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Christof Gebhardt
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Praxisbuch FEM mit
ANSYS Workbench
Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik
3., aktualisierte Auflage
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den.
ISBN 978-3-446-45001-1
E-Book-ISBN 978-3-446-45740-9
© 2018 Carl Hanser Verlag München
Lektorat: Julia Stepp
Herstellung: Isabell Eschenberg, Christin Jahn
Umschlagkonzept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München
Umschlagrealisation: Stephan Rönigk
Satz: Kösel Media GmbH, Krugzell
Druck und Bindung: CPI books GmbH, Ulm
Printed in Germany
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Inhalt
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XI
1
Vorteile der simulations­getriebenen
Produkt­entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Zahl der Prototypen reduzieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kosten einsparen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Produktinnovationen fördern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Produktverständnis vertiefen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2
Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1
2.2
2.3
Grundlagenkenntnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Organisatorische Unterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geeignete Soft- und Hardware-Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
10
3
Grundlagen der FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.1
3.2
3.3
3.4
Grundidee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Was heißt Konvergenz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Was heißt Divergenz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
25
26
28
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nichtlineares Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrische Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
6
9
13
18
19
20
VI
 Inhalt
4.2
4.3
4.4
Statik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beulen und Knicken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Angeregte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fortgeschrittene modalbasierte Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nichtlineare Dynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Design for Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Betriebsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Weitergehende Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
36
39
39
43
45
53
67
71
79
Temperaturfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektromagnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gekoppelte Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Systemsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
82
83
84
85
88
4.9
Robust-Design-Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
5
Standardisierung und Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
5.1
5.2
5.3
5.4
Generische Lastfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Skriptprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Makrosprache Mechanical APDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
FEM-Simulation mit dem Web-Browser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
103
6
Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
105
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anwenderunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Qualitätssicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Datenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hardware und Organisation der Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109
7
Erster Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115
7.1
7.2
7.3
Analyse definieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Berechnungsmodell und Lastfall definieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ergebnisse erzeugen und prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
4.8.1
4.8.2
4.8.3
4.8.4
4.8.5
99
101
105
107
108
109
118
122
Inhalt
8
8.1
Der Simulationsprozess mit ANSYS Workbench . . . . . . . . .
127
Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
129
132
137
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8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.2
8.3
8.4
Analysearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Technische Daten für Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.4.4
8.5
8.5.2
8.5.3
8.5.4
8.5.5
8.5.6
Die Mechanical-Applikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.1.1 Selektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.1.2 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.1.3 Steuerung der Ansichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrie in der Mechanical-Applikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Virtuelle Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.5.1 Funktionsprinzip von Kontaktelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.5.2 Baugruppen-Handling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.5.3 Kontaktdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.6.1 Adaptive Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.6.2 Manuelle Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.6.3 Kontrolle der Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.6.4 Dünnwandige Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.1
8.6.2
8.6.3
8.7
Modellieren mit dem DesignModeler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Geometrie erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.2.1 Geometrie aufbereiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analysen in 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Balken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.1
8.6
Systeme und Abhängigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CAD-Anbindung und geometrische Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Archivieren von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analyseeinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.2.1 Mechanische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.2.2 Thermische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.2.3 Symmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.2.4 Schrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.2.5 Schweißnähte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definitionen vervielfältigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.1
8.7.2
8.7.3
Solver-Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Konvergenz nichtlinearer Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wenn die Berechnung nicht durchgeführt wird . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139
141
143
143
144
152
158
160
163
164
164
166
166
168
169
171
172
172
173
175
181
182
186
192
196
204
204
206
207
216
218
223
231
233
234
237
238
241
VII
VIII
 Inhalt
8.8
Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spannungen, Dehnungen, Verformungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Darstellung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.2.1 Fokussierung der Ergebnisdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.8.2.2 Animation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Automatische Dokumentation – Web-Report . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reaktionskräfte und -momente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ergebnisbewertung mit Sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
243
243
247
250
253
254
255
257
258
8.9
Lösungskombinationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
259
9
Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
261
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
9.10
9.11
9.12
9.13
9.14
9.15
9.16
9.17
9.18
9.19
9.20
9.21
9.22
9.23
9.24
9.25
9.26
9.27
Biegebalken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Scheibe mit Bohrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameterstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Designstudien, Sensivitäten und Optimierung mit optiSLang . . . . . .
Temperatur und Thermospannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Festigkeit eines Pressenrahmens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
FKM-Nachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Presspassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hertz’sche Pressung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Steifigkeit von Kaufteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Druckmembran mit geometrischer Nichtlinearität . . . . . . . . . . . . . . . .
Elastisch-plastische Belastung einer Siebtrommel . . . . . . . . . . . . . . . .
Bruchmechanik an einer Turbinenschaufel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schraubverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elastomerdichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau und Berechnung eines Composite-Bootsrumpfs . . . . . . . . . . .
Beulen einer Getränkedose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schwingungen an einem Kompressorsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mehrkörpersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Containment-Test einer Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Falltest für eine Hohlkugel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lineare Dynamik einer nichtlinearen Elektronikbaugruppe . . . . . . . .
Kopplung von Strömung und Strukturmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Akustiksimulation für einen Reflexionsschalldämpfer . . . . . . . . . . . . .
Schallabstrahlung eines Eisenbahnrades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrisch-thermisch-mechanischer Mikroantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verhaltensmodell für die Systemsimulation einer Messmaschine . .
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Inhalt
9.28 Topologieoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.29 Lattice-Optimierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.30 Simulation der Additiven Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Konfiguration von ANSYS Workbench. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10.1 Maßeinheiten und Geometriearten festlegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Simulationseinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11
Export von Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
435
11.1 Einbindung von alternativen Solvern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2 Export zu Excel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Vorwort
ANSYS Workbench ist eine der meistverbreiteten Softwarelösungen für strukturmecha­
nische Simulationen, mit deren Hilfe Produkte schneller, zu geringeren Kosten und mit
höherer Qualität auf den Markt gebracht werden können.
Auf Basis von Version 19 vermittelt dieses Praxisbuch die notwendigen Grundlagen, um
mit ANSYS Workbench typische Fragestellungen mithilfe strukturmechanischer Simula­
tionen zu beantworten.
Der grundlegende Aufbau wurde in der vorliegenden dritten Auflage beibehalten. Im ers­
ten Teil (Kapitel 1 bis 6) werden die Grundlagen der verschiedenen Analysemöglichkeiten
dargestellt, im zweiten Teil (Kapitel 7 und 8) werden die wichtigsten Funktionen für die
strukturmechanische FEM-Simulation mit ANSYS erklärt und der dritte Teil (Kapitel 9)
enthält Übungen zu typischen Applikationen.
Unter http://downloads.hanser.de finden Sie die Geometrien und Muster­
lösungen zu den im Buch beschriebenen Übungen.
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In den letzten Jahren sind mir weitere interessante Anwendungsbereiche ans Herz
gewachsen, in die Sie in dieser Auflage durch neu hingekommene Übungen einen Ein­
blick erhalten:
ƒƒ Topologieoptimierung
ƒƒ Lattice-Optimierung
ƒƒ Prozesssimulation für den 3D-Druck
Ich danke allen Lesern für ihre Rückmeldungen zu den ersten beiden Auflagen, meinen
Kollegen bei CADFEM für ihr offenes Ohr bei all meinen Fragen, und vor allem meiner
Frau Gerda für ihre Geduld.
Grafing, im Mai 2018
Christof Gebhardt