Kapitel 7: Schweißnahtberechnung einer STL

Kapitel 7: Schweißnahtberechnung einer STL-Baugruppe mit MEANS V9
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Kapitel 7: Schweißnahtberechnung einer STLBaugruppe mit MEANS V9
STL-Dateien mit Autocad erzeugen
Die Schweißnaht-Baugruppe wird mit AutoCAD oder anderes 3D-CAD-System
konstruiert und besteht aus zwei 20 x 20 Vierkantprofilen aus Aluminium sowie aus
zwei Metall-Schweißkehlnähten, die mit dem Befehl „STLOUT“ in die Dateien
TEIL1.STL, TEIL2.STL, TEIL3.STL und TEIL4.STL abgespeichert werden müssen.
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Vernetzung der STL-Modelle
Starten Sie MEANS V9 für DirectX9 mit dem Desktop-Icon und wählen „Neues
Projekt“.
Selektieren Sie mit „Browser“ das Verzeichnis C:\Programme\FEM-System_
MEANS_V9\FEM-Projekte\Schweissnahtberechnungen\ aus und wählen die erste
STL-Datei aus und klicken auf Menü „Netzgenerator Nr. 2 mit CAD-File starten“.
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Es wird ein neues Fenster mit dem STL-Modell geöffnet. Wählen Sie zuerst das
Menü „Mesh\Meshing Options...“ aus
und stellen die Netzdichte „very fine“ ein.
Wählen Sie nun das Menü „Generate Mesh“ um das erste FEM-Netz mit 5449
Tetraederelemente und 1224 Knotenpunkte zu erzeugen.
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Exportieren Sie nun mit dem Menü „File“ und „Export Mesh“ das Netz unter dem
Namen „test.fem“ in das voreingestellte Verzeichnis ab. Das ..\Debug\meshVerzeichnis bitte nicht verändern sonst funktioniert die automatische Einladung des
FEM-Netzes in MEANS V9 nicht mehr. Das Fenster vom Netzgenerator kann jetzt
wieder geschlossen werden.
Das FEM-Netz ist jetzt in gelber Farbe in MEANS V9 zu sehen und kann mit beiden
Maustasten gedreht und mit dem Wheel-Rad gezoomt werden, ähnlich wie man es
aus den 3D-CAD-Systemen kennt.
Speichern Sie das erste FEM-Netz unter dem Namen „Naht1.fem“ in das
voreingestellte Verzeichnis „C:\Programme\FEM-System....\FEM-Projekte\Neu“ oder
in ein anderes Projekt-Verzeichnis ab.
Vernetzen Sie nun auch die anderen 3 STL-Dateien nach der gerade
beschriebenen Vorgehensweise.
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Zum Schluß sollten folgende vier FEM-Netze generiert sein:
Naht1.fem → 5444 Elemente und 1220 Knoten
Naht2.fem → 6011 Elemente und 1388 Knoten
Naht3.fem → 2140 Elemente und 604 Knoten
Naht4.fem → 1884 Elemente und 536 Knoten
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Zusammenfügen der 4 Teilnetze zu einem Hauptnetz
Das Zusammenfügen von FEM-Netzen mit unterschiedlicher Netzdichte und hat
folgende Vorteile:
 FEM-Modelle mit unterschiedlichen Materialien (z.B. Schweiß-Simulationen oder
Temperaturanalysen) können beliebig zusammengefügt und berechnet werden.
 Vernetzung auch von sehr komplizierten Bauteilen indem man zuerst die
Einzelteile vernetzt und nach der Vernetzung die Teilnetze wieder zu einem
Hauptnetz vereint.
 Höhere Genauigkeit bei gleichzeitig kleineren FEM-Modellen, da man Bereiche
die nicht belastet werden grob vernetzen kann und Bereiche in denen hohe
Spannungen zu erwarten sind werden dagegen feiner vernetzt.
Schritt 1:
Laden Sie mit dem Icon zuerst das FEM-Netz Naht1.fem ein.
Schritt 2:
Wählen Sie nun das Menü „Datei“, „FEM-Dateien zusammenfügen und vereinen“
sowie „FEM-Zuladung mit unterschiedlicher Netzdichte“ um das zweite FEM-Netz
„Naht2.fem“ dem ersten hinzuzufügen.
Als Ergebnis erhält man folgendes Netz:
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Schritt 3:
Wählen Sie wieder das gleiche Menü von Schritt 2 aus und fügen das dritte FEMNetz „Naht3.fem“ hinzu.
Schritt 4:
Wählen Sie wieder das gleiche Menü von Schritt 2 aus und fügen das dritte FEMNetz „Naht4.fem“ hinzu.
Nach der dreifachen Zuladung erhält man ein FEM-Netz mit 4 Elementgruppen.
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Schritt 5:
Mit der Erzeugung einer „kontaktfreien“ Elementgruppe können alle Elemente mit
dieser Elementgruppe aus der Kontaktanalyse ausgeblendet werden.
Für dieses Beispiel nicht ungedingt notwendig, aber bei großen Modellen kann man
damit mehrere Stunden Rechenzeit einsparen.
Wählen Sie dazu das Icon „2D“ um das Modell in der XY-Ebene darzustellen.
Wählen Sie das Icon
um die Iconleiste für Elementgruppen aufzurufen.
Wählen Sie „Elementgruppe erzeugen“ und selektieren zweimal mit dem Rechteck
etwa 80% des linken sowie 80% des rechten Modellbereiches als Elementgruppe 5.
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Schritt 6:
Jetzt folgt der rechenzeitintensivste Arbeitsschritt mit der Vereinigung der FEMNetze. Dieser Schritt kann bei größeren Modellen etwas länger dauern, hier
allerdings ist er in wenigen Sekunden fertig.
Wählen Sie dazu das Menü „Datei“, „FEM-Dateien zusammenfügen und vereinen“
sowie „Netze vereinen mit autom. Berührungskontakt“. Geben Sie hier zuerst die
Elementgruppe ohne Berührungskontakt mit „5“ ein und deaktivieren „Zum Schluß
alle Elementgruppen=1 setzen“. Wählen Sie nun „Automatischer Berührungskontakt
starten“ um das Modell zu vereinen.
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Nach jeder Iteration werden die Anzahl der Berührungspunkte sowie die Anzahl der
neu erzeugten Elemente angezeigt. Bei diesem Beispiel wurden 505 neue
Tetraeder in das FEM-Netz eingefügt. Mit Menü „Fertig“ wird die Kontaktberechnung
beendet.
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Es folgt eine Jacobi-Überprüfung um Tetraeder mit einem zu hohen Verzerrungswinkel aus der Struktur zu löschen.
Für die Überprüfung wird ein neues Fenster geöffnet.
Nach dem Zusammenfügen besteht das FEM-Netz aus 15989 Tetraedern und 3752
Knotenpunkten und 4 Elementgruppen.
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Erzeugen der Randbedingungen
Der linke Fläche wird fest eingespannt, wählen Sie dazu folgende zwei Schritte:
Schritt 1:
Klicken Sie auf das Icon
in der Ansichtsleiste und wählen Sie das Menü
„Randbedingungen erzeugen \ Schritt 1: Selektion auswählen \ Flächen selektieren“
und erzeugen ein Flächenmodell.
Schritt 2:
Wählen Sie „Randbedingungen erzeugen \ Schritt 2: Randbedingungen erzeugen“
und übernehmen in der nächsten Dialogbox alle Einstellungen und wählen „RBs
erzeugen“ und klicken mit Doppelklick auf die rot aktivierte Fläche 65. Die Fläche
wird in der linken oberen Selectbox angezeigt, dort mit „Erzeugen“ erzeugen.
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Erzeugung der Belastung
Die rechte Fläche wird mit einer Flächenlast von 12.5 N/mm2 belastet, diese wird
erzeugt:
Schritt 1:
Dieser Schritt kann übersprungen werden da er bereits im vorigen Abschnitt
ausgeführt wurde.
Schritt 2:
Klicken Sie auf das Icon
in der Ansichtsleiste und wählen das Menü
„Flächenlast/Drucklast erzeugen / Schritt 2:Flächenlast/Drucklast erzeugen“
und geben den Wert „-12.5“ in „X-Richtung“ ein. Wählen Sie „Belastungen
erzeugen“ und klicken zweimal kurz auf die rot aktivierte Fläche 45. Diese wird in
Selectbox angezeigt, dort mit „Erzeugen“ die Flächenlast erzeugen.
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Surface-Selektion der Fläche 45, die rot eingefärbt ist:
Die Flächenlast wird jetzt als schwarze Fläche dargestellt:
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Eingabe der Materialdaten
Wählen Sie mit dem Icon die Iconleiste für Elementgruppen und blenden zur Übung
einmal alle 4 Elementgruppen ein und wieder aus. Mit einem Klick auf den
Farbkasten können Sie der Elementgruppe auch eine andere Farbe geben.
Sind alle 4 Elementgruppen bekannt, wählen Sie das Menü „FEM-Projekt
bearbeiten“ und „Materialdaten“ und geben folgende Materialdaten ein:
Elementgruppe 1 + 2: Schweißnaht aus einem Elektrodenwerkstoff
Die Materialdaten für Schweißnähte können in Zukunft aus einer ElektrodenMaterial-Datenbank entnommen werden, die zur Zeit aber noch in der Entwicklung
ist.
Elementgruppe 3 + 4: Vierkantprofil aus Aluminium
Die Materialdaten für Aluminium können mit Menü „Material-Datenbank“ eingefügt
werden.
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FEM-Analyse
Das FEM-Netz unter dem Namen „naht.fem“ absichern und das Menü „FEMAnalyse“ und „FEM-Analyse“ aufrufen um die Verformungen und Spannungen zu
berechnen.
Wählen Sie zurerst „Schritt 1: FEM-Solver starten“ um in einem neu geöffneten
Windows-Fenster die Verformungen und Spannungen zu berechnen. Nach der
FEM-Analyse mit „OK“ das Solver-Fenster wieder schließen.
Wählen Sie nach der FEM-Analyse „Schritt 2: Postprocessing starten“ für eine
grafische Ergebnisauswertung.
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Ergebnisauswertung
Wählen Sie mit dem Icon
oder im vorigen Abschnitt „Schritt 2 ...“ die Dialogbox
für die grafische Ergebnisauswertung bzw. Postprocessing um die Verformungen
und Spannungen auszuwerten.
Verformung in X-Richtung
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v.Mises-Vergleichsspannung
v.Mises-Vergleichsspannung an den Schweißnähten
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