[German Workshop] Step-by-Step (Session 2) - Nichtlineare FE-Analyse einer Flachdichtung


#1

\underline{\textbf{Aufzeichnung des Webinars}}

\underline{\textbf{Einreichen der Hausaufgaben}}

Nutzen Sie zum Einreichen der Hausaufgaben bitte dieses Formular

\underline{\textbf{Einführung}}

Um beispielsweise Leckage zu verhindern, welche die Gesamtperformance in Systemen beeinträchtigen kann, ist es wichtig die richtigen Vorspannungskräfte der Schrauben (in verbrennungsmotorischen Systemen sog. Dehnschrauben), deren Anzahl und viele weitere Parameter zu bestimmen. Diese Design- und Auslegungsparameter sind entscheidend für das Verhalten eines Dichtungskonzeptes und der damit zusammenhängenden Effizienz des Dichtungssystem in Betriebssituationen aber auch worst-case Situationen. Solche Systeme sind beispielsweise das allseits bekannte Zylinderblock-Dichtung-Zylinderkopf-System, welches nach strengen Normen ausgelegt wird und extremen Belastungen standhalten muss.

Kontaktdrücke und deren Verteilung entlang der Dichtung, sowie die auftretenden Spannungen an einem Zylinderkopf unter wechselnden Belastungen werden in der Praxis mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode genauer untersucht. Hierbei können auch thermische Verzüge durch spezielle Randbedingungen entstehen, welche vorher numerisch mit einer Parameterstudie untersucht werden.

Für diesen Workshop kommt die bereits erwähnte Finite-Elemente-Methode zum Einsatz. Für eine kleine historische Einführung in die FEM empfehle ich das folgende Video von Gilbert Strang:


Hier sei auch der Hinweis gegeben, dass das in der Praxis häufig verwendete Verfahren zur Berechnung von Verschraubungen die VDI Richtlinie 2230 ist


\underline{\textbf{Übung}}

Das Ziel dieser Übung wird es sein die Kontaktdrücke und deren Verteilung zu analysieren. Dabei sollen auch verschiedene CAD Modelle zum Einsatz kommen. Sie sollen dabei entscheiden, welches Setup Ihrer Meinung nach die beste Lösung ist und ob mehr Schrauben ein besseres Ergebnis liefern. Kommentieren Sie gerne Ihr eigenes Projekt und lassen Sie uns wissen wie und warum Sie das Setup optimieren würden.

\underline{\textbf{Pre-Processing}}

Die Step-by-Step Anleitung soll exemplarisch das CAD Modell mit sechs Schrauben behandeln. Alle anderen Modelle sind entsprechend anzupassen.

Laden Sie zuerst das Template in Ihren Workspace: FE Analysis Case - Gasket

\underline{\textbf{Meshing}}

Das Meshing oder die sogenannte Grid Generation ist eine diskrete Zerlegung der Geometrie, wie sie bereits im ersten Workshop gelernt haben. Innerhalb dieser Zerlegungen werden Funktionen definiert (sogenannte Ansatzfunktionen), welche die Lösung für dieses Gebiet approximieren. Was es genau mit dieser “Divide and Conquer” Strategie auf sich hat, können Sie hier nachlesen:

The Finite Element Method - Fundamentals - Introduction [1]

Das Mesh hat einen maßgeblichen Einfluss auf folgende Punkte:

  • Konvergenzrate (oder sogar fehlende Konvergenz)

  • Genauigkeit der Lösung (bis zu einem gewissen Grad)

  • Benötigte Rechenzeit (CPU time)


Verbreitete Fehlerquellen in der Finiten-Elemente-Analyse können Sie diesem Blog Post nachlesen:

Errors in FEA and Understanding Singularities (Beginners’ Guide)


Navigieren Sie für das Meshing zu dem Tab Mesh Creator, welcher unterhalb des SimScale Emblems zu finden ist.

Selektieren Sie das CAD Modell mit dem Namen: 1/4 ip67-case-gasket_6Screws

Erstellen Sie eine neue Mesh Operation, indem Sie auf New Mesh klicken.

Im nächsten Schritt erstellen wir ein Mesh Refinement. Das Mesh Refinement hilft uns Regionen dort feiner aufzulösen wo beispielsweise Spannungsgradienten feiner aufgelöst werden sollen. Generell besteht eine strenge Korrelation zwischen Genauigkeit der Ergebnisse und der Feinheit des Netzes.
Für weitere Informationen zu Tet-dominant, besuchen Sie bitte folgende Seite: Tet-Dominant - Applications for the tet-dominant algorithm

Wechseln Sie im Strukturbaum auf Mesh Refinement und klicken Sie auf “+New”.

\underline{\textbf{Mesh Refinement \#1}}

Im Folgenden wählen Sie vom blauen Teil des Gehäuses die im Bild dargestellten Flächen aus. Es sollten in der Summe neun Flächen sein.

Klicken Sie dazu auf die entsprechenden Flächen im Viewport und bestätigen Sie Ihre Auswahl mit “Add Selection From Viewer”.

Die zehnte und letzte Fläche für das erste Refinement befindet sich praktisch auf der gegenüberliegenden Seite, sprich auf dem grünen Teil des Gehäuses. Dazu können Sie im Viewport rechts solid_1 mit einem Klick auf ausblenden und solid_3 einblenden. Von solid_3 wählen sie die in der Abbildung dargestellte Fläche.

Speichern Sie Ihr Refinement mit einem Klick auf .


\underline{\textbf{Mesh Refinement \#2}}

Erstellen Sie ein zweites Mesh Refinement. Die Einstellungen entnehmen Sie der folgenden Abbildung:

Von solid_1 werden die folgenden Flächen ausgewählt und mit Add selection from viewer bestätigt.

Die Flächen der beiden Schrauben (solid_2 & solid_4) sollen für dieses Refinement ebenfalls ausgewählt werden.

Von solid_3 fehlen uns folgende Flächen.

Speichern Sie Ihr Refinement mit einem Klick auf .


\underline{\textbf{Mesh Refinement \#3}}

Das letzte Refinement ist für die Dichtung bestimmt. Folgende Einstellungen sind dafür nötig.

Wechseln Sie nun unter Topological Mapping bei Filter for entity types auf Volumes. Wählen Sie solid_0 und speichern Sie die Einstellungen.

Speichern Sie Ihr Refinement mit einem Klick auf .

\underline{\textbf{Mesh Job}}

Starten Sie das Meshing mit einem Klick auf . Sobald das Mesh fertig ist können wir mit dem Simulation Setup fortfahren.


Warum Sie nicht mit 32 Kernen rechnen sollten ist in dem folgenden Video von uns sehr gut dargestellt:

\underline{\textbf{Processing}}

\underline{\textbf{Simulation Setup}}

Klicken Sie auf “+New” um eine neue Simulation anzulegen. Wählen Sie einen adäquaten Namen für Ihre Simulation.

Nun können Sie wählen welche Art von Simulation Sie durchführen möchten. Für unseren Fall wählen wir Static Analysis - Advanced.

Wichtig: Setzen Sie Nonlinear Analysis auf True!

Mit einem Klick auf Save bestätigen Sie Ihre Auswahl und der Strukturbaum auf der linken Seite wird Ihnen nun mit mehr Optionen angezeigt.

\underline{\textbf{Domain}}

Wechseln Sie auf den Punkt Domain und wählen Sie das entsprechende Mesh aus und bestätigen Sie Ihre Wahl mit einem Klick auf Save.

\underline{\textbf{Topological Entity Sets}}

Im nächsten Schritt definieren wir Sets, um uns das Leben ein wenig leichter zu machen. Stellen Sie sich vor, Sie brauchen immer einen gleichen Set von Flächen und müssen bei jedem Mal die Flächen neu im Viewport auswählen. Das kann auf Dauer sehr ermüdend sein. Genau aus diesem Grund erstellen wir uns in diesem Schritt nun Topological Entity Sets.

Wählen Sie in jedem Schritt die Flächen gemäß den Abbildungen aus und klicken Sie auf “+New from selection” und geben Sie den Namen des Sets ein.

\underline{\textbf{YZ-Symmetrie}}

Es müssen sechs Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{XY-Symmetrie}}

Es müssen drei Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{Base-Bolts-Bonded-Master}}

Es müssen zwei Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{Base-Bolts-Bonded-Slave}}

Es müssen zwei Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{Lid-Base-Sealing-Master}}

Es muss eine Fläche gewählt werden.

\underline{\textbf{Lid-Base-Sealing-Slave}}

Es müssen zwei Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{Base-Gasket-Sealing-Master}}

Es muss eine Fläche gewählt werden.

\underline{\textbf{Base-Gasket-Sealing-Slave}}

Es muss eine Fläche gewählt werden.

\underline{\textbf{Lid-Bolts-Physical-Slave}}

Es müssen zwei Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{Lid-Bolts-Physical-Master}}

Es müssen zwei Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{Lid-Gasket-Sealing-Slave}}

Es müssen sieben Flächen gewählt werden.

\underline{\textbf{Fixation}}

Es muss ein Knoten gewählt werden.


\underline{\textbf{Contacts}}

Um den Kontakt zu definieren, wechseln Sie bitte in den Punkt “Contacts” und erstellen Sie mit einem Klick auf “+New” einen neuen Kontakt.

\underline{\textbf{Erster Kontakt}}

Master Entität: Base-Bolts-Bonded-Master

Slave Entität: Base-Bolts-Bonded-Slave

\underline{\textbf{Zweiter Kontakt}}

Master Entität: Base-Gasket-Sealing-Master

Slave Entität: Base-Gasket-Sealing-Slave

Tipp: Master-Slave Assignments

\underline{\textbf{Physical Contact}}

Wechseln Sie nun zu dem Punkt Physical Contact und adaptieren Sie die Felder.

Erstellen Sie einen neuen Physical Contact mit Klick auf +New.

\underline{\textbf{Erster Physical Contact}}

Master Entität: lid-base-sealing-master

Slave Entität: Lid-Gasket-Sealing-Slave

\underline{\textbf{Zweiter Physical Contact}}

Master Entität: lid-base-sealing-master

Slave Entität: lid-base-sealing-slave

\underline{\textbf{Dritter Physical Contact}}

Im dritten physikalischen Kontakt wird eine zeitabhängige Funktion für die Verschiebung definiert, welche beim letzten Zeitschritt einen Wert von 0.2 Millimeter annimmt. Die Zeitschritte werden ein wenig später definiert.

Master Entität: Lid-Bolts-Physical-Master

Slave Entität: Lid-Bolts-Physical-Slave

Tipp: What is Fictitious Clearance?

\underline{\textbf{Materialdefinition}}

In diesem Abschnitt legen wir die Materialien mit Ihren Eigenschaften fest. Dazu wechseln Sie in den Punkt Materials und drücken den “+New” Button.

Drücken Sie für das erste Material auf “Import from material library” und wählen Sie Aluminium. Bestätigen Sie Ihre Auswahl mit Save.

Wählen Sie die Entitäten "volumeOnGeoVolumes_1 & “volumeOnGeoVolumes_3” aus und speichern Sie Ihre Einstellungen.

Als nächstes erstellen Sie ein neues Material und importieren “Steel” aus der Materialbibliothek. Die Entitäten “volumeOnGeoVolumes_2” & “volumeOnGeoVolumes_4” sind auszuwählen. Speichern Sie erneut Ihre Einstellungen.

Das letzte Material, welches Sie erstellen ist “Rubber” und wird der Entität “volumeOnGeoVolumes_0” zugewiesen. Speichern Sie die Änderungen.

\underline{\textbf{Randbedingungen}}

Wir legen nun die Randbedingungen für unser Modell fest. Gehen Sie dazu auf Boundary Conditions \rightarrow Constraints und erstellen Sie einen neuen Constraint.

\underline{\textbf{Randbedingung \#1}}

\underline{\textbf{Randbedingung \#2}}

\underline{\textbf{Randbedingung \#3}}

\underline{\textbf{Result Control}}

\underline{\textbf{Solution Fields}}

Wir schreiben uns zwei wichtige Variablen zusätzlich zu den bereits vorhandenen Post-Processing Variablen heraus. Diese sind zu erstellen und gemäß den Abbildungen zu benennen beziehungsweise zu adaptieren.

\underline{\textbf{Edge- und Volume Calculation}}

\underline{\textbf{Edge \#1}}

\underline{\textbf{Edge \#2}}

\underline{\textbf{Edge \#3}}

\underline{\textbf{Edge \#4}}

\underline{\textbf{Volume Calculation}}

\underline{\textbf{Numerics}}

Unter diesem Punkt ändern Sie lediglich den Solver auf MUMPS.

\underline{\textbf{Simulation Control}}

Hier ändern Sie Number of computing cores auf 8 und die Maximum runtime [s] auf 14440.

Starten Sie die Simulation, indem Sie einen neuen Simulation Run erstellen.


\underline{\textbf{Post-Processing}}

In der Darstellung der Ergebnisse sollen Sie wie im Webinar vorgehen und einen Schnitt durch das Bauteil legen. Lassen Sie Ihrer Kreativität freien Lauf und erstellen Sie eindrucksvolle Post-Processing Bilder.

Interpretieren Sie des Weiteren auch die Ergebnisse der Edge Calculation, sowie der Volume Calculation.

Dokumentieren Sie all Ihre Ergebnisse mit der Kommentarfunktion.


\underline{\textbf{Besuchen Sie unsere SimWiki mit einem Klick auf das Bild}}


#3

Hallo Jousef,

zwei Geometrien habe ich umgesetzt. Die zweite ist mittlerweile 3mal mit dem Fehler “The solution matrix is not factorizable.” abgebrochen. Das erste Mal nach 3min (–> Symmetrieebenen richtiggestellt), das zweite Mal nach 10min (–> Verschieberichtung der Gummidichtung wurde nun richtiggestellt) und das dritte und vorerst letzte mal erneut nach drei min. Woran kann das jetzt noch liegen?

Anbei der Projektlink: https://www.simscale.com/workbench?publiclink=17ae607f-6800-44ce-a267-76c6fa031ad8

Vielen Dank schon mal für die Unterstützung
Johann


#4

Hallo Jousef,

ich habe scheinbar das gleiche Problem jszegedi.
Dia Simulation mit 6 Schrauben, entsprechend diesem Tutorial funktioniert.
Ich habe dann die Variante mit 2 Schrauben bearbeitet und die Simulation bricht mit Fehlermeldung ab (gestern + heute).
Vielleicht liegt es daran:
In der Version haben manche (alle?) Flächen und Ecken andere Bezeichnungen als bei dem mit 6 Screws.
Im Tutorial sind die Flächen für Lid-Gasket-Sealing-Slave explizit angegeben und funktionieren nicht bei der 2er Version.
Das gleiche Problem besteht bei den 4 Kanten für die Edge Calculation.
Ich habe zwar versucht, die Bezeichnungen selbst zu ermitteln, war aber scheinbar erfolglos.

https://www.simscale.com/workbench?publiclink=9d87f02e-7a6e-44b9-9437-7af5963006f5

Beste Grüße,
Robert


#5

hallo @Leroy!
ich habe mir dein projekt angesehen…
du hast recht, dass die kanten in den anderen modellen nicht mit der schritt-für-schritt anleitung zusammenpassen, aber bis auf die edge “lid far end” (nr. 219 statt 214) hast du meiner meinung nach die richtigen gewählt.

du hast leider komplett übersehen, dass das modell auch anders im koordinaten-system liegt. die z-achse ist bei dem modell die senkrechte! d.h. die symmetrien und edge-calculations müssen auch richtung z korrigiert werden.
ich hoffe, ich konnte weiterhelfen!

alex


#7

Danke für die schnelle Hilfe,
ich habe die gegenüber dem Tutorial anderen Kanten und Flächen (lid far end nr. 219 auf 214, war etwas schwierig zu sehen) und den von mir übersehenen Y-Z Tausch (wie bei allen Varianten, außer der mit 6 Screws) korrigiert.

Ich starte die Simulation erneut…nach 232min bei 60% leider mit Fehlermeldung abgebrochen (Run2).

(die Simulation mit 6 Schrauben, entsprechend demTutorial, funktioniert inklusive post-processing prima)

https://www.simscale.com/workbench?publiclink=34db0b9e-0617-4272-99bb-ae288fa0f2fe

Beste Grüße
ro


#8

Hi @jszegedi & @Leroy !

Danke für eure detaillierte Beschreibung des Problems und danke für deine Hilfe @apils!

Sorry erst einmal für den kleinen Delay der Antwort. Ich sehe mir eure Projekte an und komme auf euch zurück, sobald ich etwas in Erfahrung gebracht habe.

Besten Dank für euer Verständnis.

Jousef


#9

Weiß jemand, wann die Deadline für die Abgabe ist? In der Mail vom 03.07. war vom 30.06. die Rede :joy:


#10

Guten Abend @Pleiades.

Ich kläre das mit @Milad_Mafi ab und werde dann berichten.


#11

Hi @jszegedi & @Leroy!

Mir ist aufgefallen, dass oft der gleiche Fehler gemacht wird. Ihr müsst beachten, dass ihr nicht einfach die Anleitung kopieren dürft, sondern für die anderen Projekte die entsprechenden Flächen/Kanten etc. auswählen sollt, die passen. Da die Modelle nicht gleich sind unterscheiden diese sich in den Nummern der Edges/Faces/Nodes und so weiter.

Ebenfalls ist zu beachten, dass das Koordinatensystem in den Modellen nicht immer identisch ist.

Das ist sozusagen die “Challenge”: Verstehen der Step-by-Step und anwenden auf neue Fragestellungen/Aufgaben.

Ich hoffe, dass das ein wenig hilft und euch die Arbeit nun erleichtert. Falls ihr Feedback habt, weil ihr denkt, dass etwas in der Anleitung fehlt was essentiell ist, so gebt bitte kurz Bescheid.

P.S.: Bin am Wochenende erreichbar, falls etwas sein sollte.

Besten Dank und weiterhin viel Erfolg!

Jousef


#12

Hi Jousef,
bei den Mesh Refinements fehlt seit neustem die Schaltfläche “Add selection from viewer”.
Die war vor ein paar Tagen noch da, ich verwende Firefox, habs aber auch erfolglos mit Edge versucht.

Beste Grüße
lr


#13

Hallo Jousef,

dass die Anleitung nicht 1 zu 1 übertragbar ist, ist mir klar. Darauf sollten meine Anmerkungen "–> Symmetrieebenen richtiggestellt… Verschieberichtung der Gummidichtung wurde nun richtiggestellt " verweisen. Dennoch finde ich den Grund des Simulationsabbruchs nicht. Gibt es irgend ein log-File, worin man als Simscale-Mitarbeiter den Fehler lokalisieren kann?

Danke

Gruß
Johann


#14

Hi @jszegedi,

danke der Nachfrage. Man kann sich die letzten 500 Zeilen des Solver Logs ansehen. Was auch helfen kann ist der Klick auf More Info in dem Simulation Run Event Log (ebenfalls rot umrahmt in der Abbildung).

Ich sehe mir das nachher mal an und gebe dir dann Bescheid.

P.S.: Wenn du mehr Zeilen in dem Solver Log sehen möchtest, so gib diesem Feature Request bitte einen Vote: Enable Viewing the Complete Mesh/Solver Log

Danke und Viele Grüße!

Jousef


#15

Hallo @Leroy,

könntest du bitte mal einen Screenshot davon posten?

Danke dir!

Jousef


#16

Hallo Jousef,
hier der Screenshot.
Gerade im Moment ist auch ein neuer Simulations-Versuch (s2 Run 2) nach 79min abgebrochen.
https://www.simscale.com/workbench?publiclink=8271bc75-a80d-4487-a4c5-3e48e281d7ff

Danke für die Hilfe,
lr


#17

Hallo Jousef,

bin gespannt, was mit der “Add selection from viewer”-Problematik rauskommt. Musste auch feststellen, dass dieser Button nur beim Neuanlegen eines Mesh Refinements angezeigt wird und nicht nach dem Abspeichern und erneutem Bearbeiten des Mesh Refinements, sofern zwischenzeitlich (also zwischen Anlegen und erneutem Editieren eines Mes Refinements) bereits ein Simulationslauf erfolgte. Auch kann man sich die einst ausgewählten Flächen unter “Topological Mapping” nicht mehr im Viewer anzeigen lassen und nachdem die Oberflächenbenennungen im “Topological Mapping” unglücklicherweise zumindest für mich in keinem Zusammenhang mit dem rechts im Sturkturbaum ersichtlichen “faceGroupOnGeoFaces” stehen (Aussage trifft ebenfalls nur zu, sofern ein Simulationslauf bereits erfolgte), ist eine Zurodnung nicht möglich. Wie erlangt man eine entsprechende Zuordnung?
Oder sagt man sich: erfolgt nach einem Simulationslauf die Änderung eines Mesh Refinements, so ist der zuvor vorgenommene Simulationslauf hinfällig und muss erneut ausgeführt werden? Aber selbst in diesem Fall wäre es doch hilfreich, den Aufbau der Mesh Refinements nachträglich überprüfen zu können. Auf das die zuvor erzielten Simulationsergebnisse u.U. hinfällig sind, kann ja hingewiesen werden.

Danke
Gruß
Johann


#18

Hallo Jousef,
soeben ist die Simulation für die 2er Variante nach 64min erfolgreich durchgelaufen!
Ich habe das Mesh nocheinmal neu aufgesetzt, mit einer Kopie der bisherigen Simulation verknüpft und die nötigen Eingaben gemacht.
Ich hoffe, ab jetzt kann ich das ganze reibungslos zu Ende bringen.

Danke für die Hilfe,
beste Grüße
lr


#19

Hi @Leroy!

Das freut mich sehr! Wenn du mit allem fertig bist, sehe ich mir das gerne mal an. Weisst du auch wo dein Fehler lag?

Viele Grüße,

Jousef


#20

Hallo @jszegedi,

folgendes konnte ich in Erfahrung bringen (Props an @rszoeke für die Aufklärung):

Die Netzverfeinerungen werden auf der Geometrie erstellt, nachdem das Meshing dann erfolgreich war, wird im Viewer natürlich das Netz angezeigt wenn man darauf klickt, und nicht die zu Grunde liegende Geometrie (auf der Geoetrie heissen Flächen solid_0_face_0 etc. und auf dem Mesh faceGroupOnGeofaces_0 und so weiter).

Da im Viewer jetzt gar keine Geometrieflächen für des Refinement ausgewählt werden können, wurden auch die dazu gehörigen Buttons deaktiviert bzw. werden erst gar nicht angezeigt.

Eine Alternative wäre: Einfach Rechtsklick auf die Mesh Operation und dann “Delete Result” anklicken. Dann ist das erstellte Netz gelöscht und man kann die Einstellungen verändern und die Buttons sind wieder verfügbar.

Ich hoffe, dass klärt das Ganze ein wenig auf.

Viele Grüße,

Jousef


#21

Hi Jousef,
unterdessen bin ich fertig, ich werde aber noch etwas beim Post-Processing herumprobieren.
Ich habe bei den Mesh Refinements in der ersten Version 2 Flächen “vergessen”, wobei das nach meinem (derzeitigen) Verständniss nur zu einem ungenaueren Ergebniss führen sollte.
Alles andere habe ich (zumindest bewusst) gleich gemacht.

Beste Grüße
lr


#23

Hallo Jousef,

leider hat auch bei mir die Simulation fehlgeschlagen. Ich war lange auf der Siche nach dem Fehler, jedoch leider nicht fündig geworden. ich bitte um Hilfe.
Der Simulation Run Event Log sagt: The solution matrix is not factorizable. This might be caused by an unconstrained rigid body motion or by overconstrained degrees of freedom due to multiple linear relations at at least one node.

https://www.simscale.com/workbench?publiclink=f405ee8f-b3c9-4ea8-9840-92fc7e22304d

Vielen Dank.

Mit besten Grüßen
Andreas