Willkommen zu unserem zweiten Teil der Reihe zur FEM-Berechnung! Heute geht es um das Thema Vernetzung und wie Siemens NX dabei zum Einsatz kommt. Du wirst feststellen, dass die Gütekriterien für die Ergebnisauswertung von Spannungen genauso wichtig sind wie bei PRO/Mechanica oder CATIA-FEM. Doch Vorsicht ist geboten!
Einfluss der Elementgröße des Netzes
Beim Vernetzen einer Geometrie mit einem groben Netz – zum Beispiel mit einer Größe von über 5 mm – erzielt man keine sehr genauen Ergebnisse an Radien oder Kerbstellen. Dennoch bietet es einen ersten Eindruck von der Bauteilverformung und der Größenordnung der Verformungen. Bei Spannungsauswertungen gibt es jedoch gute Gütekriterien zu beachten.
Vergleich der Auswertung
Es ist wichtig, die max. Knotenspannungen mit den gemittelten Knotenspannungen zu vergleichen. Diese sollten nicht allzu stark voneinander abweichen – wie groß die Abweichung sein darf, hängt von den jeweiligen Erfordernissen ab. Üblicherweise sollten die Spannungen einen Unterschied von 5 MPa nicht überschreiten. In einigen einfachen Fällen können auch die Kerbspannungen gemäß der FKM-Richtlinie ermittelt werden und dienen dann als Vergleichswert.
Einfluss der Elementart des Netzes
Bei CATIA-FEM werden zwei Elementarten unterschieden: das Tretraederelement mit 4 Knoten (je an den Ecken) wird als linear bezeichnet, während das mit 10 Knoten (an den Ecken und in der Mitte jeder Kante) als parabolisch gilt.
Siemens NX bietet eine viel größere Auswahl an Elementarten. Das einfachste Element ist CTETRA(4), das dem linearen Volumenkörperelement entspricht. Dieses Element eignet sich nicht für Spannungsauswertungen, sondern dient lediglich zur schnellen Kontrolle des FE-Modells auf Korrektheit und Plausibilität. Verlässliche Spannungsaussagen können nur mit dem CTETRA(10)-Element (parabolisch bei CATIA) gemacht werden.
Automatische Netzverfeinerung
Eine einfache Methode besteht darin, die Netzgüte lösungsabhängig zu erhöhen. Das bedeutet, man startet mit einem groben Netz und verfeinert es lokal, wenn die Spannungsergebnisse maximal/gemittelt mehr als einen frei festgelegten Betrag (z.B. 5 MPa) auseinanderliegen. So kann der gewünschte Zielwert (Konvergenz) erreicht werden.
Die Funktion zur Netzverfeinerung in NX 10 heißt “adaptive Lösung”. Bei Pro/E genügt ein einfacher Haken zusammen mit der Angabe der Anzahl der Lösungsschritte. In der Regel reichen 2 weitere Iterationen aus, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Um die Netzverfeinerung anzustoßen, wählt man mit der rechten Maustaste auf der adaptiven Lösung den Punkt “Berechnen” aus. Anschließend können die Ergebnisse betrachtet werden.
Der spannende Einfluss der Netzgröße
Die Netzgröße spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswertung der Spannungen. Betrachten wir zunächst ein grobes Netz mit einer Größe von 5 mm. Hier treten die höchsten Spannungen nur in einem einzigen Knoten auf. Die Unterschiede der max. Spannung zwischen beiden Auswertungsmethoden sind enorm.
Mit einer feineren Vernetzung hingegen verteilen sich die maximalen Spannungen auf mehrere Knoten und es entsteht ein detaillierter und realistischer Spannungsverlauf. Auch die Höhe der max. Spannungen unterscheidet sich nur noch geringfügig. Wird jedoch die Tiefe des Werkstoffs betrachtet und beispielsweise Härtetiefen berücksichtigt, ist diese Methode noch unzureichend.
Die Delta-Betrachtung der max. Spannungen zeigt deutlich, wie stark die Netzgröße die Spannungsauswertung beeinflusst. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine feinere Vernetzung ein detailreicheres und aussagekräftigeres Ergebnis liefert.
Entdecke die Möglichkeiten der Vernetzung und tauche ein in die faszinierende Welt der FEM-Berechnung!
