Festkörpermechanik

Das Interface Solid Mechanics kann für die Modellierung in vollständigem 3D, 2D (ebener Spannungszustand, ebener Dehnungszustand und verallgemeinerter ebener Dehnungszustand), 2D-Achsensymmetrie, 1D (ebener Spannungszustand oder ebener Dehnungszustand in transversen Richtungen) und 1D-Achsensymmetrie verwendet werden. Das Interface bietet den allgemeinsten Ansatz für die Analyse von Festkörperstrukturen mit integrierten Multiphysik-Kopplungen. Seine Vielzahl von Materialmodellen ermöglicht es, festkörpermechanisches Problem genau zu beschreiben, und es ist einfach, diese Funktionen durch gleichungsbasierte Modellierung zu erweitern. Nutzer können selbst Materialeigenschaften mit konstanten, räumlich variierenden, anisotropen oder nichtlinearen Ausdrücken, Referenztabellen oder Kombinationen aus diesen definieren. Elemente können auf der Grundlage von benutzerdefinierten Ausdrücken aktiviert und deaktiviert werden. Außerdem ist es möglich, inneren oder äußeren Oberflächen Materialmodelle zuzuweisen. Mit dieser Funktionalität können zum Beispiel Klebeschichten, Dichtungen, Bruchzonen oder Verkleidungen modelliert werden.

Schalen und Membranen

Für dünne Strukturen kann die Verwendung von Schalen- (3D, 2D-Achsensymmetrie) und Plattenelementen (2D) sehr effizient sein. Die Formulierungen ermöglichen die für die Modellierung dicker Schalen erforderlichen transversalen Scherverformungen. Sie können einen Versatz in der Richtung normal zu einer ausgewählten Oberfläche vorgeben, was die Modellierung vereinfacht, wenn Sie mit einer vollständigen 3D-Darstellung der Geometrie arbeiten. Die Ergebnisse von Schalenelementanalysen können als Vollkörperdarstellung präsentiert werden.

Sehr dünne Strukturen, wie z. B. dünne Folien und Gewebe, erfordern eine Formulierung ohne Biegesteifigkeit. Dies ist mit dem Interface Membrane möglich, in dem gekrümmte, ebene Spannungselemente in 3D- oder 2D-Achsensymmetrie verwendet werden, um Verschiebungen in der Ebene und aus der Ebene heraus zu berechnen, einschließlich der Auswirkungen der Faltenbildung. Bei der Untersuchung dieser Art von Strukturen wird die Möglichkeit, von einem vorgespannten Zustand auszugehen, ausgiebig genutzt. Für Membranen, die nicht vorgespannt sind, ist eine automatische Stabilisierung verfügbar.

Elastische Wellen

Modellieren Sie die Ausbreitung elastischer Wellen in isotropen, orthotropen, anisotropen und piezoelektrischen Festkörpern für einzel- oder multiphysikalische Anwendungen, wie z. B. Schwingungskontrolle, zerstörungsfreie Prüfung oder mechanisches Feedback. Die Anwendungsbereiche reichen von mikromechanischen Problemen bis hin zur Ausbreitung von seismischen Wellen.

Mit dem Interface Solid Mechanics können elastische Wellen analysiert werden, einschließlich der Auswirkungen von Druck- und Scherwellen. Mechanische Portbedingungen können verwendet werden, um sich ausbreitende Moden in Wellenleiterstrukturen anzuregen und zu absorbieren und eine Streumatrix einer Komponente zu berechnen. Absorbierende Randbedingungen und Perfectly Matched Layers (PMLs) ermöglichen eine effiziente Modellierung unbegrenzter Gebiete.

Das Interface Elastic Waves, Time Explicit kann zur Berechnung der transienten Ausbreitung linearer elastischer Wellen über große Gebiete mit vielen Wellenlängen verwendet werden. Es verwendet eine zeitabhängige dG-FEM-Methode höherer Ordnung. Das Interface ist multiphysikalisch und kann nahtlos mit Fluidgebieten gekoppelt werden.

Materialmodelle

Das Structural Mechanics Module bietet lineare elastische, viskoelastische und piezoelektrische Materialmodelle, aber Sie können auch auf eine breite Palette nichtlinearer Materialmodelle, einschließlich hyperelastischer und elastoplastischer, zugreifen, indem Sie das Nonlinear Structural Materials Module oder Geomechanics Module hinzufügen.

Darüber hinaus gibt es viele Möglichkeiten, die vorhandenen Materialmodelle zu erweitern oder eigene Modelle zu erstellen. Geben Sie Ausdrücke, die von Spannung, Dehnung, Raumkoordinaten, Zeit oder Feldgrößen aus anderen physikalischen Interfaces abhängen, direkt in das Eingabefeld für eine Materialeigenschaft ein. Bei Analysen im Frequenzbereich können Sie komplexwertige Ausdrücke eingeben. Sie können zum Beispiel benutzerdefinierte Differentialgleichungen hinzufügen, um inelastische Dehnungsbeiträge bereitzustellen.

Die Materialmodelle können thermische Ausdehnung, hygroskopische Schwellung, Anfangsspannungen und -dehnungen sowie verschiedene Arten von Dämpfung berücksichtigen. Die Materialeigenschaften können isotrop, orthotrop oder vollständig anisotrop sein. Sie können Ihr eigenes Materialmodell einfügen, indem Sie externe, in der Programmiersprache C implementierte Funktionen bereitstellen.

Lasten und Nebenbedingungen

Das Structural Mechanics Module bietet Ihnen eine Vielzahl von verschiedenen Lasten und Nebenbedingungen, die eine realitätsnahe Modellierung ermöglichen. Sie können verteilte Lasten auf Gebieten, Rändern und Kanten, sowie einer Verformung folgende Lasten und bewegte Lasten definieren. Darüber hinaus ist es möglich eine Gesamtkraft anzugeben, die Schwerkraft oder zusätzliche Masse, sowie rotierende Rahmen mit Zentrifugal-, Coriolis- und Euler-Kräften zu berücksichtigen.

Zur eindeutigen Definition des Modells stehen Federn und Dämpfer sowie vorgegebene Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zur Verfügung. Periodische Randbedingungen, schwach reflektierende Ränder, perfekt absorbierende Schichten (PMLs) und infinite Elemente helfen bei der Reduzierung der Modellgröße für eine effiziente Modellierung.

Dynamik und Schwingungen

Das Structural Mechanics Module umfasst sowohl transiente als auch Analysen im Frequenzbereich. Die Analyse im Frequenzbereich umfasst Eigenfrequenz-, gedämpfte Eigenfrequenz- und Frequenzsweep-Analysen. Darüber hinaus sind spezielle Studientypen für die Analyse von zufälligen Vibrationen und Antwortspektren verfügbar. Die Analyse zufälliger Vibrationen ermöglicht Eingaben auf der Grundlage der Leistungsspektraldichte (PSD) als Funktion der Frequenz, einschließlich unkorrelierter und vollständig korrelierter Lasten. Ein typisches Beispiel ist die Analyse der Windlast auf einen Turm. Die Antwortspektrumsanalyse wird als effiziente Methode zur Bestimmung der Strukturreaktion auf kurze, nicht-deterministische Ereignisse wie Erdbeben und Erschütterungen eingesetzt.

Bei der Component Mode Synthesis (CMS), auch bekannt als dynamische Substrukturierung, werden lineare Komponenten mithilfe der Craig-Bampton-Methode auf recheneffiziente Modelle reduzierter Ordnung (reduced-order models, ROM) heruntergebrochen. Diese ROM-Komponenten können dann in dynamischen oder stationären Analysen verwendet werden, was die Rechenzeit und den Speicherbedarf verbessert.

Balken, Rohre, Fachwerke und Kabel

Es gibt spezielle Elementtypen für die Modellierung von Balken, die durch ihre Querschnittseigenschaften beschrieben werden. Es sind sowohl Formulierungen für schlanke Balken (Euler-Bernoulli-Theorie) als auch für dicke Balken (Timoshenko-Theorie) verfügbar. Vordefinierte Kopplungen ermöglichen es, Balken mit anderen Elementtypen zu kombinieren, um Bewehrungen für Massiv- und Schalentragwerke zu untersuchen. Eine Bibliothek mit gängigen Querschnittstypen ist ebenso verfügbar wie die Möglichkeit, allgemeine Querschnitte zu modellieren.

Darüber hinaus ermöglicht das Structural Mechanics Module die Modellierung schlanker Strukturen, die nur axiale Kräfte aufnehmen können (Fachwerke und Kabel). Diese Elemente können auch für die Modellierung von Bewehrungen verwendet werden.

Die Strukturanalyse von Rohren ähnelt der von Balken, allerdings kommt ein Innendruck hinzu, der in der Regel erheblich zu den Spannungen in einem Rohr beiträgt. Außerdem treten Temperaturgradienten in der Regel durch die Rohrwand und nicht über den gesamten Querschnitt auf. Die Belastungen durch Innendruck und Widerstandskräfte können direkt aus den Ergebnissen einer Rohrströmungs- und thermischen Analyse mit dem Pipe Flow Module übernommen werden.

Kontakt und Reibung

In mechanischen Simulationen treten häufig Situationen auf, in denen Objekte miteinander in Kontakt kommen. Statische und dynamische Analysen können die Modellierung von Kontakten beinhalten, und die sich berührenden Objekte können beliebig große Relativverschiebungen aufweisen. Zusätzlich können die Auswirkungen von Reibung, sowohl Haften als auch Gleiten, modelliert werden.

Die Funktionalität der Kontaktanalyse umfasst auch die Möglichkeit, Adhäsion und Dekohäsion zwischen sich berührenden Objekten zu definieren und den Materialabtrag durch Verschleiß zu modellieren, wenn die Objekte relativ zueinander gleiten.

Bruchmechanik

Für die Rissmodellierung gibt es mehrere unterschiedliche Ansätze. Ein Riss kann entweder unendlich dünn sein und durch einen einzigen Rand oder durch nicht verbundene Ränder innerhalb der Geometrie dargestellt werden. Ein Riss kann eine beliebige Anzahl von Verzweigungen und entsprechenden Rissfronten haben.

Die Auswirkungen des Rissverschlusses sowie Lasten auf die Rissflächen können berücksichtigt werden. Spannungsintensitätsfaktoren und Energiefreisetzungsraten können in 2D und 3D unter Verwendung von J-Integral- oder virtuellen Rissausdehnungsmethoden berechnet werden.

Durch Hinzufügen des Nonlinear Structural Materials Module oder des Geomechanics Module können Nutzer Schädigung und Rissbildung in spröden Materialien nach verschiedenen Kriterien modellieren.

Technische Features

Das Structural Mechanics Module enthält mehrere bautechnische Features, mit denen Benutzer schneller reale Modelle erstellen können. Zu diesen Features gehören Randbedingungen wie starre Verbinder für die Modellierung starrer Körper und kinematische Beschränkungen, Schrauben mit Vorspannung und Spannungslinearisierung für die Analyse von Druckbehältern sowie:

• Automatische Handhabung von RBE2-Elementen aus dem NASTRAN^®-Import
• Modellierung des Schraubengewindekontakts
• Schweißnahtbewertung
• Vernetzungsunabhängige Punktschweißungen
• Befestigungselemente, z. B. Nieten, zur automatischen Verbindung ausgerichteter Löcher
• Bewertung der Verformung
• Sicherheitsfaktorausdrücke
• Berechnung von Schnittkräften in einem Schnitt durch einen Festkörper
• Überlagerung von Lastfällen
• Berechnung effektiver Materialeigenschaften:
  • Verwendung repräsentativer Volumenelemente (RVEs)