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Kastentraeger.JPG WingFEMAnalysis.JPG

Hallo - Gruss an alle

Wie kann ich ein kompatibles FEM-Netz zwischen meheren Teilnetzen mit Schalenelementen und Balkenelementen bzw. Stabelementen erstellen ?
Konkret geht es zunaechst darum den Leichtbau-Kastentraeger aus Bild "Kastentraeger.jpg" zu vernetzen. An den roten Kanten sollen Balken- oder Stabelemente generiert werden. Advanced Meshing Tools sowie GPS/GAS stehen zur Verfuegung.

Ich wuehle mich gerade durch die CATIA-Onlinehilfe und habe schon durch alle CAD.DE-FEM-Beitraege durchsucht.

Bisherige Vorgehensweise:

- Alle zu vernetzenden Einzelgeometrien wurden in der GSD-Umgebung in einer einzigen CATPart-Datei erstellt. Ich verwende also keine Baugruppendatei.
- Material fuer Flaechen in GSD zugewiesen
- Flaechen als externe Ansicht im GSD fuer FEM-Analyse zur Verfuegung gestellt.

Fragen u.a.:

Wie kann ich Knotenverteilungen / Constrains an den Flaechenraendern vorgegeben ? Muss ich diese auf den 3D-Kanten der als externe Ansicht definierten Flaechen definieren oder basierend auf der 3D-Drahtgeometrie fuer die Definition der Balkenelemente (Letzentlich wurden die Flaechen ja ueber die Drahtgeometrie modelliert) ?

Wie wuerde ihr am besten das Gesamtnetz aufbauen ?

Weiteres:

Nach geglueckter Vernetzung will ich dann dieses Teil zunaechst mit isentropen Material berechnen, danach als FVK-Konstruktion (zunaechst ohne Sandwich - spater mit Sandwichteilen).

Das ganze ist eine Methodikvorstudie fuer die spaetere Berechnung der in Bild "Wing FEM Analysis.JPG" gezeigten Flugzeugkonstruktion (FEM-Rechnung ist zunaechst auf basierend auf der gezeigten Konzeptgeometrie geplant).

Vielen Dank fuer Eure Hilfe

Andrea.

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KNOEPFE.zip

Hallo,

wir haben zwar keine Lizens für das adv. meshing tool.
Aber soweit ich informiert kann man unterschieliche Teile nur
über Analyseverbindungen zusammenbringen. D.h. inkompatipele Verbindungsnetze.

Zur Knotenverteilung etc. schau Dir mal die Knöpfe auf den Bildern an.
Es gibt da scherlich noch mehr Möglichkeiten, aber wie gesagt wir keine Lizens dafür.

Du kannst mit der normalen CATIA-FEM nur isotrope Materialen linear statisch berechnen.
Wenn Du ein Sandwich berechnen willst musst Du es darstellen und der Analyse verbinden (soweit ich weis).

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kri

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Moin Andrea!

Also wir machen auch sowas an der Uni, speziell für Airbus Sandwichbauteile und anschließende Impactversuche. Ich hatte vor kurzer Zeit intensiv eine Modellierung in CATIA versucht, bin dann aber rasch zu NASTRAN/PATRAN zurückgekehrt. CATIA bietet einfach nicht die Möglichkeiten für eine quantitative Rechnung. Die Hexaedernetze funktionieren im 2D Bereich relativ gut, bei 3D wird es schon sehr schwierig. Einige Rechenregebnisse waren sehr unzufriedenstellend, sodass ich nur davon abraten kann, sich hier auf CATIA zu verlassen.

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Hallo Caschu,
1. alle Balken die die selben Eigenschaften haben im GSD mit join zusammenführen, diese lassen sich dann gleichzeitig vernetzen in GSA.
Falls die Balken unterschiedliche eigenschaften/dimensionen/materialien haben lässt man sie einzeln. Man muss dann aber die Endpunkte der Balken mit einer Allgemeinen Analyseverbindung verbinden, und dieser eine Benutzerdefinierte Starre Eigenschaft zuweisen. Wenn man entsprechend viele Balken hat die sich in einem Punkt treffen kann es sehr aufwendig sein die Balken miteinander zu verbinden, da sich nur 2 Balken verbinden lassen. Treffen sich 4 Balken in einem Punkt muss man 3 Verbindungen erstellen.
Würde im Postprocessing aber jede Verbindung der Balken prüfen, da sich da schnell Fehler einschleichen.

Die Flächen mit der Balkenstruktur zu vernetzen geht auch mit der Allgemeinen Analysverbindung. Ich habe es bisher nur hinbekommen wenn ich in den Eckpunkten verbunden habe, da wenn ich die Balken mit der Kante der Fläche vernetzt habe das Bauteil versteift wurde, bewegliche Verbindung hat nicht funktioniert.

Ich habe das bereits zur Berechnung eines Gitterrohrrahmens benutzt und es hat sehr gut funktioniert. Sogar die Verbindung mit Solids und Balkenmodell funktioniert.

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Hallo

Erst mal herzlichen Dank an alle fuer die vielen Rueckmeldungen.

Heute habe ich mir erstmal vorgenommen einem FVK-Materialkatalog fuer CATIA V5 R16 mit IdaFlieg Materialwerten aufstellen. Diese Werte sind vom LBA abgenommen und liegen mir vor. Diese Materialkatalogdaten will ich dann sowohl fuer die FEM-Berechnungen als auch per Knowledgeware und CATScript fuer die Anwendung klassischer Leichtbaurechenmethoden (Schubfeldtraeger, mehrzelliger Traeger, etc.) zur Absicherung der FEM-Ergebnisse verwenden.

Unabhaengig ob CATIA-FEM oder NASTRAN-FEM verlaesse ich mich in keinem Fall nur auf die FEM-Berechnungen alleine.

@kri:

Ich hatte sehr gehofft das Du Dich zu dem Problem aeusserst. Ich schreibt noch nen Beitrag zu Deinen Aeusserungen - wollte aber erst mal was zu den bisherigen Antworten loschicken. ...

@ Caschu:

An welcher UNI bist Du ? Vielleicht kann man sich ja mal treffen ?

Hexaedernetze sind 3D-Elemente, die ich kaum brauche da die Zellenstruktur im wesentlichen duennwandig ist.

Was fuer Strukturteile rechnet Ihr fuer Airbus ? Strakabhaengige Aussenteile oder interne Teile ? Wenn Ihr Aussenteile rechnen solltet, wie integriert Ihr die aerodynamischen Belastungen (Druecke) in den Rechengang ? Werden importierte Druckverteilungen aus Fremddateien von NASTRAN als Knotenkraefte oder exakter als Elementbelastungen beruecksichtigt ? (CATIA-FEM beruecksichtigt Druckverteilungen nur als Knotenkraefte  . Muss mir hier wohl mit Ersatz-Flaechenlast per EXCEL-Datei behelfen.)

Natuerlich ist CATIA-FEM kein Hochleistung-FEM-Tool alla NASTRAN/ANSYS etc. aber in der direkten Kopplung mit dem Orginal-CATIA-Geometriedaten und in der Verwendung der Knowledgeware sehe ich dennoch viele Vorteile.
Ich stehe zwar noch am Anfang meiner CATIA-FEM-Praxis, denke aber dennoch dass das CATIA-FEM-Modul etwas unterschaetzt wird.

Hast Du auch mal mit Schalenelemente in CATIA-FEM gearbeitet ? Was war genau das K.O.-Kriterium weshalb Du zu NASTRAN gewechselt hast ? Was haelst Du davon die FEM-Netze in CATIA aufzustellen, eventuell auch Lasten und Einspannbedingungen und die Loesung dann NASTRAN zu ueberlassen ? Kann ich auch Lasten und Randbedingungen von CATIA-FEM nach NASTRAN uebernehmen ? 

@ Mannherz:

Hast Du auch schon mal Balkenelemente mit Schalenelementen gekoppelt ? Wie sind da Deine Erfahrungen ?

Viele Gruesse von

Andrea.

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HEW-1-Strak.pdf

Hallo Kri

1. Zum Problem: Kompatible Elementraender zwischen zwei benachtbarten Elementen:

Danke fuer die Knoepfe.

Um die Verwendung von Analysisverbindungen wollte ich eigentlich herumkommen. Sowie ich das im Moment sehe vernetzt CATIA wohl diese Analysisverbindungen immer mit "JOIN"-FEM-Elementen. Der Verschiebungsansatz fuer diese Joinelemente ist aber im Finite Elemente Referenzhandbuch nicht genau beschrieben.

Ausserdem steigt wohl auch der Rechenaufwand fuer den Solver durch diese JOIN-Elemente.

Ich habe gehofft es ginge einfacher und direkter.

2. Zur Modellierung von Sandwichelementen bzw. von Mehrschichten-FVK-Laminaten:

Ich ueberlege gerade ob ich Deine "Multi-Part-Schichtenmethode", die Du in anderen CAD.De-Beitraegen beschrieben hast, statt des CATIA Composite Designers verwenden sollte.

Wenn ich das richtig verstanden habe, gehst Du dabei wie folgt vor:

- Jede einzelne Laminatschicht wird in einer eigenen CATPart-Datei als Mittelflaeche modelliert.
  (Der Abstand der einzelnen Mittelflaechen muss dabei natuerlich den wirklichen Laminatdicken entsprechen.)
- Ein Sandwichkern wird ebenfalls in einer eigenen CATPart-Datei als Mittelflaeche modelliert.
- Die einzelnen CATPart-Dateien werden einzeln mit FEM-Schalenmodellen modelliert.
- Den einzelnen Schalenmodellen werden die jeweiligen geometrischen Schicht- bzw. Kerndicken als FEM
  2D-Property zugeweisen.
- Zwischen jeder Trennschicht dieses Laminats wird dann eine allgemeine Analysisverbindung definiert.

Verwendest Du dann jeweils eine fixierte Verbindung fuer diese Analysisverbindung ?
Verwendest Du fuer die beiden benachtbarten Teile die gleiche Knotenverteilung beim Vernetzen ?

Das kaeme meines Erachtens der direkten Verwendung von zwei kompatiblen FEM-Netzen fuer die beiden Schichten am naechsten - falls man wirklich nicht um die FEM-Analysisverbindungen herum kommen sollte.

Gegenfrage:
Warum verwendest Du nicht eine CATPart-Datei fuer Schichten eines Laminats bei Deiner Methode ?
Kann ich den nicht Analysisverbindungen zwischen geometrischen Elementen einer einzigen CATPart-Datei verwenden ?

Noch etwas:

Wie wuerdest Gurte als FVK-Bauteile modellieren ? Das sind ja jetzt linienformige Strukturelemente und keine flaechigen Strukturelemente mehr.

2b. "Alternative": CATIA Composite Designer ?

Ob ich mit dem Composite Designer ein Sandwichteil direkt basiert auf einer Flaeche als Schalengeometrie modellieren kann, weiss ich noch nicht genau. 

Der Composite Designer steht mir zwar zur Verfuegung. Gerade das Konzept dieses CATIA-Modul ist aber in der CATIA-Onlinehilfe schlecht erklaert und ich habe auch noch keine andere Fachliteratur gefunden. Ausserdem legt diese Arbeitsumgebung sehr viele Eintraege im CATIA-Strukturbaum an von denen auch noch viele DATUM-Elemente sind !

3. Zur Berechnung nicht isotroper Materialien mit CATIA:

Mein Sandwichstuetzmaterial (Rohacell-Schaumstoff statt Waben !) ist ebenfalls nicht isotrop. (Bei Waben fallen mir die duennen Deckschichten zwischen den Wabenzellen ein !)

Mit den mir mir zur Verfuegung stehenden CATIA-Lizenzen kann ich anscheinend auch nicht isotrope, sowie orthotrope Materialien verwenden und berechnen. Im Materialkatalog kann ich jedenfalls die entsprechenden Materialparameter inklusive Maximalgrenzen (!) fuer Schub-, Druck- und Zugspannungen angeben !

Gruss von

Andrea aus Aachen.

P.S. Hab mal eben fuer Interessierte einen Screenshot vom Strak des gesamtem Projekts mit einigen technischen Daten ("HEW-1-Strak.pdf") hier abgelegt. Technische Daten und Tragfluegelgeometrie aendern sich noch etwas (circa 2 qm weniger Fluegelflaeche geplant - dafuer jetzt zusaetzlich 1 Paar Landeklappen innen.)

55 kg geplantes Leergewicht - abflugfertig mit Fallschirm zum Fusstart.

Da stecken noch einige Kopfnuesse drin 

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Moin,

ich bin in Dresden, also anderes Ende der Republik. 

Wir rechnen Aussenwände und Innenstruktur, der Hersteller gibt dir dabei Druckverteilungen vor, die dann eingelesen werden. Die Verteilung wird natürlich auf Knoten aufgebracht, anders ist es genau genommen auch nicht möglich, auch wenn es sich um Flächenlasten handelt.

Das KO-Kriterium liegt in den Möglichkeiten und der Genauigkeit der Rechnung. CATIA lässt keinen Einblick in die eigentliche Rechnung zu, erlaubt gerade bei Hexadernetzen nur eingeschränkte Randbehandlung(keine separaten Knoten anwählbar). Im 2D Bereich mag das weniger auffallen, im 3D wird es extrem deutlich. Natürlich kann man sich "Dummy" Flächen behelfen, ist meiner Meinung nach aber nur ein Kompromiss. Besonders bei komplizierteren Bauteilen ist man in NASTRAN mit der Hexadervernetzung um ein vielfaches schneller, als in CATIA.
Zur qualitativen Abschätzung wirst du CATIA verwenden können, quantitativ würde ich eine prof. Software empfehlen.
Daher erübrigt sich auch die Frage, erst das Netz in CATIA zu erstellen und dann zu NASTRAN zu überführen.

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Hallo Caschu

Danke fuer die Infos. Ich muss Dir aber teilweise fachlich widersprechen.

Zitat Caschu: Die Verteilung wird natürlich auf Knoten aufgebracht, anders ist es genau genommen auch nicht möglich, auch wenn es sich um Flächenlasten handelt.

Es gibt bei der FEM-Methodik durchaus die Moeglichkeit Flaechenlasten (z.b. aerodynamischen Druck) und Volumenlasten (z.b. Traegheitskraefte und Gewichtskraefte) als Elementlasten und nicht nur vereinfacht als ersatzweise direkt auf die Elementknoten aufgebrachte diskrete Ersatzkraefte zu beruecksichtigen.

Zitat Fachliteratur: O.C. Zienkiewicz "Methode der finiten Elemente", Hanserverlag, 2. Auflage 1984, S. 43:

"Das einfachste Verfahren, die Knotenkraefte den vorhandenen Randlasten und wirkenden Volumenkraeften statisch gleichwertig zu machen, ist, den Knoten eine willkuerliche virtuelle Verrueckung zu erteilen und dabei die durch die verschiedenen Kraefte und Spannungen verrichtete aeussere und innere Arbeit gleichzusetzen."  (Zitat Ende).

Letztendlich wird natuerlich auch bei diesem Verfahren die Belastung durch die aeusseren Flaechen- und Volumenlasten des Elements auf Ersatzknotenkraefte zurueckgefuehrt. Nur geschieht dies jetzt nicht durch einfaches (!) Mappen einer vorgegebenen aeusseren Kraftverteilung mittels einfacher statischer (!) Gleichgewichtsbedingungen sondern unter Beruecksichtigung der Elastizitaet des jeweiligen FEM-Elements !

Die Verwendung dieser bekannten Elementlasten als aeussere Lasten anstatt bekannte aussere, diskrete Ersatzknotenkrafte zu verwenden hat den Vorteil dass an den FEM-Knoten keine unrealistischen Spannungsspitzen bei der FEM-Ergebnisauswertung auftreten.

Selbst CATIA-V5-FEM bietet folgende elementweise wirkenden Lastbefehle an: Linienlast, Flächenlast, Dichte der Kraft, Körperkraft, Beschleunigung, Zentrifugale Last. (Quelle: CATIA-FEM-Script von Prof. Klepzig, Zwickau, CAD.DE-Name "Kle" !)

Das der Befehl CATIA-Befehl "Druck" nicht als Element- sondern als Knotenkraft realisiert wurde ist also eine unnoetigte Vereinfachung. 

Zitat Caschu: "Natürlich kann man sich "Dummy" Flächen behelfen, ist meiner Meinung nach aber nur ein Kompromiss."

Was meinst Du mit "Dummy" Flächen. Willst Du duennwaendige Teile mit 3D-FEM-Volumenelenten vernetzen statt mit Schalenelementen bzw. Schubfeldtraegerelementen ? Oder was ist gemeint ?

Zitat Caschu: "CATIA lässt keinen Einblick in die eigentliche Rechnung zu, ..."

Das scheint mit das eigentliche Problem von CATIA-FEM zu sein. Im CATIA-FEM-Referenzhandbuch finde ich zu den Verschiebungsansatzen der FEM-Elemente im wesentlichen nur die Hinweise auf die Timoshenko-Balkentheorie und die Theorien von Reisner.

Natuerlich finde man zu diesen Theorien etwas in der Literatur aber jetzt komm's erst ....

Bei Kontaktelementen sowie allen JOIN-Elemente zur Kopplung der einzeln vernetzten FEM-Teilnetze, insbesondere zur Kopplung von einzelnen Teilen einer Baugruppe wird es noch duenner in der Referenz.

Ausserdem wuerde mich mal interessieren ob die CATIA-FEM-Elemente subparametrische, superparametrische oder isoparametrische Elemenente sind !

Hier sollte 3DS mal dringend die CATIA-Doku ergaenzen !!

Noch eine kleine Anfrage:

Kannst Du mir ein kompaktes Einfuehrungsscript etc. zu Papran/Nastran empfehlen, vorzugweise online erhaeltlich. Zur Abschaetzung der FEM-Moeglichen, des Arbeitsablaufs und des praktisch notwendigen Arbeitsaufwandes mit NASTRAN/PAPRAN will und kann ich mich zur Zeit nicht durch 1000 Seiten NASTRAN/PAPRAN-Orginaldoku wuehlen - habe noch viel anderes an meinem Flugzeugprojekt zu tun.

Vielen Dank und Gruss von

Andrea.

P.S. Schade das Dresden nicht "um die Ecke" liegt.

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Hallo,

wie schon gesagt, wir haben kein Adv.M.Tool.
D.h. wir können nur Solidmodelle rechnen (teraedernetze).
Da stelle ich halt die verschienen Schichten (ein Material pro Part)dar.
Oder eine Schicht je Part, was man halt besser realisieren kann.
Die Schichten werden dann fixiert verbunden.

Leider haben die Schichten oftmals unterschiedliche Mat. Eigenschaften.
Z.B. E-Mod von 10500 in V und 7000 in H.

Dann benutze ich im ersten Schuss die schwächere oder einen Mittelwert.
Das muss vorher halt abgestimmt werden.
Richtet sich auch nach der Belastungsrichtung.

Mit unterschiedlichen Richtungseigenschaften sind keine geometrischen
Eigenschaften gemeint (Wiederstands/Trägheitsmoment).
Sondern nur Materialeigenschaften (E-Modul).

Ein Wabenmaterial (nur die Waben) kann durchaus isotrop sein.
Das zweite Material sind dann die Abdecklayer.

Zum Kompositmodul kann ich Dir nix sagen, hab bis jetzt nur gehört,
dass es so was gibt.

Zur Materialdefinition von nicht isotropen Materialien wurde mir gesagt.
Finger weg kommt nur Grütze bei raus.
Da bräuchte man dann wohl eher einen nichtlinearen Solver
Der iterativ rechnet.

Edit:
Es ist meist besser ein Teil/Schicht pro Part zu haben.
Da ist dann das Aus und Einblenden bei der Vebindungsdefinition einfacher.

PS: kann man den Flieger auch mit nem 15PS Kettensägenmotor haben  ?

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kri

[Diese Nachricht wurde von kri am 11. Feb. 2008 editiert.]

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Hallo Andrea!

Du kannst mir sehr gern widersprechen, bin doch lernbereit. 
Wollen wir nicht zu sehr ins Detail gehen mit den Knotenkräften, wir meinen letztlich genau das Gleiche, glaube ich zumindest. Auch wenn ich eine Flächenlast auftrage erfolgt die Informationsübertragung dennoch über Knoten, oder?! Was dort mit diskreten Einbringen auf Knoten gemeint ist, bezieht sich wohl eher auf wirkliche Punktlasten. Es ist logisch, dass eine Krafteinleitung über eine Fläche genauere Ergebnisse liefert, als wenn ich alles auf einen Knoten bündle.

Dummy:

Erzeuge mal eine Fläche (Scheibe) und lagere diese nur in der Mitte. Hier kommt zum Tragen, dass du eben nicht einzelne Elemente oder Knoten lagern kannst, sondern nur Flächen. Also wirst du eine kleine "Erhöhung" einbauen die dir als "Dummy" dient.

Nastran/PATRAN [Nicht Papran.  ]

Für Nastran gute Anleitungen zu finden ist nicht ganz sooo einfach, es gibt einige gute Bücher und eine offizielle Seite von MSC. Ich hänge dir einfach mal 2 brauchbare Links an, damit erfährt du die Grundzüge! Vieles sollte man aber wirklich ausprobieren und selber Erarbeiten, dann ist die Lernkurve auch um einiges steiler.

Grüße
http://www.mscsoftware.com/support/online_ex/Library.cfm http://www.fem.de/support/beispiele/beispiele.htm

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Hallo Caschu

Danke fuer die Nastran-Doku-Links. Ich habe schon mal ein bisschen reingelesen.

Gruss Andrea.

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Hallo

Nachtrag

@kri:

Danke fuer Deine detailierteren Ausfuehrungen.
Den Flieger wird es nicht mit 15 PS Kettensaegenmotor geben - wir sind ja hier nicht bei Freddy Krueger und Freitag dem 13. ...   

Ausserdem bin ich eingefleischte Segelfliegerin - geplant sind aber 2 Schleppkupplungen fuer Flugzeugschlepp hinter Motor-UL-Flugzeug und fuer Windenstart an Drachenfliegerwinde. (Die werden mich wohl 900-1100 g Strukturmasse kosten  .)

Noch was: kostenlose FEM-Software

Ich hatte schon mal vergeblich wegen Opensource/Freeware 3D-FEM-Software fuer mein Projekt im Internet recherchiert - bis jetzt ohne Erfolg. Alles Gefundene war entweder nicht leistungsfaehig genug (Anzahl der Freiheitsgrade eingeschraenkt, mangelnde Pre- oder Postprozessorunterstuetzung oder die angebotenen FEM-Elementtypen waren mir nicht ausreichend.).

Durch den neuen CAD.DE Thread http://ww3.cad.de/foren/ubb/Forum99/HTML/000167.shtml  bin ich jetzt jedoch auf CAELINUX 2007 aufmerksam geworden. Kommt aus Frankreich und es scheinen z.T. auch professionelle FEM-Entwickler bzw. Anwender dahinter zu stehen.

CAELINUX kann so wie das bis jetzt ueberblicke CAD-Geometrie per IGES/STEP importieren und auch Fasermaterial berechnen.

Waere vielleicht auch ne Ergaenzung  zur CATIA-FEM fuer Euch Kri oder ? Ich hab da noch im Kopf dass Ihr ueberlegt eine zusaetzliche FEM-Software anzuschaffen - oder verwechsele ich das jetzt mit jemand anderem im Forum ?

Falls CAELINUX oder CATIA FEM nicht ausreichen werde ich fuer mein Projekt wohl NASTRAN verwenden. NASTRAN hat zudem den Vorteil dass es in der (Luftfahrt-) Industrie bekannt und gesucht wird - ein Pluspunkt bei Bewerbungen.

Gruss und frohes Schaffen wuenscht

Andrea.

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Zitat:

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Original erstellt von Andrea Engel:
Falls CAELINUX oder CATIA FEM nicht ausreichen werde ich fuer mein Projekt wohl NASTRAN verwenden. NASTRAN hat zudem den Vorteil dass es in der (Luftfahrt-) Industrie bekannt und gesucht wird - ein Pluspunkt bei Bewerbungen.

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Richtig, ein weiterer Grund sich das Programm zumindest schonmal angeschaut zu haben.

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Hallo Andrea,

danke für den Link, sauge das gerade.
Hoffentlich hat man auch irgentwann mal Zeit es gründlich auszuprobieren.

Kettensägenmotor (natürlich ohne Blatt ) war nur ein sehr preiwerter Vorschlag
bei dem die Sache mit der Benzinzufuhr in Schräglage und auf dem Kopf geregelt ist.

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kri

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