit der Frequency extraction Procedure gemacht.

Ebenfalls wurde bereits erwähnt, dass man eine Bedingungsschleife schreiben muss. Und dabei spielt es keine Rolle ob sich der Kontakt ändert, denn ein Kontakt hat nur zwei Zustände, sowie zwei finite Steifikeiten und somit zwei mögliche Frequenzen für Mode 1.
Da aber auch eine transiente Analyse keine globale Lösung erbringt, sondern nur schrittweise, finite Zeitschritte. Kann man für jeden Zeitschritt über einer Bedingungsschleife den Kontaktstatus abfragen sowohl auch die Eigenwertproblemgleichung lösen. Somit ist den Solver völlig egal ob der Kontakt nicht linear ist, denn bei jeden finiten Zeitschritt ist der Kontakt explizit definiert und somit linear. Ebenfalls müssen evtl. Einschwingungslatenzen berücksichtigt werden.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 13. Nov. 2019 editiert.]

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arnd13
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Hi Patrick,

Um zu Deinem Thema zurückzukommen:

Ganz habe ich den Aufbau des Bauteils noch nicht verstanden, aber trotzdem versuche ich mal zu antworten:

1.
Ich verstehe nicht, was Du mit abheben meinst. Eine Bild würde helfen.
"Force Bonded" erzeugt einen Verbundkontakt auf der ganzen Fläche, die nach der statischen Analyse in Kontakt ist, also sticking+sliding. Der Kontakt ist dann etwas "fester". Vielleicht hilft Dir das.

2.
Zur Nichtlinearität des Kontaktes:
Eine Nichtlinearität kann in einer Modalanalyse nicht abgebildet werden. Ansys linearisiert den Kontakt in der gewählten Art (force bonded, true Status, ...) Um die Nichtlinearität abzubilden, müsste man ein vollharmonische Analyse durchführen, wobei das Ergebnis (also die Eigenfrequenzen) dann von der statischen Kraft und der Anregungskraft abhängig ist, weil ja je nach Größe der Kraft mehr oder weniger oder gar keine Knoten in Kontakt sind.

3.
Welche Analyse auch immer Du durchführen wirst:
Das Ergebnis für die Eigenfrequenzen am Nadelsitz ist nur dann aussagekräftig, wenn die Vorspannung und der sich daraus ergebende Kontaktstatus wiederholbar und für alle Aufbauten gleich ist. In der Realität halte ich das schon allein durch die Produktionstoleranzen für unmöglich. Die Analyse müsste eine Sensitivitätsanalyse für alle möglichen Produktabweichungen (innerhalb der Toleranz) und für andere Abweichungen beinhalten. Abweichungen können sein: geometrische Toleranzen, Oberflächenrauhigkeit, Materialkennwerte, Umgebungstemperatur, Anpresskraft usw..

------------------
Gruß, A.

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Mustaine
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erstellt am: 13. Nov. 2019 23:10    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für patman89 10 Unities + Antwort hilfreich

Zitat:
Original erstellt von Duke711:
Steht doch im Link. Was gibt es dort nicht zu verstehen? Da steht übrigens nichts von linear.

Wie bitte? In beiden Seiten steht ziemlich weit oben explizit, dass das lineare Prozeduren sind. Zitat 2x: "[...] is a linear perturbation procedure."


Zitat:
Original erstellt von Duke711:
Ein Kontaktstatus kann sich ja wohl nicht simultan ändern. Entweder ist dieser geschlossen oder offen. Es gibt also nur zwei mögliche Frequenzen als Eigenwertproblem.

Ansonsten gibt es genügen Studien bezüglich LS-Dyna und co. über Modal transient Analysis bzw. Modal transient response Analysis.

@Mustaine

Begründe doch mal ausführlich warum das nicht möglich sein soll. Gleich vorweg, ein Kontakt kann kein Quantenzustand haben. Entweder 1 für offen oder 0 für geschlossen.
Was soll nun für den Solver bei solch eine expliziten Zustand angeblich für ein Problem darstellen.
Das möchte doch mal ausführlich von Dir begründet haben.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 13. Nov. 2019 editiert.]


Zitat:
Original erstellt von Duke711:
@Jens.Friedrich

Leider werden keine konkreten Fragen gestellt, außer die Wiederholung von

Zitat:

"Die Frage war, wie man sich Eigenfrequenzen berechnen kann, basierend auf einer nichtlinear (=transient) dynamischen Analyse."

Dabei wurde das bereits schon beantwortet. Nämlich über die Lösung der Eigenwertproblemgleichung, als Ergebnis die jeweilige Frequenz und der Eigenvektor als Eigenform mit der Verschiebung.
Genau das wurde auch in dem Link beschrieben und in Abaqus wird das automatisch mit der Frequency extraction Procedure gemacht.

Ebenfalls wurde bereits erwähnt, dass man eine Bedingungsschleife schreiben muss. Und dabei spielt es keine Rolle ob sich der Kontakt ändert, denn ein Kontakt hat nur zwei Zustände, sowie zwei finite Steifikeiten und somit zwei mögliche Frequenzen für Mode 1.
Da aber auch eine transiente Analyse keine globale Lösung erbringt, sondern nur schrittweise, finite Zeitschritte. Kann man für jeden Zeitschritt über einer Bedingungsschleife den Kontaktstatus abfragen sowohl auch die Eigenwertproblemgleichung lösen. Somit ist den Solver völlig egal ob der Kontakt nicht linear ist, denn bei jeden finiten Zeitschritt ist der Kontakt explizit definiert und somit linear. Ebenfalls müssen evtl. Einschwingungslatenzen berücksichtigt werden.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 13. Nov. 2019 editiert.]



Klar, ein Kontaktzustand kann nur zwei Zustände einnehmen. Das Problem ist aber, dass wir hier FEM machen und dass das mit dem Kontaktzustand somit für jeden potentiellen Kontaktknoten gilt.
Wenn wir also in einer transienten Analyse bei einer betrachteten Zeit von 10s immer dann eine Eigenfrequenzanalyse machen, wenn auch nur ein Knoten seinen Kontaktzustand ändert, würden wir am Ende, nach ziemlich viel Rechenaufwand, z.B. mit 50000 Eigenfrequenzen da stehen.

Das an sich ist schon absurd. Aber dann kommt noch die Frage - was machen wir jetzt mit den vielen Eigenfrequenzen, die sich alle über die Zeit verteilen und für verschiedene Modellzustände stehen?

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Jens.Friedrich
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ANSYS 19.2

erstellt am: 14. Nov. 2019 08:25    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für patman89 10 Unities + Antwort hilfreich

Guten Morgen Zusammen!

@Mustaine:
Danke für die Zusammenfassung in einfachen Worten! Für mich war und ist die Herangehensweise, welche Duke vorschlägt, leider nicht nachvollziehbar. Der Begriff der Eigenfrequenz setzt meiner bescheidenen Meinung sogar lineares Vorhalten voraus.
Ich lasse natürlich mich sehr gern vom Gegenteil überzeugen.

@Duke:
Es besteht also vertieftes Interesse an einem Beispiel, in dem du darlegst wie Eigenfrequenzen für den nichtlinear transienten Fall bestimmt werden.
Deinen Aussagen zufolge sollte das für dich kein großes Problem darstellen.
Mich würde es sehr interessieren und ich danke dir schon für deine klare Darlegung an einem Beispiel.

@Patman:
Kannst du bitte prüfen ob du einen Penalty Kontakt nutzt? Bei diesem Kontakt sind die Oberflächen auch bei geschlossen nachgiebig verbunden. Das würde das Abheben meines Erachtens sehr einfach erklären.

Dank und Gruß

------------------
Gruß
Jens

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