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Hallo liebe Abaqus-Gemeinde     ,

ich bin gerade dabei, einen Rotor für einen Prüfstand zu rechnen, und bin völlig am Verzweifeln, weil ich nicht weiterkomme. Die Rechnungen laufen nie durch, dauern bis zum Abbruch viel zu lange für die Elemente-Zahl, und zeigen im Warnungs-Fenster auch meistens die "lieben" Bekannten "Zero-Pivot" / "negative Eigenwerte", und dergleichen.
Ich muß also grundlegend etwas falsch machen, wahrscheinlich mit Randbedinungen / Lasten und deren korrekter Abfolge. Das Problem ist nur, ich bilde mir ein mittlerweile schon zu wissen, wie das gehen sollte, in der Vergangenheit habe ich schon erfolgreich solche Rotoren gerechnet, auch wenn die etwas einfacher waren (beispielsweise ohne Pressverband).

Ein Screenshot des Rotors habe ich hochgeladen, die .inp ist leider zu groß zum Hochladen (3 MB, man kann hier ja nur 1 MB).

Meine Frage wäre, ob sich einer der erfahrenen User hier evtl. einmal meine .inp anschauen könnte, die ich ihm dann mailen könnte. Ich vermute stark, dass ich einen systematischen Fehler drin habe. Ich weiß, man könnte denken ich mache es mir hier ja einfach, aber ich sitze ehrlich schon Tage an dieser Rechnung, und habe alles probiert was mir eingefallen ist, und viel hier im Forum gelesen und ausprobiert.

Viele Grüße und schonmal vielen Dank für Eure Hilfe.
David

[Diese Nachricht wurde von DavidKarlsruhe am 18. Okt. 2008 editiert.]

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Hallo nochmal !

Ich konnte das Problem mittlerweile eingrenzen auf die Kontaktstelle(n) rund um die Schraubenverbindung.
Um das genauer betrachten zu können, habe ich diese Situation in einem neuen Modell dargestellt, und die ursprünglich kuchenstückartigen Teile (siehe Foto erster Post) weiter beschnitten auf das eigentliche Kontaktproblem. Die Rotation habe ich nun zunächst einmal weggelassen, betrachte (außer dem Initial-Step) nur einen Schraubenvorspannungs-Step.

Wenn mir überhaupt noch zu helfen ist (      ), dann wohl am ehesten wenn ich dieses vereinfachte Modell kurz beschreibe:

Parts:
Wurden als .sat importiert aus Pro/E (convert to precise representation).
Schraube und Mutter sind als ein Teil modelliert, weil ich denke dass es aufs gleiche hinausläuft wie extra eine Mutter zu modellieren, und diese über Tie an die Schraube zu koppeln (was ständig Probleme macht mit den übrigen BCs)

Property:
Temperaturabhängige Materialdaten eines Nickelbasis-Stahls (Inconel 718). Das bräuchte ich für dieses Modell zwar nicht, ich importiere die Material Properties aber immer über ein Python Skript, da sind sie eh schon drinne.

Assembly:
Beim Instanzieren der Parts rücken diese in die Position, die auch in der Pro/E-Baugruppe eingestellt ist. Also gebe ich keine Positionierungsbedingungen vor. Ist doch richtig, oder ?
Die Parts sind dependent, ich meshe also im Part, weil ich gelesen habe, dass das in der Rechnung später weniger rechenzeitintensiv ist.

Step:
Nlgeom off, Dauer 1 Sekunde, erstes Inkrement 0.1 Sekunde, keine automatische Stabilisierung, ramp load linearly over step

Interaction:
Die Schraube hat in der Bohrung keinen Kontakt.
Die vier (axialen) Kontaktstellen im Modell sind alle modelliert als
-surface to surface
-small sliding
-adjust only to remove overclosure

Die Interaction Property ist "penalty", Reibkoeffizient 0.5, normal behaviour "hard contact"

Load:
Bolt load auf einer radialen Schnittebene der Schraube (ungefähr in Mitte der Schaftlänge), Wert 6000 Newton

Boundary Conditions:
Ich habe ein Zylinderkoordinatensystem definiert. Da sämtliche Teile in Wirklichkeit kreisrund sind, und die Schraubenverbindung im Modell periodisch 12 mal um den Umfang vorkommt, habe ich alle seitlichen Kontaktflächen (die Schnittflächen der "Kuchenstücke") fest in U2-Richtung des Zylinderkoo-Systems (phi-Richtung) eingespannt. (also U2=0). Dies tue ich in zwei separaten BCs für die beiden Sammelflächen links und rechts (rechts ist da, wo auch die geschnittene Schraubenfläche ist). Ist das eigentlich nötig, also zwei separate BCs ?

Nach meinem Verständnis können sich alle Teile damit nur noch axial (im Zylinderkoordinatensystem in Z-Richtung) bewegen. Dies gilt es also noch zu begrenzen, und hier habe ich ein Verständnisproblem:

Lasten kann ich erst im ersten Analyse-Step aufbringen, ich kann also nicht eines der Teile gegen Z-Richtung einspannen, und die anderen Teile mit leichtem Druck dagegenpressen, bis sie aufgrund der Boltload ohnehin wissen was sie zu tun haben und nicht abhauen. Also muss ich es über BC in Z-Richtung (die ich abschalte wenn die Schraubenlast hinzu kommt), oder Connector Assignment machen (Z.B. Federn). Leider klappt beides nicht, und wenn es mal durchläuft, dann mit viel Gejammere und Zero Pivot und negativen Eingeweiden. Auch kann ich nicht die Kontakte in einem separaten Analysestep schließen, da die Bolt-load immer im ersten Analysestep vorkommen muß :-(

Meine Vorstellung von der richtigen Vorgehensweise ist eigentlich folgende:

Initial Step: Alle Teile eindeutig starr einspannen (z.B. einen Knoten U1=U2=U3 =0), und die Kontakte schließen (geht das dann überhaupt noch, also kann er per „adjust only to remove overclosure“ die Knoten bewegen, wenn das Teil auf der anderen Seite eingespannt ist?

Analyse Step: Wegnehmen der BC in Z-Richtung bei allen Teilen außer einem. Durch das allmähliche Aufbringen der Bolt-Load wissen die Knoten nun ohnehin wohin sie sich bewegen müssen.

Alternativ: Definition von Federn als Connectors ("Cartesian") mit schwacher Federrate zwischen den Teilen PLUS BC in Z-Richtung bei einem Teil.
Diese Möglichkeit habe ich erst heute in Betracht gezogen, hat aber auch nichts gebracht, und bin mir nicht ganz sicher, ob ich es richtig modelliert habe. Auch habe ich nicht herausgefunden, wie man die Feder mit Vorspannung modellieren kann.

Die Lösung ist bestimmt ganz einfach, aber ich finde sie einfach nicht... :-(

So, das war jetzt erstmal viel Text, aber ich hoffe, so bleiben bezüglich meines Modells erstmal keine Fragen offen. Falls sich jemand mal meine .inp anschauen möchte, die ist auch hochgeladen (in der Version mit den Connectors).
Vielen Dank !
Gruß David

[Diese Nachricht wurde von DavidKarlsruhe am 20. Okt. 2008 editiert.]

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Hallo David,

das hört sich an, als ob Deine Teile nicht statisch gelagert sind, daher die Warnungen.

1. NLGEOM einschalten. Deine Rechnung ist nicht linear!

Dann die Rechnung so in Steps aufteilen, wie Du auch im wirklichen Leben arbeiten würdest!

1. Step: Schrauben gegen Rotation um die eigene Achse sichern. Dann die Vorspannung erstmals mit "adjust length" aufbringen, um die Kontakte zu schliessen.
[In Wirklichkeit würdest Du die Schrauben beim Montieren schliesslich auch festhalten.]

2. Step: "Adjust length" gegen die eigentliche Kraft ersetzen.
[Entspricht dem Anziehen der Schrauben per Hand - erst jetzt würdest Du sie loslassen um nach dem Schraubenschlüssel zu greifen!]

3. Step: Wenn Reibung vorhanden ist, sollten die Schrauben jetzt durch die geschlossenen Kontakte bestimmt gelagert sein. Also die Randbedingungen an den Schrauben wegnehmen.
[Die Schraube ist wo sie sein soll, nun nimmst Du den Momentenschlüssel und ziehst sie fest.]

4. Step: Nun sollen die Schrauben diese Vorspannung behalten, also "fix at current length". Damit ist der Rotor fertig montiert, also kannst Du nun Lasten auf das Gesamtmodell aufbringen, also ob Du ihn im Prüfstand hochfährst.

Das hört sich umständlich an, die Rechnung so aufzuteilen, aber es macht Dir die Fehlersuche viel, viel leichter! Und die Rechnung dauert so nicht länger, sondern geht höchstwahrscheinlich sogar schneller, weil Abaqus viele Iterationen spart.

Gruß,
M.

[Diese Nachricht wurde von milasan am 20. Okt. 2008 editiert.]

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Hallo Milasan !

Danke zunächst einmal für deine Tipps. Ich teile mir jetzt das Problem wie von Dir vorgeschlagen in einzelne Steps auf. Im Moment habe ich nur Inital und den ersten Analyse Step im Modell, in dem ich das "Adjust Length" in der Bolt-Load aktiviere. Die Rechnungen laufen durch (sogar ohne negative Eingeweide und Zero Pivot), aber immer noch nicht so flüssig wie gewünscht, im ersten Inkrement habe ich immer noch 5 SDI

* Warum ist die Rechnung nicht Linear ?

* Muss ich in Abaqus IMMER Positionierungsbedingungen für die Assembly vorgeben ? Meine Teile sind beim Instanzieren automatisch an die richtige Stelle gerückt (über das Koo-System aus dem Pro/E-Modell), außerdem laufen die Rechnungen auch ohne Positionierung durch (??)

* Gibt man für das Adjust Length dann nur ein "homöopathisches" Maß an, also z.B. 0.00001 mm ?

* Würdest du für meine Kontakte das "adjust to remove overclosure" empfehlen ? Durchlaufen tut beides, und ich verstehe nicht ganz, wozu man das (bei real nicht vorhandenem Spalt) benötigt

* Muß ich im Initial-Step alle Bauteile fest lagern, oder genügt die fixe Lagerung EINES Teils Plus Kontaktdefinition ?

* Meine Schraube kann sich nicht drehen, da die (geschnittene) Seitenfläche in phi-Richtung fest eingespannt sind. Oder meintest du das anders ?

Gruß und Danke !
David

[Diese Nachricht wurde von DavidKarlsruhe am 20. Okt. 2008 editiert.]

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Hallo David,

* Warum ist die Rechnung nicht Linear ?

Mit dem Finger darauf zeigen kann ich leider nicht, aber ich nehme stark an, daß Dein Gesamtmodell geometrisch nichtlinear ist. Probiere den Unterschied aus, ich vermute, daß sich die Deformationsbilder unterscheiden.

* Gibt man für das Adjust Length dann nur ein "homöopathisches" Maß an, also z.B. 0.00001 mm ?

Ja, wobei es keine Regel dafür gibt, wieviel Verkürzung man nehmen sollte. Nicht zu wenig, damit der Kontakt auch geschlossen wird. Nimm z.B. 1/100 mm, schau Dir das Ergebnis an (Kontakt zu?) und schau, ob im folgenden Schritt die Verkürzung durch die Vorspannkraft noch größer ist.

* Würdest du für meine Kontakte das "adjust to remove overclosure" empfehlen ? Durchlaufen tut beides, und ich verstehe nicht ganz, wozu man das (bei real nicht vorhandenem Spalt) benötigt.

Mit dem adjust-Parameter glättest Du eventuelle numerische Ungenauigkeiten. Numerisch ist der CAD-Kontaktabstand von Null nicht notwendigerweise gleich dem FE-Kontaktabstand von Null. Für Abaqus ist ein Abstand von 1.234e-9 ein offener Kontakt, -8.765e-12 eine Durchdringung, usw. CAE sagt vielleicht Null, aber der Solver errechnet dennoch einen numerischen Unterschied und muß sich damit beschäftigen.

* Muß ich im Initial-Step alle Bauteile fest lagern, oder genügt die fixe Lagerung EINES Teils Plus Kontaktdefinition ?

NEIN. In Abaqus Standard müssen alle Teile IMMER statisch bestimmt gelagert sein, es darf keine freien Starrkörperverschiebungen geben. Im echten Leben, in der Werkstatt, helfen Dir dabei Schwerkraft und Reibung, aber im FE-Modell geht es zu wie auf der Raumstation: Was nicht gehalten wird, fliegt herum. Daher Randbedingungen setzen, damit nichts wegfliegen kann. Erst wenn die Kontakte zu sind und ggf. in tangentialer Richtung Reibung vorhanden ist, kann man die Randbedingung wegnehmen.
Oder rechnet mit Stabilisierung, dann dämpft man die Verschiebungen, indem man das Modell gewissermassen in Honig taucht. Ist einfacher als schrittweise Randbedingungen, aber man muß genau schauen, wieviel Energie man so wegstabilisiert.

* Meine Schraube kann sich nicht drehen, da die Seitenflächen in phi-Richtung fest eingespannt sind. Oder meintest du das anders ?

Ja, das bezog sich auf Dein Gesamtmodell. Beim Teilmodell mit geschnittener Schraube verhindert die Symmetrie die Rotation.

Gruß,
M.

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Hallo zusammen !

Modell (siehe erster Post) läuft durch, sogar ganz ohne Zero Pivot und negative Eigenwerte, nur mit ein paar SDI. Das einzige, was mir noch etwas Bauchweh bereitet, ist dass ich (wie mir geraten wurde) zunächst alle Teile komplett fix einspanne, und dann die Schraubenkraft aufbringe, und anschließend alle RB wegnehme bis auf die seitliche Kuchenstück-Symmetrie, und das Axial-Lager an einem Teil. Bin mir nicht sicher, ob das so stimmt. Aber jetzt läuft es erstmal durch, und die Ergebnisse sind plausibel... Puh :-)
Vielen Dank nochmal !
Gruß David

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Zitat:

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Original erstellt von DavidKarlsruhe:

Die Parts sind dependent, ich meshe also im Part, weil ich gelesen habe, dass das in der Rechnung später weniger rechenzeitintensiv ist.

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Wo hast du das gelesen? Das ist, vorsichtig ausgedrückt, grober Unfug.

Als du geschrieben hattest, dass du das Problem auf die Schraubenkontakte reduzieren konntest, fiel mir sofort ein gerne gemachter Fehler ein: Die Schrauben drehen sich in den Löchern um die Längsachse, noch bevor irgendeine Pretension aufgebracht wird. Das führt gerne zu Zero Pivots.
Abhilfe schaffen hier ein paar weiche Federn, welche "kreuz und quer" vom Schraubenkopf an die Umgebung gespannt werden. Somit kann sich die Schraube nicht mehr um die eigene Achse drehen und der Schraubenkopf nicht mehr abheben.

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Hallo HerrHansen,

vielen Dank für den Tipp, werd das gleich mal ausprobieren mit den Federn. Da ich die Schraube aber längs geschnitten habe, und die Schnittfläche sich in Umfangsrichtung des Zylinderkoordinatensystems nicht bewegen kann (per Randbedingung), sollte sich die Schraube nicht drehen können.

Gruß David

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