{"id":34829,"date":"2024-11-22T10:50:08","date_gmt":"2024-11-22T09:50:08","guid":{"rendered":"https:\/\/www.bechtle-plm.com\/?p=34829"},"modified":"2024-12-16T13:57:27","modified_gmt":"2024-12-16T12:57:27","slug":"cae-modelle-checken","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bechtle-plm.com\/wissen\/magazin\/cae-modelle-checken\/","title":{"rendered":"CAE-Modell checken \u2013 Konvergenzprobleme bei nichtlinearen Modellen verstehen \u2013 mit Eigenfrequenzen Modellierungsfehler finden."},"content":{"rendered":"\n

Kennen Sie das?<\/strong> Sie haben mehr oder weniger m\u00fchevoll Ihre CAD-Daten in ein CAE-Modell z. B. in SIMULIA Abaqus<\/strong> \u00fcberf\u00fchrt, die Geometrie bereinigt, das Modell aufgebaut, vernetzt, Steps und Lastf\u00e4lle definiert usw. und k\u00f6nnen nun endlich Ihre nichtlineare statische Berechnung abschicken \u2013 und dann, kurz nach dem Anlaufen bricht Ihre Berechnung nach einigen erfolgreichen Iterationen ab.<\/p>\n\n\n\n

Also, das ganze CAE-Modell (noch einmal) \u00fcberarbeiten, Materialien, Geometrie, Randbedingungen, Kontakte, Kopplungen usw. kontrollieren \u2013 zur Sicherheit setzen Sie das anf\u00e4ngliche Lastinkrement herunter, und schicken die Rechnung erneut ab. Und, wieder Abbruch infolge von Konvergenzproblemen! Solche \u201eLoops\u201c bis ein Modell endlich durchrechnet, k\u00f6nnen gerade f\u00fcr neue Simulationsingenieur:innen sehr frustrierend sein!<\/p>\n\n\n\n

Nach \u00fcber 15 Jahren Berechnungserfahrung, mit diversen Tools und Solvern habe ich dies gelernt: <\/p>\n\n\n\n

Es ist wesentlich effizienter, ein Modell vor<\/strong> dem Berechnen gr\u00fcndlich<\/strong> zu kontrollieren, d. h. diverse Checks durchzuf\u00fchren – bei komplexen Modellen, lohnt es sich immer lieber einen Tag extra f\u00fcr Checks zu investieren – als im Nachhinein viel mehr Zeit mit der Fehlersuche und diversen Testruns zu verlieren.<\/p>\n\n\n\n

Aus eigener Erfahrung wei\u00df ich sehr gut, wie schwierig es manchmal sein kann, insbesondere in statischen Analysen Konvergenzfehler zu finden. Diese treten beispielsweise auf, wenn sich etwas im Modell noch frei <\/strong>bewegen kann. F\u00fcr den Solver k\u00f6nnte eine \u201efreie Bewegung\u201c allerdings auch nur wenige tausendstel Millimeter gro\u00df sein.<\/p>\n\n\n\n

Ein Beispiel aus meiner eigenen Arbeit.
Automotive: \u201eFreie Kopplung im Fahrzeug-Sitzmodell\u201c. <\/h2>\n\n\n\n

Damals nutzte ich SIMULIA Abaqus<\/strong> als Solver, f\u00fcr ein Fahrzeug-Sitzmodell. Unter einer Vielzahl von starren Kopplungen (Kinematic Coupling), die ich in Abaqus angelegt hatte, war eine nicht korrekt an zwei Seiten, sondern nur einseitig angebunden. W\u00e4hrend der Berechnung konnte diese eine Kopplung also \u201ehin und her wackeln\u201c\u2013 Resultat: das Modell konvergierte zun\u00e4chst scheinbar gut, brach aber dann wegen Konvergenzproblemen immer wieder ab, egal wie klein ich das anf\u00e4ngliche Lastinkrement auch w\u00e4hlte. Die Meldungen im Message-File waren zu diffus, um den Fehler zu finden. Der L\u00f6sung n\u00e4her brachte mich erst eine konsequente Modell-Verkleinerung (Mini-Modell!) und die Eigenfrequenzanalyse.<\/p>\n\n\n\n

Um Konvergenzprobleme bei nichtlinearen statischen Analysen besser zu verstehen, m\u00fcssen wir kurz einmal \u201eback to the roots\u201c \u2013 zur Grundgleichung der statischen FE-Analyse:<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

{F}: alle Knotenlasten und
{u}: alle Knotenverschiebungen in Ihrem CAE-Modell sowie
{K}: die Systemsteifigkeitsmatrix – hier gehen z.B. Geometrie und Material ein <\/p>\n\n\n\n

Wie und wodurch entstehen denn da Konvergenzprobleme?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Es ist so:<\/strong> Die Berechnung muss mindestens mit einem kleinen Teilinkrement der Gesamtlast F <\/strong>konvergieren, also muss f\u00fcr mindestens ein sehr kleines Kraftinkrement, z.B. 0,1 % der Maximallast, die obige Gleichung erf\u00fcllt werden; anders formuliert:<\/p>\n\n\n\n

Es muss immer einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Last (Kraft oder Verschiebung) und Verschiebung geben. Eine \u201efreie bzw. unkontrollierte Bewegung\u201c, sprich Null-Steifigkeit, irgendwo in Ihrem CAE-Modell ist in der Statik nicht erlaubt. <\/p>\n\n\n\n

Bei vielen Stabilit\u00e4tsproblemen (Knicken, Beulen, usw.) kann es schon helfen, anstelle einer Kraft, erstmal eine Verschiebung vorzugeben; auch Federn und zeitweise aktive Randbedingungen, sowie D\u00e4mpfung k\u00f6nnen n\u00fctzlich sein.<\/p>\n\n\n\n

Aber die Frage bleibt: Wie finde ich Stellen im CAE-Modell, die Konvergenzprobleme verursachen?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Bevor ich hier auf die Modalanalyse eingehe, m\u00f6chte ich Ihnen kurz meine bew\u00e4hrte allgemeine Checkliste vorstellen.<\/p>\n\n\n\n

Check 1 \u2013 Geometrie von Parts und Assembly<\/strong>.<\/h4>\n\n\n\n
    \n
  • <\/span>

    Ist die Geometrie korrekt und auch sinnvoll vereinfacht worden? Muss wirklich jeder Radius und jedes Loch berechnet werden? Denken Sie daran, dass Sie pro Radius in der Regel 2 – 3 Elemente f\u00fcr die Vernetzung ben\u00f6tigen, was sich beispielsweise \u00fcber eine Profill\u00e4nge schnell auf \u00fcber 100 Elemente und mehr, nur f\u00fcr diesen einen Radius, aufsummiert. <\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

  • <\/span>

    Mit den M\u00f6glichkeiten der \u201eVirtuellen Topologie\u201c k\u00f6nnen in Abaqus z.B. Teilungslinien f\u00fcr die Vernetzung entfernt werden. <\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

    Check 2 \u2013 Material, Sections, Zuweisung der Sections<\/strong>.<\/h4>\n\n\n\n
      \n
    • <\/span>

      Sind alle Materialien und Sections vollst\u00e4ndig und korrekt definiert und auch der Geometrie richtig zugewiesen?<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

    • <\/span>

      Achten Sie auf die korrekten Einheiten in Ihrem Modell: <\/strong>
      SI-Basiseinheiten, wie z.B. [mm], [s], [t] und davon abgeleitete Einheiten wie Newton [N=t*mm\/s\u00b2] …<\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

      Check 3 \u2013 Vernetzungscheck<\/strong>. <\/h4>\n\n\n\n
        \n
      • <\/span>

        Haben Sie sinnvoll vernetzt; z. B. ausreichend fein in kritischen Bereichen (Einspannquerschnitte …), gr\u00f6ber an der Lasteinleitung? <\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

      • <\/span>

        Sind die Elemente qualitativ gut genug, dass auch verformte Elemente noch akzeptable Ergebnisse liefern k\u00f6nnten?<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

      • <\/span>

        Kontrollieren Sie in jedem Fall \u201eWarnings\u201c und \u201eErrors\u201c.<\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

        Check 4 \u2013 Load-Check: Lasten und Randbedingungen<\/strong> und Steps<\/strong>.<\/h4>\n\n\n\n
          \n
        • <\/span>

          In der Statik darf sich nichts frei bewegen; achten Sie also insbesondere bei den Randbedingungen darauf, alle m\u00f6glichen Bewegungen einzuschr\u00e4nken. Denken Sie dabei nicht nur an Verschiebungen, sondern auch an m\u00f6gliche Rotationen. Merke: im Raum haben Sie allgemein 6 Freiheitsgerade (3 Translationen und 3 Rotationen) und dies gilt f\u00fcr jedes Bauteil in Ihrem Assembly!<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

        • <\/span>

          H\u00e4ufig ist es sinnvoll, mit einer kleinen Testlast anzufangen, z. B. im Step 1 nur \u201eSchwerkraft\u201c.<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

        • <\/span>

          Mit dem Color-Check lassen sich in Abaqus z.B. die Fl\u00e4chen mit einer Randbedingung oder Lastdefinition und vieles mehr farbig anzeigen und einfach visuell checken.<\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

          Check 5 \u2013 Interaktionen<\/strong>, also Kopplungen und Kontakte.<\/h4>\n\n\n\n
            \n
          • <\/span>

            Auch wenn alles gut aussieht, liegen hier in aller Regel die h\u00e4ufigsten Fehlerquellen. <\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

          • <\/span>

            Regel: Abaqus berechnet immer zuerst Kontakt-Konvergenz und erst danach die Gleichgewichtsbedingungen!<\/strong><\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

            Probleme entstehen z. B. durch: <\/strong><\/p>\n\n\n\n

              \n
            • <\/span>

              Doppeldefinitionen<\/strong> = \u201eOver Constraints\u201c<\/em>, d. h. Knoten haben 2 oder mehr Bestimmungen zu \u201egehorchen\u201c, z. B.<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              globalen und lokalen Koordinatendefinitionen<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              Kraft-Kopplung (Distributed Coupling) mit zus\u00e4tzlichen Randbedingungen, z. B. U1 = 0<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              Zwei oder mehr Kopplungen am selben Knoten\u202f <\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              Alles, was ungewollte \u201efreie Bewegungen\u201c in einem Modell erm\u00f6glicht,  z. B.:<\/strong><\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              Der \u201eKlassiker\u201c: Fehlende Lagerungen <\/strong>oder Einspannungen<\/strong><\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              Kontakte<\/em>, die lastfrei nicht geschlossen sind<\/strong>, typisch z. B. ein Scharnier-Pin oder eine Schraube, die Bauteile verbinden, so dass sich Bauteile anfangs im Rahmen des Radialspiels von Pin oder Schraube bewegen k\u00f6nnen.<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              Unvollst\u00e4ndig oder falsch definierte TIE-CONSTRAINTS <\/strong>(= ideale Verklebungen bzw. Verschwei\u00dfungen) <\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

            • <\/span>

              Zwei oder mehr Kopplungen<\/em> am selben<\/em> Knoten<\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

              Tipp.<\/h3>\n\n\n\n

              Bevor Sie das fertige und \u201egr\u00fcndlich durchgecheckte\u201c Modell abschicken, machen Sie bitte erst einmal nur einen Data-Check<\/strong> und kontrollieren Sie gr\u00fcndlich (1) Fehler (ERRORS<\/strong>), (2) Warnungen (WARNINGS<\/strong>) und (3) ERROR\/ WARNING – Sets<\/strong> im Job-Monitor bzw. in der Ergebnisdatei.<\/p>\n\n\n\n

              Check 6 \u2013 DATA-Check (\u2192 *dat)<\/strong>.
              Dieser l\u00e4uft nur durch, wenn Ihr CAE-Modell \u201erechenf\u00e4hig\u201c, d. h. f\u00fcr den Solver vollst\u00e4ndig<\/strong> und eindeutig definiert<\/strong> ist.<\/h4>\n\n\n\n
                \n
              • <\/span>

                Den Data-Check macht Abaqus standardm\u00e4\u00dfig immer vor<\/strong> der eigentlichen Berechnung.<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

              • <\/span>

                Es wird getestet, ob alle f\u00fcr den Solver erforderlichen Modelldaten vorhanden sind, d. h. ob das CAE-Modell vollst\u00e4ndig und eindeutig definiert ist.<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

              • <\/span>

                Was viele nicht wissen, ist, dass Abaqus w\u00e4hrend des Datachecks bereits erste Daten in die Output-Database (*odb) \u2013 also die Ergebnisdatei geschrieben hat, n\u00e4mlich u.a. Geometrie und Fehlersets<\/strong>, die Sie sich \u00fcber die Display-Groups <\/strong>auch anzeigen lassen k\u00f6nnen.<\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

                Achtung.<\/h3>\n\n\n\n

                Ein erfolgreicher Datacheck bedeutet nur<\/strong>, dass ein Modell lauff\u00e4hig ist. Es k\u00f6nnen aber trotzdem noch Fehler im Modell sein, z. B. falsch definierte\/ unzureichende Randbedingungen und Kontakte.
                Nur wie finde ich solche Fehler?<\/strong><\/p>\n\n\n\n

                Anwendungsbeispiel \u201eDruckbeh\u00e4lter\u201c.<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

                Als Beispiel nehmen wir uns einen Druckbeh\u00e4lter aus den SOLIDWORKS Simulation-Schulungen, siehe Abbildung 1.<\/p>\n\n\n\n

                \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                Abbildung 1: CAE-Modell checken – Druckbeh\u00e4lter vernetzt<\/em><\/p>\n\n\n\n

                Bei diesem Beh\u00e4lter sollen f\u00fcr erste Berechnungen alle Bauteile (Rohrflansche, St\u00fctzen usw.) ideal verklebt bzw. verschwei\u00dft, also mit TIE-Constraints angebunden sein. <\/p>\n\n\n\n

                Mit Hilfe einer Modalanalyse, die rein linear ist und daher auch sehr schnell rechnet, k\u00f6nnen Sie \u2013 gerade auch bei fehlerhaften CAE-Modellen (Datacheck muss durchgelaufen sein!) – alle<\/strong> Eigenfrequenzen und damit die Eigen-Bewegungsmoden des Systems<\/strong> sehen \u2013 vor allem auch die unerw\u00fcnschten. <\/p>\n\n\n\n

                F\u00fcr die Modalanalyse m\u00fcssen Sie im Step \u201eLinear Pertubation \/ Frequency\u201c angeben, wie viele Eigenfrequenzen Sie berechnen wollen z.B.: die ersten 10. Beachten Sie: nichtlineare Features werden nicht ber\u00fccksichtigt; kinematische Kopplung oder Tie-Constraints sind erlaubt.<\/p>\n\n\n\n

                Fehlertyp 1. Bauteile, die nicht gelagert, bzw. nicht richtig verbunden sind<\/strong>.<\/h3>\n\n\n\n

                Beim Anzeigen der Eigenfrequenzen fallen sofort die \u201ewegfliegenden Bauteile\u201c, also die nicht angebunden bzw. nicht korrekt gelagerten Bauteile auf, siehe Abbildung 2.<\/p>\n\n\n\n

                \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                Abbildung 2: CAE-Modell checken \u2013<\/em> Fehlertyp 1. Fehlende Lagerung, oder nicht angebundene Bauteile oder Baugruppen.<\/em><\/p>\n\n\n\n

                Nutzen Sie die automatische Kontaktsuche, um alle Kontaktpaarungen zu finden und automatisch Tie-Constraints zu erzeugen: Mit dieser Funktion werden von Abaqus zun\u00e4chst alle Kontaktpaarungen nach voreingestellten Kriterien erkannt und aufgelistet, wobei gleichzeitig Sets bzw. Surfaces angelegt werden; auch die Blechdicken der Schalenbauteile werden ber\u00fccksichtigt: Die gefundenen Kontakt-Paare k\u00f6nnen Sie dann per Selektion und Klick einfach auf Tie-Constraint umstellen.<\/p>\n\n\n\n

                Fehlertyp 2. Fehlende Tie-Constraints zwischen Baugruppen, Lagerung ist korrekt.<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

                Nehmen wir jetzt den schwierigeren Fall, dass Teile zwar korrekt gelagert, aber nicht richtig miteinander verbunden sind, wie hier z.B. die beiden Beh\u00e4lterh\u00e4lften \u2013 deutlich zu erkennen an den farblich verschobenen Bereichen, siehe Abbildung 3.<\/p>\n\n\n\n

                \"Abbildung<\/figure>\n\n\n\n

                Abbildung 3: CAE-Modell checken  \u2013<\/em> Fehlertyp 2. <\/em> Nicht verbundene Beh\u00e4lterh\u00e4lften, korrekte Lagerung.<\/p>\n\n\n\n

                Fehlertyp 3. Falsch definierte Tie-Constraints<\/strong>, z.B. Sets und Surfaces inkorrekt.<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

                Auch der schwierigste Fall wird von der Modalanalyse erfasst: n\u00e4mlich dann, wenn alle Lagerungen und Tie-Constraints vorhanden sind, aber Fehler in der Definition der Tie-Constraints selbst vorliegen, weil z.B. ein Tie-Knotenset nicht komplett ist. An diesen Stellen zeigen sich in der Modalanalyse unerw\u00fcnschte Bewegungsmoden, die sich in den Eigenmoden widerspiegeln.<\/p>\n\n\n\n

                \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                Abbildung 4: CAE-Modell checken <\/em>– Fehlertyp 3. Definition der Tie-Constraints unvollst\u00e4ndig.<\/p>\n\n\n\n

                Diese fehlerhaften Eigenmoden zeigen, dass der Tie-Constraint selbst zwar funktioniert, aber nicht korrekt definiert ist. Bei der Kontrolle des Tie-Knotensets f\u00e4llt auf, dass dieses nur Knoten der oberen Rohrh\u00e4lfte beinhaltet (rote Linie in Abbildung 5\/ rechts), der untere Teil des Rohres konnte sich daher frei verformen, siehe Abbildungen 4 und 5.<\/p>\n\n\n\n

                \"\"<\/figure>\n\n\n\n

                Abbildung 5: CAE-Modell checken <\/em>– Fehlertyp 3. Tie-Constraint im CAE-Modell inkorrekt, Second-Surface-Knotenset im CAE-Modell unvollst\u00e4ndig.<\/p>\n\n\n\n

                Fazit. <\/h3>\n\n\n\n

                Mit der Modalanalyse haben Sie eine robuste Methode und einen schnellen Check, um Modellierungsfehler im CAE-Modell, wie beispielsweise fehlerhafte Lagerungen und nicht<\/strong> oder falsch angebundene Modellbereiche, zu finden und so fehlerhafte Ergebnisse und Konvergenzprobleme effizient zu vermeiden. <\/p>\n\n\n\n

                Zum Schluss noch zwei Tipps:<\/p>\n\n\n\n

                  \n
                • <\/span>

                  Auch bei komplexen Modellen mit sehr vielen Tie-Constraints lassen sich Modellierungsfehler schnell lokalisieren, indem Sie farbige Verschiebungsdarstellungen der Eigenmoden in Kombination mit einer hoch skalierten Verformung nutzen.<\/p><\/span><\/li>\n\n\n\n

                • <\/span>

                  Auch bei dynamischen Modellen, mit implizitem oder explizitem Solver, hilft die Modalanalyse unzureichend oder falsch definierte Tie-Constraints zu finden.<\/p><\/span><\/li>\n<\/ul>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

                  Erfahren Sie, wie Sie Konvergenzprobleme in CAE-Modellen aufsp\u00fcren und Modellierungsfehler durch Eigenfrequenzanalysen beheben. 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