Simulation mit ANSYS

205 Pages·2013·7.23 MB·German

Einführung in die lineare
Finite Elemente Methode:
Simulation mit ANSYS
NumerischeSimulationpraxisrelevanterProblememitANSYS
SkriptumzumStudiengangBScBauingenieurwesen
Franz-JosephBarthold,SteffenGerke,NikolaiGerzenundWojciechKijanski
AusgabeSommersemester2013
ˇ-Versionvom10.April2013
NumerischeMethodenundInformationsverarbeitung
FakultätArchitekturundBauingenieurwesen
TechnischeUniversitätDortmund
NumerischeMethodenundInformationsverarbeitung
FakultätArchitekturundBauingenieurwesen
TechnischeUniversitätDortmund
August-Schmidt-Straße8
D-44221Dortmund
Internet:www.bauwesen.tu-dortmund.de/nmi
ProfessorDr.-Ing.habil.Franz-JosephBarthold
E-Mail:[email protected]
Dipl.-Ing.SteffenGerke
E-Mail:[email protected]
Dipl.-Ing.NikolaiGerzen
E-Mail:[email protected]
Dipl.-Ing.WojciechKijanski
E-Mail:[email protected]
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Ohne Genehmigung
der Autoren ist es nicht gestattet, dieses Manuskript ganz oder teilweise auf fotomechanischen Wegen
(Fotokopie,Mikrokopie,Digitalisierung)zuvervielfältigen.
Wer fragt, der lernt – wer lernt, hat Fragen
Fjodor Dostojewski

Autoren und Mitwirkende
Franz-Joseph Barthold ist seit Herbst 2003 Professor an der Fakultät Architektur und Bauingenieur-
wesen der TU Dortmund für das Fachgebiet Numerische Methoden und Informationsverarbeitung
(NMI). Davor war er an der Universität Hannover (Promotion 1993), der TU Braunschweig (Ha-
bilitation2002)undderUniversitätKasseltätig.
Steffen Gerke hatBauingenieurwesenanderTechnischenUniversitätDortmundstudiertundbegleitend
hierzuamLehrstuhlBaumechanik/StatikundimFachgebietNMIalsstudentischeHilfskraftgear-
beitet. Derzeit arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität der Bundeswehr in
München.
Nikolai Gerzen hatanderTUDortmundBauingenieurwesenstudiertundindieserZeitalsstudentische
Hilfskraft am Fachgebiet NMI gearbeitet. Seit 2009 ist er dort als wissenschaftlicher Mitarbeiter
beschäftigt.
Wojciech Kijanski hat Bauingenieurwesen an der TU Dortmund studiert und ist nach einigen Jahren als
studentischeHilfskraftamFachgebietNMIseitJanuar2013dortalswissenschaftlicherMitarbeiter
tätig.

Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ix
Tabellenverzeichnis xiii
Danksagung xvii
Einleitung xix
I Workshop zur Einführung in ANSYS Professional 1
1 Grundlagen von ANSYS 3
1.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 ErsteSchrittemitANSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 HinweisezurHandhabung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Direkte Generierung der Berechnungsmodelle 15
2.1 GrundlagenderdirektenGenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 LineareLösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 BeispielHalbrahmenunterEinzellast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.3 BeispielHalbrahmenunterStreckenlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 VerschiedeneElementtypen,MaterialienundRealConstants . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Parametrisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 ZugscheibeausBimaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3 ScheibemitKragarm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.4 KragarmausBimaterialundFachwerk-Auskragung . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Elementformulierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Cook’sMembrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 Geometriebasierte Generierung der Berechnungsmodelle 31
3.1 GrundlagendergeometriebasiertenoderindirektenGenerierung . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1 Der*get-Befehl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.2 HalbrahmenmitschieferLagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.3 Selektionsbefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.4 ScheibeauszweiMaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.5 StabwerkmodellmitschiefemGelenkundStreckenlast . . . . . . . . . . . . . 40
vi Inhaltsverzeichnis
3.2 BoolescheOperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 PlattemitgeometrischemDefekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 ErzeugungvierseitigberandeterFlächenbeimL-Profil . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 ScheibemitLoch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 RegelmäßigeVernetzungvonFlächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 DasVernetzeneinesDreiecks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.2 VernetzungvonzweisichüberlappendenRechtecken . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.3 VernetzungeinerScheibemitLoch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Elemente der Programmierung in APDL 51
4.1 Schreibbefehle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 HalbrahmenmitunterschiedlichenGelenken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 DirekteGenerierungeiner1D-StrukturüberSchleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 DirekteGenerierungeiner2D-StrukturmittelsverschachtelterSchleifen . . . . . . . . 57
5 Hinweise zur Modellbildung 59
5.1 ModellierungmitVolumenelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.1 Arbeitsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.2 WärmeleitungamBeispieleinerBalkonplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.3 ModellierungeinesRahmensmit3D-Elementen . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2.1 KragarmeinesL-ProfilsmitVolumenelementenundBalkenelementen . . . . . 64
5.2.2 KragarmmitveränderlicherHöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3 EinführungGeneralPostprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6 Übungsaufgaben zum Selbststudium 71
6.1 ElastischeBettungmitFedern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1.1 ÜbersichtsbeispielmitdirekterGenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1.2 VerschachtelteSchleifenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.1.3 ParameterstudieaneinemStreifenfundament . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.2 EinflüssederLagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3 WeitereEinflüssederLagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4 Lastaufbringung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.5 ÖffnungeninScheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7 Aufbau der Studienleistung 89
II Fortgeschrittene Anwendung von ANSYS 91
8 Weiterführende Beispiele aus dem Bauwesen 93
8.1 ThermischeSimulationvonBauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.1.1 2D-ModellierungeinerGebäudeecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.1.2 2D-ModellierungeinerMetallständerwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
ˇ-Version vom 10. April 2013 Einführung in die lineare FEM: Simulation mit ANSYS
Inhaltsverzeichnis vii
8.2 StabilitätsproblemeimStahlbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2.1 Knickberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2.2 Biegedrillknicken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.2.3 Beulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.3 Strukturdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.3.1 Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.3.2 TransienteAnlyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.3.3 Frequenzganganalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9 Ausblick auf nichtlineare Problemstellungen 139
9.1 GeometrischeNichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.2 PhysikalischeNichtlinearität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.3 Kontaktprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.3.1 Streckziehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.3.2 Druckprobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.3.3 Bolzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.4 Strukturoptimierung(FormoptimierungundTopologieoptimierung) . . . . . . . . . . 154
9.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9.4.2 Formoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.4.3 Topologieoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
10 Ergänzende Hinweise zur Modellierung mit ANSYS 173
10.1 KillandreanimateElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
10.2 P-Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11 Workbench 177
Literatur 181
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