Alu-Stahl-STEP-Bauteil mit unterschiedlichen ... Alu-Stahl-STEP-Buteil mit unterschiedlichen Materialdaten

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  • Alu-Stahl-STEP-Buteil mit unterschiedlichen Materialdaten vernetzen 1

    Alu-Stahl-STEP-Bauteil mit unterschiedlichen Materialdaten vernetzen

    Eine Kühlscheibe aus Aluminium sitzt auf einer Welle um das Kugellager durch Konvektion abzukühlen. Aus den beiden STEP-Dateien der Kühlscheibe und der Welle ist zuerst ein hochwertiges Tetraeder-FEM-Netz mit zwei Elementgruppen zu generieren. Hierzu bietet der MEANS-Preprozessor eine „Punkt-Fläche-Kontakt- Analyse“ an, die sonst nur von wenigen FEM-Preprozessoren angeboten wird. Zum Schluß wird noch eine C3D10-INP-Datei erzeugt damit das Alu-Stahl-Bauteil mit dem FEM-Solver Abaqus nichtlinear oder mit einer CFD-Strömungsberechnung weitersimuliert werden kann. Kühlscheibe aus Aluminium: Welle aus Stahl:

    FEM-Hauptnetz zusammengesetzt aus zwei FEM-Netzen:

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    Netzgenerierung Die Kühlscheibe und die Welle müssen zuerst einzeln vernetzt werden. Dannach können beide FEM-Modelle zu einem FEM-Hauptnetz mit zwei Elementgruppen zusammengefügt werden. Welle Wählen Sie Menü Datei / Neues FEM-Projekt / 3D-Tetraeder-Netzgenerierungen und selektieren die Step-Datei „welle.stp“ aus dem FEM-Projekte / Kuehlscheibe- Verzeichnis. Wählen Sie das Menü „Netzgenerator Nr. 2 mit CAD-File starten“ um den 3D-Netzgenerator mit der CAD-Datei zu starten.

    Es öffnet sich ein neues Windows-Fenster. Da die Welle eine sehr einfache Struktur ist kann es sofort mit Menü Generate Mesh in ein „moderates“ FEM-Netz aus 2501 Elementen generiert werden. Dannach wählen Sie das Menü Refinement / Refine uniform um das Netz auf 20008 Tetraeder-Elementen nachzuverfeinern.

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    Das generierte Netz kann nun mit Menü File / Export Mesh unter test.fem abgespeichert werden damit es automatisch in den MEANS-Preprozessor eingeladen und dargestellt werden kann. Schließen Sie das Windows-Fenster des Netzgenerators und erzeugen ein „normales“ Flächenmodell, dannach das FEM-Modell unter „welle.fem“ im aktuellen Projekt-Verzeichnis abspeichern.

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    Kühlscheibe Es folgt nun die Alu-Kühlscheibe mit Datei / Neues FEM-Projekt / 3D-Tetraeder- Netzgenerierungen, selektieren Sie die Step-Datei „kuehlscheibe.stp“ und wählen „Netzgenerator Nr. 2 mit CAD-File starten“ um den Netzgenerator zu starten.

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    Diesmal klappt die Vernetzung mit „Generate Mesh“ nicht so einfach da die Kühlscheibe wesentlich komplexer als die Welle ist. Wählen Sie das Menü „Meshing Options“ und „Mesh Size“ und geben die oben zu sehende Parameter für die Netzgenerierng ein. Wählen Sie „Generate Mesh“ um ein Tetrader-FEM-Netz bestehend aus 38751 Elementen und 9476 Knotenpunkte zu generieren. Das fertige Netz mit Menü File / Export Mesh unter test.fem abspeichern damit es automatisch in den MEANS-Preprozessor eingeladen und dargestellt werden kann. Schließen Sie das Windows-Fenster des Netzgenerators. Es folgt die Erzeugung des Flächenmodells mit einer Flächeneinteilung von „0.8“ und abspeichern des Modells unter „kuehlscheibe.fem.

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    FEM-Modell vereinen Die Kühlscheibe befindet sich im Arbeitsspeicher, wählen Sie jetzt das Menu „FEM- Zuladung mit unterschiedlicher Netzdichte“ um die FEM-Welle einzufügen.

    Bei der Zuladung der FEM-Netze kann das Probem auftreten, dass jedes STEP- Modell ein eigenes Koordinatensystem hat und damit die Modelle bei der Zuladung nicht mehr exakt zusammenpassen. Der Zoomfaktor der Modelle ist aber gleich geblieben, sodaß nur ein Modell in X-Richtung nachgeschoben werden muss. Unterschiedliche Zoomfaktoren können auch auftreten wenn man z.B. ein FEM- Netz aus einer STEP- und ein FEM-Netz aus einer STL-Datei vereinen möchte. In diesem Falle ist die Zuladung nicht mehr zu empfehlen. X-Verschiebung ablesen Die Kühlscheibe muss wieder neu eingeladen werden. Die Verschiebung kann mit Menü „Knotenpunkte selektieren“ und „Bereich“ einfach ermittelt werden. Die Koordinaten lassen sich in der unteren Statuszeile ablesen sobald sich die Maus über dem Knoten befindet. Die Anfangskoordinate der Kühlscheibe liegt somit am Knoten 4818 bei X = 0 mm und die Endkoordinate der Kühlscheibe am Knoten 4850 bei X = 68 mm, die X-Verschiebung liegt am Knoten 1158 bei X = 304 mm.

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    X-Verschiebung mit Koordinaten-Faktor erzeugen Daraus ergibt sich eine Verschiebung von 236 mm. Laden Sie nun das FEM-Modell der Kühlscheibe nochmals einzeln in den Arbeitsspeicher und wählen das Menü „FEM-Projekt bearbeiten“und „Knotenkoordinaten“ sowie „Koordinaten-Faktor“. Geben Sie einen Faktor von 236 ein und klicken auf „addieren“ und „X-Koordinaten“ und wählen OK.

    Jetzt wird die Kühlscheibe wieder gesichert und die welle.fem mit Menu „FEM- Zuladung mit unterschiedlicher Netzdichte“ wieder zugeladen. Das neue Modell ist aber noch unbrauchbar, da die Kanten der Welle und Scheibe nicht verbunden sind.

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    Kontakt-Analyse Wählen Sie das Datei-Menü „FEM-Dateien zusammenfügen und vereinen“ sowie „Netze vereinen mit autom. Berührungskontakt“ um die beiden Modelle zu vereinen.

    Die Kontaktberechnung wird gestartet und nach wenigen Minuten sind 383 neue Verbindungs-Tetraederelemente der Struktur hinzugefügt worden.

    Wählen Sie „Fertig“ und führen eine Modell-Überprüfung durch um eventuelle Tetraeder mit einer negativen Jacobi-Determinante aus der Struktur zu löschen.

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    Modell mit Wärmeleitfähigkeiten:

    Modell mit Konvektion und Randtemperaturen:

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    Temperaturverteilung mit Konvektion:

    FEM-Modell mit INP-Format von Abaqus in FEMAP eingeladen

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