Thermische Spannungsanalyse in Abaqus/CAE und fe-safe.
Im ersten Schritt zeige ich Ihnen an einem vereinfachten Beispiel, wie sich statische Lastwechsel mit einer Temperaturanalyse in Abaqus koppeln lassen. Im zweiten Schritt untersuchen wir den Lastschritt mit den variierenden Lasten in einer Ermüdungsanalyse mit fe-safe.
Modellierungsmöglichkeiten einer thermischen Spannungsanalyse.
Je nach gewünschter Detailtiefe und dem Interaktionsgrad zwischen Temperatur- und Strukturfeldern kann eine thermische Spannungsanalyse über unterschiedliche Modellierungsstrategien umgesetzt werden.
Es werden die Knotentemperaturen aus einem Lastschritt Temperatur (PreDefined Field) in eine Festigkeitsanalyse übernommen.
Es wird eine thermische Analyse durchgeführt, die über Zeitkurven gesteuert und berechnet wird. Anschließend werden die Knotentemperaturen in die nichtlineare Festigkeitsanalyse importiert. Dies erfolgt in jedem berechneten Zeitschritt. Die Kopplung erfolgt jedoch immer nur in eine Richtung. Die Festigkeitsanalyse hat keinen Einfluss auf die thermische Analyse.
Die Temperaturrandbedingungen werden zusammen mit den Randbedingungen der Festigkeitsanalyse in einem Berechnungsmodell definiert. Dadurch ist eine direkte Kopplung mit der Temperaturlast möglich. Der Solver löst Verschiebungen und Temperaturen gleichzeitig. Somit kann der komplette Einfluss von Temperatur und Verschiebungen auf die nichtlineare Analyse berücksichtigt werden.
Anwendungsbeispiel für eine vollgekoppelte thermische Spannungsanalyse mit anschließender Ermüdungsanalyse.
Wir untersuchen das Segment eines Druckbehälters auf Lebensdauer. Als Randbedingungen sind die Vorspannkraft der Schrauben sowie der Druck- und Temperaturwechsel zu berücksichtigen. Um den vollen Einfluss der sich ändernden Lasten zu erfassen, wird ein „coupled temp-displacement“ Lastschritt verwendet.
Alle Lastschritte werden als „coupled temp-displacement“ angelegt. Das heißt es wird keine reale Zeit verwendet. Die Zeit dient nur zur Steuerung des Belastungniveaus.
Es wird eine Starttemperatur für das ganze Modell definiert, die den spannungsfreien Zustand definiert.
Druck- und Temperaturrandbedingungen.
Im Außenbereich wird ein Wärmeübergangskoeffizient definiert, der die Luft außerhalb des Behälters abbilden soll.
Im inneren des Behälters wird eine Temperatur auf der Oberfläche definiert, die über Lastschritte verändert wird.
Der Innendruck wird ebenfalls an der Innenseite aufgebraucht und variiert.
Bei mehreren Lastschritten bzw. zeitlichen Änderungen der Lasteinwirkungen macht es Sinn, sich die Maximalwerte über eine Hüllkurvendarstellung anzuzeigen. Es werden die Maximalwerte an den Knoten angezeigt, unabhängig von tatsächlichen Zeitpunkt.
Ermüdungsanalyse-Software: fe-safe.
Die Ermüdungsanalyse wird mit einer Lastsequenz über die variierende Druck- und Temperaturlast ausgeführt. Dafür werden die Spannungen aus der Abaqus Ergebnisdatei importiert. Der Temperatureinfluss ist bereits in den Spannungen enthalten.
Die Lastsequenz wird über das Dataset 19 bis 39 definiert. Es sollen 1.000.000 Wiederholungen untersucht werden. Außerdem wir ein Skalierungsfaktor von 1,2 verwendet, um eine Sicherheit auf der Lastseite zu berücksichtigen.
Das Materialmodell in fe-safe enthält alle wichtigen Materialparameter aus der Festigkeitsanalyse und für den Ermüdungsalgorithmus.
E-Modul 199995, MPa
Poissions Ratio 0,33
Zugfestigkeit 724,0 MPa
0,2 % Dehngrenze 634,3 MPa
Der Geometriebereich um die Schraube wird von der Ermüdungsanalyse ausgeschlossen. Um das zu erreichen, können über den Gruppenmanager nur die Bereiche ausgewählt werden, die von Interesse sind.
Ergebnisse aus fe-safe:
Ermüdungsanalyse und Post‑Processing in einer Oberfläche.
In diesem Blog wurden die Möglichkeiten von Abaqus/CAE bei der Kombination von thermischen Lasten und Ermüdungsanalyse aufgezeigt. Die Vorteile von Abaqus/CAE liegen zum einen in der komfortablen Lizenzierung, da fe-safe bereits enthalten ist. Zum anderen in der komfortablen Benutzung, da das Post-Processing ebenfalls in der Abaqus-Benutzeroberfläche stattfindet. Außerdem bietet fe-safe eine sehr übersichtliche Benutzeroberfläche, in der alle wichtigen Einstellungen leicht zu finden sind.
