SimScale CAE Forum

[German Workshop] Step-by-Step (Session 1) - Festigkeitsanalyse eines Quadrocopter-Arms


#1

\underline{\textbf{Aufzeichnung des Webinars}}

\underline{\textbf{Einreichen der Hausaufgaben}}

Formular zum Einreichen der Hausaufgabe (Frist: 01. September, 23:59)

\underline{\textbf{Einführung}}

Da unsere Drohne für gewöhnlich aus unterschiedlichen Materialien besteht müssen wir sicherstellen, dass die Teile auch sicher und fest miteinander verbunden sind. In unserem Fall geschieht dies mit Schrauben. Die Verbindung mit der größten Last ist hierbei der Bereich in welchem Drohnenarm und Trägerplatte zusammengehalten werden.

Der entscheidende Faktor für die Stabilität dieser Verbindung ist hierbei die Vorspannung zwischen der Trägerplatte und dem Arm, welche durch das Lösen oder dem Anziehen der Schrauben geregelt werden kann. Die Vereinfachungen, die in diesem Tutorial getroffen werden können einen großen Einfluss auf die Deformation des Arms haben.

\underline{\textbf{Übung}}

Unser Ziel ist es die Deformation des Drohnenarms bei vorgegebener Auftriebskraft zu erhalten. Die eine Seite des Drohnenarmes ist wie bereits erwähnt in der Trägerplatte fixiert und wird durch zwei Schrauben in Position gehalten. Ebenfalls wird der Arm durch die Vorspannung deformiert, welche in diesem Tutorial variiert wird.

Verwenden Sie für dieses Tutorial die folgende Koeffizienten für die Vorspannungen:

  • 5e-5 m

  • 1e-4 m

  • 1.5e-4 m

  • 2e-4 m \rightarrow Hier kann es sein, dass sie den Penalty Koeffizient auf 1e10 reduzieren müssen, falls die Simulation crashed.

Die Implementierung wird während dem Step-by-Step Tutorial näher erläutert.

Sie können ebenfalls geometrische Parameter wie die Dicke des Arms innerhalb von OnShape ändern, um zu sehen wie sich die Spannungen beziehungsweise Deformationen im Post-Processing ändern. Ihnen steht es frei die Parameter nach Lust und Laune zu variieren.

\underline{\textbf{Step-by-Step Anleitung:}}

Für Ihr erstes Tutorial werden Sie einen Link zu der cloud-basierten CAD Plattform OnShape erhalten. OnShape erlaubt es ihr Modell ohne Software und lediglich einer Internetverbindung zu modifizieren, ganz komfortabel über Ihren Browser. Diese Modelle können dann später über ein Plug-In einfach und bequem in SimScale importiert werden. Im Folgenden werde ich Ihnen zeigen wie Sie einen OnShape Account erstellen und mit dem Modell umgehen müssen.

Um das OnShape Modell zu importieren klicken sie auf den folgenden Link: OnShape Modell Import.

(Hinweis: Sie müssen eingeloggt sein, um das Modell bearbeiten bzw. kopieren zu können)

Wenn Sie ein neuer User auf Onshape sind, so besuchen Sie bitte die folgende Seite: www.onshape.com
Erstellen Sie sich einen neuen Account wie im Bild beschrieben:

Im nächsten Schritt wählen Sie nach belieben einen Accounttyp aus, welcher Ihren Anforderungen entspricht und füllen Sie das Anmeldeformular aus:

Nun können Sie sich in Ihren neuen OnShape Account einloggen und wie oben beschrieben den Link nutzen, um das CAD Modell für diese Übung in Ihren Workspace zu laden:

\underline{\textbf{Vorbereitung der Geometrie:}}

  • Sie sollten das folgende Fenster beim Import sehen. Klicken Sie links oben auf Make a copy um eine Kopie des Projektes in Ihrem Workspace zu erstellen.

  • Sobald das Projekt kopiert wurde können sie mit der Modifikation des Modells starten.

  • Um die Abmaße des Arms zu ändern können Sie links auf den Arm Tab klicken.

  • In der linken Spalte finden Sie eine Art CAD Baum. Scrollen Sie ein wenig herunter und suchen Sie nach der ArmThickness Operation. Doppelklicken Sie diese Option und variieren Sie den Parameter im Bereich von 0 bis 0.0008 m.

  • Beachten Sie, dass dies die relative Dicke ist. Die Idee dabei ist den Effekt der Dicke mit den maximalen Spannungen zu korrelieren.

  • Wenn Sie zufrieden mit Ihrem Design sind gehen Sie auf Ihr [SimScale Dashboard] (https://www.simscale.com/dashboard/) und erstellen ein neues Projekt, indem Sie auf New klicken.

  • Klicken Sie innerhalb der Workbench im Mesh Creator dabei auf den Import Button innerhalb der Workbench. Die OnShape connector App erscheint in einem Pop-Up Window. Wählen Sie nun Ihre erzeugte Geometrie aus.

  • Das PlugIn sollte wie folgt aussehen.

Sie sollten eine kurze Bestätigung von dem PlugIn bekommen und können danach den Tab schließen. Sie können dann Ihre Geometrie im Viewer sehen.

\underline{\textbf{Mesh/Netzerstellung}}

\underline{\textbf{Meshing}}

Das Meshing ist eine diskrete Zerlegung der Geometrie in finite Elemente, welche das strukturmechanische Problem beschreiben und auf welchen Approximationsfunktionen eingeführt werden. Dieses Netz wird später benutzt werden, um das Problem zu lösen beziehungsweise die Lösung des Problems zu approximieren. Das Netz hat einen maßgeblichen Einfluss auf folgende Punkte:

  • Genauigkeit der Lösung

  • Benötigte Rechenzeit (CPU time)


Sobald Ihre Geometrie importiert wurde, ist sie bereit für das Meshing. Navigieren Sie hierzu zu dem Tab Mesh Creator, welcher unterhalb des SimScale Emblems zu finden ist. Wählen Sie Ihre Geometrie mit einem Klick aus und drücken Sie auf New.

  • Klicken Sie im Mesh Creator Tab auf die Geometrie, welche Sie vernetzen möchten
  • Klicken Sie auf New Mesh, um ein neues Netz zu erstellen
  • Wählen Sie Tet-dominant und definieren Sie folgende Parameter:
  • Maximum mesh edge length [m]: 0.001
  • Minimal mesh edge length [m]: 0.0006
  • Element order: First order
  • Mesh grading: 3 - Moderate
  • Allow quadrangular surface element: true
  • Number of computing cores: 4
  • Klicken Sie auf Save, um Ihre Einstellungen zu speichern.

Nun haben wir einen Bereich definiert, welcher fein aber nicht zu fein ist für Regionen, in denen wir keine hohen Spannungsgradienten erwarten. Sie sollten im Hinterkopf behalten, dass die Feinheit des Netzes bis zu einem gewissen Grad mit der Genauigkeit der Lösung korreliert (Stichwort: Netzunabhängigkeitsstudie). Es ist dementsprechend wichtig das Netz an den Stellen zu verfeinern wo starke Spannungsgradienten zu erwarten sind. Ebenso ist auf Radien zu achten, bei welchen Spannungskonzentrationen auftreten werden.

Wir werden dementsprechend in den eben genannten, kritischen Bereichen im nächsten Schritt ein sogenanntes Local Refinement (lokale Netzverfeinerung) vornehmen.

  • Klicken Sie dazu auf New in dem Punkt Mesh Refinement und spezifizieren Sie die folgenden Parameter
  • Maximum mesh edge length: 0.0002
  • Minimal mesh edge length: 0.0002
  • Mesh grading: 4 - Fine

Sie sehen, dass einem Klick auf Save der von Ihnen erstellte Punkt noch rot ist. Warum ist das so? Uns fehlen die Bereiche, die wir verfeinern wollen. Dies wird im nächsten Schritt getan.

  • Folgende Dinge sollten Sie für den nächsten Schritt beachten: Stellen Sie sicher, dass Sie im Modus Flächen wählen sind (Hinweis: Manchmal kann es sinnvoll sein den Modus auf “Pick Volumes” zu stellen wenn größere Teile im Weg sind und Sie nicht jede einzelne Fläche einzeln ausblenden möchten). Dies kann oben in der Leiste über dem Viewer eingestellt werden. Flächen werden mit der linken Maustaste ausgewählt. Irrelevante Flächen können Sie ausblenden, indem Sie die rechte Maustaste und auf Hide Assignment klicken. Seit dem neuen Update werden die Flächen automatisch beim Klicken in die Assignment Liste gepackt. Um dies zu unterbinden schalten Sie die Option aus solange sie nicht gebraucht wird.

\rightarrow Denken Sie daran diese wieder anzuschalten, sobald Sie Flächen in Ihr Assignment übernehmen wollen!

  • Jetzt ist unser Netz fertig und kann zur Erstellung losgeschickt werden. Dazu klicken Sie im Baum auf der linken Seite auf Operation_1 und drücken den Start Knopf.

  • Sobald das Netz erstellt wurde, wird im Statusfenster Finished angezeigt. Im Viewer können Sie nun einen Blick auf die Geometrie werfen. Schauen Sie sich auch die verfeinerten Bereiche an und wie diese sich von dem Rest der Geometrie ohne Refinement unterscheiden.

\underline{\textbf{Simulation}}

Klicken Sie im nächsten Schritt auf New Simulation, um eine neue Simulation zu erzeugen. Geben Sie der Simulation einen Namen.

Dies wird eine weitere Spalte in der Mitte erzeugen. Hier können Sie aussuchen, welche Art von Simulation Sie durchführen möchten.

Nach einem Klick auf Save erweitert sich der Baum auf der linken Seite. Wir werden nun nach und nach diese Punkte abarbeiten.

\underline{\textbf{Domäne}}

  • Sie müssen im ersten Schritt definieren, welches Netz verwendet werden soll. Da wir in diesem Fall bis jetzt nur ein Netz erstellt haben, gibt es auch nur eine Domäne. Wählen Sie diese aus und drücken Sie auf Save.

  • Zur einfacheren Handhabung und besseren Übersicht wählen Sie oben im Menü Surfaces aus. Diese Option wird das Netz ausblenden, nich jedoch die Geometrie.

\underline{\textbf{Kontakte}}

Um das kinematische Verhalten der Baugruppe zu beschreiben müssen wir Kontakte definieren.

  • Klicken Sie dazu auf Contacts im Projektbaum und drücken Sie auf New in der mittleren Spalte.

Im nächsten Schritt werden wir zwei Kontakte definieren. Dazu ist es auch wieder nötig Teile im Viewer auszublenden,um die Definition einfacher zu machen.

\underline{\textbf{Kontakt 1}}

  • Type: Bonded Contact
  • Master entity: faceGroupOnGeoFaces_131
  • Slave entity: faceGroupOnGeoFaces_14

\underline{\textbf{Kontakt 2}}

  • Type: Bonded Contact
  • Master entitiy: faceGroupOnGeoFaces_156
  • Slave entity: faceGroupOnGeoFaces_96

\underline{\textbf{Physikalische Kontakte}}

Im nächsten Schritt werden wir Physical Contacts definieren. Im Gegensatz zu den gewöhnlichen Kontakten beschreiben die physikalischen Kontakte die physikalischen Interaktionen zwischen den Teilen. Wir werden diese benutzen, um den Kontakt zwischen dem Schraubenkopf und der Fläche der Trägerplatte zu spezifizieren. Dies hilft uns die Effekte der Vorspannungskräfte der Schrauben zu definieren.

  • Klicken Sie auf Physical Contacts im Projektbaum. Dies öffnet eine neue Spalte in welcher wir zuerst die Global Settings anpassen. Folgende Einstellungen werden vorgenommen:
  • Friction auf Coulomb

  • Newton iteration criterion auf 0.001

Drücken Sie auf Save und danach auf den New Button.

Dies wird einen neuen Eintrag im Projektbaum erzeugen. Folgende Änderungen sollen vorgenommen werden:

  • Ändern Sie den Type auf Friction penalty contact
  • Ändern Sie den Penalty coefficient auf 1e13
  • Ändern Sie den Coulomb coefficient [-] auf 0.3
  • Ändern Sie Add fictitious clearance auf Yes
  • Drücken Sie den Button unter Slave clearance [m]
  • Geben Sie die folgende Formel ein: 0.0002t(t<=1)+0.0002(t>1)*

Diese Formel repräsentiert die Vorspannung der Schrauben, indem die Master und Slave Flächen mit 2e-4 Metern jeweils im ersten Zeitschritt aufeinander bewegt werden bis t = 1. Falls t > 1 ist wird dies konstant gehalten, sodass wir keine Vorspannung in dem Loading Zeitschritt verlieren. Um die Vorspannung zu ändern einfach den Koeffizienten (mit f bezeichnet) in der Formel ändern!

\mathbf{f*t*(t<=1)+f*(t>1)}
  • Spezifizieren Sie die Parameter wie im Bild angegeben. Weisen Sie ebenfalls die korrekten Master und Slave Flächen zu.

Vergessen Sie auch hier nicht auch die Unterseite auszuwählen!

\underline{\textbf{Materialien}}

In diesem Schritt werden wir den Teilen Materialien zuweisen.

  • Klicken Sie dazu auf Material im Projektbaum. Dies öffnet erneut eine Spalte, in welcher Sie die Materialien editieren und erzeugen können. Drücken Sie nun auf New, um ein neues Material zu erzeugen.

Nun können Sie entweder Ihr eigenes Material definieren oder aus der Material Library Materialien auswählen, welche ready-to-use sind.

  • Klicken Sie auf Import from material library und wählen Sie ABS - Acrylonitrile Butadiene Styrene aus. Drücken Sie auf Save

Weisen Sie dieses Material allen Teilen ausser den Schrauben zu und speichern Sie Ihre Einstellungen.

Im nächsten Schritt soll das Material für die Schrauben definiert werden.

  • Fügen Sie ein weiteres Material hinzu, indem Sie auf Materials im Projektbaum drücken und erneut New drücken

Klicken Sie erneut auf Import from material library.

  • Wählen Sie Steel aus der Liste und drücken Sie auf Save. Weisen Sie dieses Material nun den beiden Schrauben zu.

\underline{\textbf{Boundary Conditions}}

Im Anschluss daran können sie die Randbedingungen (englisch: Boundary Conditions) für alle Flächen des Netzes definieren. Klicken Sie dazu auf den Reiter Boundary Conditions in dem Projektbaum. Hier haben Sie eine Übersicht über alle Randbedingungstypen, welche auf das Netz angewandt werden können. In unserem Fall gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Constraint Bedingungen, welche benutzt werden um die Freiheitsgrade (englisch: Degrees of Freedom) zu begrenzen
  • Load Bedingungen, um eine externe Last auf das Modell aufzuprägen

Zuerst werden wir drei Constraintbedingungen für das Modell definieren.

\underline{\textbf{Symmetry}}

Diese Randbedingung wird benötigt, da wir nur ein Viertelmodell der Drohne verwenden. Erzeugen Sie eine neuen Constraint, indem Sie auf New im Constraint Menü gehen.

Der erste Constraint soll folgende Eigenschaften haben:

  • Name: Symmetry
  • Type: Symmetry Plane
  • Dafür bitte alle Flächen entsprechend dem Bild auswählen, welche als Symmetrieflächen fungieren.

\underline{\textbf{Fixierung}}

Wir benutzen im nächsten Schritt die Fixed Boundary Condition, um die Baugruppe in Y-Richtung zu fixieren. Die anderen Richtungen sind nicht zu fixieren, da wir die X- und Z-Richtung bereits mit der Symmetry Randbedingung fixiert haben.

  • Erstellen Sie wieder einen Constraint wie davor.

  • Ändern Sie die folgenden Parameter:

  • Name: Fixed
  • Type: Fixed value
  • x displacement: unconstrained
  • y displacement: prescribed with a value of 0
  • z displacement: unconstrained

Im Gegensatz zu den anderen Randbedingungen werden wir hier nur einen Knoten auswählen. Wechseln Sie dazu im Auswahlmodus auf Assign Nodes über dem Viewport.

\underline{\textbf{Elastischer Support}}

  • Name: ElasticSupport
  • Type: Elastic Support
  • Spring stiffness: Isotropic
  • Stiffness definition: total with the value 50N/m.

Weissen Sie diese Randbedingung der Unterseite der Schrauben zu.

\underline{\textbf{Kräfte}}

In diesem Schritt werden wir den Auftrieb, welcher durch den Propeller am Ende des Arms erzeugt wird in Form einer Randbedingung modellieren. Wir brauchen demnach eine Randbedingung vom Typ Load.

Erzeugen Sie eine neue Randbedingung dieser Art mit einem klick auf New nachdem Sie mit dem Cursor auf Load im Projektbaum gewechselt haben.

  • Ändern Sie hier die folgenden Parameter:
  • Name: Forces
  • Type: Force
  • Klicken Sie den Funktionsknopf unter fy [N].
  • Geben Sie die folgende Formel ein: 3*(t-1)*(t>1)

Diese Formel wird einen Auftrieb von 3N erzeugen und zwar nur wenn t > 1 ist. (t-1) wird verwendet, da wir die volle Last von 3N am Ende möchten (2 Sekunden).

Hinweis: Die Zahl 3 in der Formel ist die Kraft. Bei Änderung einfach diesen Koeffizienten ändern.

  • Weissen Sie diese Randbedingung der im Bild angegebenen Fläche zu

\underline{\textbf{Numerik}}

Der Punkt Numerics im Projektbaum kann übersprungen werden, da die Default Einstellungen für unseren Fall völlig ausreichend sind. Für weitere Informationen finden Sie in unserer Dokumentation genügend Informationen dazu.

Dokumentation: Numerics - Documentation

\underline{\textbf{Simulation Control}}

Drücken Sie im Projektbaum nun auf Simulation Control.

  • Ändern Sie folgende Parameter:
  • Timestep definition: Auto
  • Simulation interval: 2
  • Initial time step lengths: 0.25
  • Number of computing cores: 8 (dies wird die Berechnung ein wenig beschleunigen)

Bitte beachten Sie, dass die statisch, lineare Simulation nicht iterative gelöst werden. Die Simulationszeit in diesem Fall ist eine Art Pseudozeit, welche verwendet wird um die Auftriebskraft peu à peu zu steigern und nicht abrupt wirken zu lassen. Die Berechnung wird dann stoppen, wenn ein bestimmtes Residuum erreicht ist.

\underline{\textbf{Result Control}}

Um sich nicht nur die standardmäßigen Parameter ausgeben zu lassen, können wir uns in Result Control zusätzliche Parameter auswählen, die während der Berechnung mit ausgewertet werden. Bitte beachten Sie hierbei, dass diese nicht nach der Simulation hinzugefügt werden können, sondern a priori definiert werden müssen.

  • Klicken Sie auf Result Control in dem Projektbaum
  • Drücken Sie auf New bei Edge calculation

  • Definieren Sie das Result Control Item wie folgt:
  • Name: Arm
  • Type: average
  • Field selection: displacement
  • Component selection: y displacement
  • Weisen Sie dieser Result Control der äußersten Kante zu.
  • Drücken Sie auf Save

\underline{\textbf{Simulation Runs}}

  • Um die Simulation zu starten wechseln Sie im Projektbaum auf Simulation Runs und klicken Sie auf den New Button. Geben Sie einen Namen ein und bestätigen Sie die Operation. Die Simulation läuft danach autonom und Sie können die restlichen Simulationen erzeugen.

  • Ob Ihre Simulation fertig ist können Sie an der Statusleiste erkennen.

\underline{\textbf{Konvergenzplot}}

\underline{\textbf{Post-Processing}}

Sie werden benachrichtigt, wenn Ihre Simulation durchgelaufen ist. Wechseln Sie für die Auswertung dazu in den Post-Processing Tab in der Leiste.

  • Klicken Sie auf den Post-processing Tab.

Wir werfen als Erstes einen Blick auf die von uns definierten Result Control Items.

  • Öffnen Sie das Edge calculation Item in dem Projektbaum

Dieser Plot zeigt die Verschiebung des Armes über die Zeit. Am Anfang geht der Plot nach unten. Dies ist die Kurve für die Vorspannung. Die Änderung der Verschiebung in die umgekehrte Richtung wird durch den Lift verursacht.

  • Als nächstes werfen wir einen Blick auf die 3D Ergebnisse. Klicken Sie dazu auf Solution Fields im Projektbaum. Nun können Sie Post-Processing Operationen durchführen.

  • Um die Verformung des Armes zu visualisieren, fügen Sie den Wrap By Vector Filter hinzu indem Sie auf Add Filters klicken.

  • Wechseln Sie die betrachtete Größe auf von Mises stress indem Sie oben bei Fields die Feldgröße ändern. Unterdrücken Sie dabei mit einem Klick auf das Auge die ursprüngliche Geometrie.

  • Um den Wertebereich zu ändern und Teile noch deutlicher zu visualisieren wollen, können Sie dies, indem Sie die Scale Option über dem Viewport benutzen.

  • Lassen Sie nun eine Animation laufen, indem Sie auf Time/Frame drücken und dort auf Play.

\underline{\textbf{Hausaufgabe}}

Die Aufgabe für Sie besteht nun darin die Parameter, wie bereits am Anfang des Step-by-Step Tutorials erwähnt wurde, zu variieren und zu jeder Simulation ein Post-Processing Bild zu erstellen. Formulieren Sie am Ende ein kleines Résumé, in dem Sie kurz auf die Probleme, Lösungen und Deformationen per se eingehen.

Ihre Bilder sollten für jede der drei/vier Simulationen in etwa so aussehen:

Plotten Sie ebenfalls in einer Software Ihrer Wahl (MATLAB, Excel, Open Office…) die Verschiebungen aller Projekte:

\underline{\textbf{Ergänzung}}

Sie können die Zusammenfassung unter Ihrem Projekt verfassen. Falls Sie Bilder hinzufügen möchten, können Sie dies indem Sie nach einem Kommentar unter Ihrem Projekt in die Projects Section in unserem Forum wechseln und dort Bilder hochladen.


Viel Erfolg bei der Bearbeitung!


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