Submodell-Technik mit dem Submodel Inspector
Die Anforderungen an die Abbildung physikalischer Vorgänge haben in den letzten Jahren mehr und mehr zugenommen. Die Komplexität der Berechnungen steigen an, immer mehr physikalische Effekte werden untersucht und die Modelle werden zudem immer detailgetreuer. Allerdings steigt die zur Verfügung stehende Rechnerkapazität nicht im gleichen Maße an. Dies führt dazu, dass Berechnungen nicht mehr über Nacht durchrechnen, und somit lange Wartezeiten in Kauf genommen werden. Jede Änderung der Eingangsgrößen, z. B. eine Drucklast auf das Bauteil, führt zu einer Neuberechnung und somit wieder zu langer Wartezeit. Um eine ordnungsgemäße Ergebnisbewertung durchführen zu können, müssen die Bauteile an den Auswertestellen ausreichend fein vernetzt werden. Oft kennt man im Vorfeld allerdings nicht die Stelle, die kritische Dehnungen oder Spannungen aufweist.
Dies soll die folgende Abbildung verdeutlichen:
Das Bild zeigt auf der linken Seite eine Baugruppe mit mehreren Komponenten. Dargestellt ist das Netz und überlagerte Spannungsergebnisse. In der Detailaufnahme (Bild rechts) ist der Bereich der Spannungskonzentration zu sehen. Die Berechnung liefert zwar die Bereiche mit höherer Belastung, jedoch lässt sich wegen der zu groben Vernetzung und großen Spannungsgradienten keine qualitative Aussage über die Spannungshöhe treffen.
Links: Baugruppe einer Brüheinheit, von Mises Vergleichsspannungen.
Rechts: Detailaufnahme der Spannungskonzentration.
Als Folge zur qualitativen Bewertung muss der dargestellte Bereich feiner vernetzt werden und die Rechnung neu gestartet werden. Wegen der Berücksichtigung verschiedener Lastfälle, Kontaktsituationen und der Modellgröße müssen erhebliche Rechenzei-ten bzw. Wartezeiten in Kauf genommen werden. Eine prinzipielle Abhilfe stellt die Methode der Submodell-Technik dar. Dabei wird der Bereich um die Auswertestelle extrahiert und fein vernetzt, es entsteht ein sogenanntes „Submodell“. Die Verschiebungen des groben Modells werden auf die Randflächen des Submodells übertragen und neu gerechnet. Da das Submodell in der Regel nur einen Bruchteil der Größe des groben Modells aufweist und Kontaktsituationen entfallen, stehen die Ergebnisse trotz sehr feiner Vernetzung innerhalb von Minuten bereit.
1. Das dargestellt Netz zeigt das grobe Modell. Die Kerbe im Winkel soll genauer untersucht werden.
2. Der gestrichelte Rahmen stellt die Begrenzung des Submodells dar. Es wird ein geometrisches Modell mit diesen Dimen- sionen erzeugt und fein vernetzt. Geometrische Details wie Radien können
hinzugefügt werden, sofern sie keinen gravie-renden Einfluss auf die Steifigkeit haben.
Links: Globales Modell mit Verschiebungsergebnissen, Berandung des Submodells durch gestrichelte Linien dargestellt.
Rechts: Submodell mit Berücksichtigung geometrischer Details und feiner Vernetzung.
Überlagerung Grobmodell und Submodell
3. Die Verschiebungsergebnisse des groben Modells werden an den Berandungsflächen des Submodells interpoliert. Nun kann das Submodell gerechnet werden und eine Aus-wertung erfolgen.
Die Vorgehensweise hat jedoch einen Haken: Sie erfordert einen deutlichen Aufwand zur Modellerzeugung des Submodells und zur Übertragung der Verschiebungsergebnisse.
Aus diesem Grund habe ich ein Programm entwickelt, dass die aufwendigen und fehleranfälligen Prozessschritte automatisiert durchführt. Das Tool „Simcenter Submodeling“ erstellt innerhalb NX/Simcenter automatisiert die Geometrie des Sub-modells, übernimmt die Vernetzung sowie das Übertragen der Verschiebungsrandbedingungen. Zudem unterstützt es bei der Auswertung der Ergebnisse.
Im Folgenden wird der automatisierte Ablauf dargestellt:
Das folgende Bild zeigt eine Schweiß-Baugruppe aus Rechteckrohren. Die sichtbare Spannungserhöhung soll detaillierter bewer-tet werden. Aufgrund der groben Vernetzung ist eine Spannungsbewertung nicht möglich. Für diesen Bereich wird zur detaillier-ten Bewertung ein Submodell mithilfe des CAE Simcenter Submodeling erstellt.
Links: Schweiß-Baugruppe mit grober Vernetzung, rechts:Detail der Spannungskonzentration in der Schweiß-Baugruppe
Dialog zur Erzeugung des Submodells
Ein Dialog unterstützt bei der geometrischen Erzeugung des Submodells. Mithilfe von Schnittkörpern wird der zu untersuchende Bereich erstellt. Das Bild oben rechts zeigt einen Quader, der mit den Rechteckprofilen verschnitten wird. Die untere Abbildung zeigt das Resultat der Boolschen Operation. Das Tool hat die Zuweisung der Berandungsflächen übernom-men und die Flächen farblich markiert.
Fertig generierte Geometrie für das Submodell, inklusive der geometrischen Details und Zuweisung der Berandungsflächen
Im nächsten Schritt wird das Bauteil vollautomatisch vernetzt und die Verschiebungsergebnisse des groben Modells auf die Schnitt-flächen interpoliert. Die folgende Abbildung zeigt das vernetzte Submodell, der Bereich der Schweißnaht ist besonders fein vernetzt. Nun kann das Modell gerechnet werden.
Links: Netz des Submodells, rechts: Detaillierte Ansicht des Netzes im Submodell, feine Vernetzung der Schweißnaht und am Übergang der Schweißnaht zum Bauteil
Fazit:
Im Vergleich zur herkömmlichen Neuberechnung grob vernetzter Strukturen lassen sich mithilfe der Submodelltechnik erhebliche Rechenzeiten sparen.
Durch den Einsatz des Tools „CAE Simcenter Submodeling“ lassen sich Submodelle innerhalb von Sekunden aufbauen und rechnen. Die programmierten Routinen übernehmen dabei die fehleranfälligen und zeitaufwendigen Prozessschritte, wie die Geometrieerstel-lung des Submodells und das Übertragen der Verschiebungsrandbedingungen.
Somit ist eine präzise Aussage der Berechnungsergebnisse, die sonst viele Stunden Wartezeit in Anspruch genommen hat, innerhalb von wenigen Minuten möglich.
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