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Videobeispiel für eine geometrisch nicht lineare Studie

Dienstag, 11. März 2014

Nicht jedes Beispiel, das im Lieferumfang von SolidWorks Simulation bzw. Simulation Premium enthalten ist, ist so selbsterklärend oder didaktisch aufbereitet, dass sich dem interessierten Anwender Sinn und Nutzen der vorgestellten Vorgehensweise so ohne weiteres erschließen. Zumindest in meinen Augen ist das so! Wir haben dieses Manko deshalb mal zum Anlass genommen, um ein solches Beispiel im Rahmen eines Videos darzustellen und einige zusätzliche Informationen zu den Eingaben zu machen.

Die Aufgabenstellung mit dem Kunststoffverschluss scheint mir auch nicht schlecht dafür geeignet, um, ergänzend zu den Erläuterungen in einer unserer letzten Beiträge zum Thema linear oder nicht linear,was es mit der sog. Pseudozeit bei nicht linearen Studien auf sich hat.

In vorliegenden Beispiel ist nicht so sehr die Höhe der Materialbeanspruchung das Problem, sondern vielmehr die Relativbewegung der Bauteile untereinander und das zusätzlich auftretende Kontaktproblem. Der eine Hälfte des Verschlusses muss zunächst verschoben werden bis es zum Eingriff kommt und gleitet dann anschließend an der Führungsschiene entlang bis sie schließlich einrastet. Tendenziell eher ein kinematisches Problem, also etwas für Motion. Lieder falsch gedacht, da der Verschlussarm elastisch nach unten gebogen wird. Motion betrachtet aber von Haus aus nur die Kinematik starrer Körper. Zwar können auch Federn und Dämpfer eingebaut werden, aber eigenelastische Bauteile sind nicht zulässig. Standard Simulation mit linearem Ansatz kann aber mit so großen Verfahrwegen nicht umgehen. Hier muss nämlich kontinuierlich die Steifigkeitsmatrix aktualisiert werden, ähnlich wie es bei einem Problem mit einem nicht linearen Materialverhalten ist.
Ein rechentechnisches Dilemma, das geradezu nach einer nicht linearen Umsetzung ruft.

Eine wichtige Anmerkung noch zum Schluss:Das Beispiel ist bei SolidWorks schon sehr lange verfügbar und kann sogar Modell mit allen erforderlichen Eingaben für die FEM Studie geladen werden und ausgeführt werden. Dumm nur, dass zwischenzeitlich die Materialbibliothek geändert wurde. Wenn Sie also die Studie selbst erstellen und alles neu eingeben, kommen Sie zu anderen Ergebnissen, weil die Werte für E-Modul und Fließgrenze mittlerweile geändert wurden. Sie können diese jedoch aus der vorhandenen Studie nicht so einfach übernehmen. Deshalb haben wir das für Sie übernommen und im Video nochmal dargestellt. Also legen Sie zunächst ein benutzerdefiniertes “Acryl” an mit diesen Werten und dann klappt es auch mit den Ergebnissen.

Lineare oder Nicht Lineare Simulation – Das ist hier die Frage

Samstag, 08. Februar 2014

Die Abgrenzung einer linearen von einer nicht linearen Aufgabenstellung ist nicht immer so offensichtlich, wie man vielleicht glauben möchte. Relativ einfach sind die “beiden gewöhnlichen Verdächtigen” abzugrenzen:
Physikalisch Nicht linear: Die Materialeigenschaften gehorchen nicht mehr oder nicht ausschließlich dem Hookeschen Gesetz (z.B. Gummi oder Metall mit einer Beanspruchung jenseits der Fließgrenze).
Geometrisch Nicht Linear: Die Belastung des Materials führt zu extremen Formänderungen, die selbst aber noch elastisch bleiben können (ein sehr dünnes Objekt, das stark durchgebogen wird). Hat man solche Aufgabenstellung vor sich, braucht es ein Programmpaket , das in der Lage ist dies zu handeln, ansonsten riskiert man kapitale Fehler in der Beurteilung.
Eine Unterform der geometrischen Nichtlinearität stellt das Kontaktproblemen dar, bei dem zwei Bauteile nur kräftemäßig dann wechselwirken, wenn sie sich aufeinander zu bewegen, sich also durchdringen würden, aber sich ohne Problem voneinander entfernen Können. Solche Problemstellungen können aber meist auch Programme, die lediglich lineare Aufgabenstellungen lösen können, bearbeiten.

Trotzdem können auch zunächst als rein lineares Problem angesehene Problemstellungen eine Nicht Lineare Anwendung erfordern. Etwa dann, wenn bei mehrachsiger Belastung die tatsächlich Reaktion des Bauteiles von der Reihenfolge der Lastaufbringungen abhängig ist. Ein lineares Programm rechnet immer quasi statisch. Was bedeutet, dass alle Lasten simultan, unendlich langsam und schrittweise nach und nach aufgebracht werden bis die Gesamtlast aufgebracht ist. Es wird zwar nicht so gerechnet, die dahinter liegende mathematische Grundlage geht jedoch davon aus. Da sich bei einer solchen Vorgehensweise alle Lasten überlagern, können sich in ungünstigen Fällen in bestimmten Bauteilbereichen Zug- und Druckbeanspruchungen gegenseitig aufheben. Am Ende steht so eine geringere Materialbeanspruchung an, als es der Wirklichkeit entspricht. Bringt an die Lasten nacheinander auf, kann es nämlich zwischenzeitlich zu einer Überbeanspruchung (z.B. Plastifizierung) gekommen sein.

PseudoZeit1 in

Nicht lineare Programme können damit umgehen, da sie systembedingt die Lasten immer in Teilschritten aufbringen und die jeweilige Bauteilantwort berechnen und das so lange bis die Gesamtlast aufgebracht ist. Gesteuert wird dies unter Verwendung einer sog. “Pseudozeit”, mit deren Hilfe man den “Zeitraum” bis zur Volllast individuell steuern kann. So lassen sich mehrachsige Beanspruchung mit sukzessiver Lastaufbringung genauso gut handhaben wie etwa Be- und Entlastungsvorgängen. Nur so kann man schließlich solcher sein, ob die Materialeigenschaften wirklich immer im linear elastischen Bereich verbleiben.
Sollten Sie bei Ihrer Aufgabenstellung im Zweifel sein oder Unterstützung benötigen, dann schreiben Sie mir eine Nachricht.