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Hallo zusammen,

ein Kommilitone und ich versuchen derzeit die Deformation eines einseitig fest eingespannten Balkens mit ANSYS und Nastran (FEMAP) zu ermitteln. Der Balken besitzt ein nicht-lineares Materialmodell (konkret: Multilinear isotropic hardening) und wird auf der der EInspannung gegenüberliegenden Seite mit einer Last beaufschlagt. 

Bei gleichen Randbedingungen und (nahezu) gleichem Netz kommt es bei großen Deformationen zu teils hohen Abweichungen bei der maximalen Deformation zwischen ANSYS und FEMAP (Größenordnung Faktor 2). Da wir inzwischen fast alle anderen Fehlerursachen ausschließen konnten, vermuten wie die Ursache der großen Abweichungen bei der Defintion des Materialgesetzes.

Ich wollte mich aus diesem Grund noch einmal vergewissern, dass ich beim Multilinear Isotropic Hardening Modell die WAHREN Spannungen und Dehnungen eingeben muss, korrekt? Die FEMAP-Hilfe gibt nämlich an, dass dort die Spannungen / Dehnungen gemäß der Ingenieurs-Defintion einzugeben sind.

Grundlage unseres Materials sind experimentell ermittelte Messwerte (Ingenieursspannung / -dehnung), die ich in ANSYS dann in die wahren Spannungen / Dehnung umgerechnet habe, mein Kommilitone hingegen direkt in FEMAP implementiert hat.

Falls jemand hier ist der Erfahrungen mit beiden Programmen hat wäre das natürlich richtig klasse, ansonsten freue ich mich natürlich auch über alle anderen Kommentare!

Viele Grüße
Phil

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Spannung ist mehr oder weniger Kraft durch Fläche. In nichtlinearen Berechnungen die "Fläche" ändert sich je nach Deformation. ZB beim Zugversuch wird die effektive Fläche kleiner.

Wahre Spannung ist Kraft durch momentane Fläche. Ingenieurspannung wäre wohl Kraft durch Ausgangsfläche.

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Grüße, Moe

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Danke für die Definition von wahrer Spannung und Ingenieur-Spannung, leider beantwortet dies nicht meine ursprüngliche Fragestellung.

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Hi Phil
Simulier doch einfach einen einfachen Zugversuch (z.B. Rechteck Stab A=1cm²)  mit deinen Materialdefinitionen und dann vergleich die Ergebnisse.
Das ist doch schnell gemacht....
Gruß
Bo

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Dem Ingenieur ist nichts zu schwere -
Er lacht und spricht: "Wenn dieses nicht, so geht doch das!
Er überbrückt die Flüsse und die Meere,
Die Berge unverfroren zu durchbohren ist ihm Spass.
Er thürmt die Bogen in die Luft,
Er wühlt als Maulwurf in der Gruft,
Kein Hinderniss ist ihm zu gross -
Er geht drauf los!
...

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Hi Bo,

genau das haben wir ja gemacht, leider weichen die Ergebnisse sehr stark voneinander ab und wir können uns nicht erklären woher die Differenz kommt 

Gruß Phil

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Hi Phil,
ich gehe davon aus, das bis zum Erreichen der Streckgrenze die Werte gleich sind.
Danach sollte der Unterschied mit zunehmender Dehnung größer werden.
Dann einmal die wahre S/D Diagramm hinterlegen und einmal das Ingenieurs Diagramm.
Die Umrechnung mit dem Ln ist ja nicht so kompliziert...
Ich bin mir aber relativ sicher das in der Ansys Hilfe hierzu Angaben gemacht sind.
MMn erwartet Ansys wahre Spannungen als Eingabe.

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Dem Ingenieur ist nichts zu schwere -
Er lacht und spricht: "Wenn dieses nicht, so geht doch das!
Er überbrückt die Flüsse und die Meere,
Die Berge unverfroren zu durchbohren ist ihm Spass.
Er thürmt die Bogen in die Luft,
Er wühlt als Maulwurf in der Gruft,
Kein Hinderniss ist ihm zu gross -
Er geht drauf los!
...

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hi,
ja, es sind wahre Spannungen und Dehnungen einzugeben.
Bei den Dehnungen drauf achten das du hier nur den plastischen Anteil eingibst (elastische Anteile vorher abziehen)

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Hallo zusammen,

danke für die zahlreichen Rückmeldungen! Anbei eine Skizze der Problemstellung:

Es handelt sich um eine Probe mit quadratischem Querschnitt mit der Kantenlänge 10mm und einer Probenlänge von 100mm. Vernetzt ist die Probe mit Hexaeder-Elementen der Kantenlänge 5mm, somit ergibt sich eine Anzahl von 80 Elementen. Die Elemente habe ich durch die punktierten Linien in der Skizze angedeutet.

Auf der oberen Stirnseite wird die Zugprobe fest eingespannt ("Fixed Support"). Die Einspannung ist durch die grüne Fläche in der Zeichnung dargestellt. An der unteren Stirnseite wirkt wahlweise eine Zugkraft in Höhe von 2.000N in Längsrichtung der Probe (in der Zeichnung durch den roten Pfeil symbolisiert) oder eine Schubkraft in Höhe von 60N (in der Zeichnung durch den blauen Pfeil symbolisiert)

Als Material wurde ein bilineares Material mit folgenden Eigenschaften verwendet:

• E-Modul ("Young`s Modulus") = 1.175MPa
  
• Querkontraktionszahl (Poisson`s Ratio") = 0,3
  
• Fließgrenze ("Yield Strength") = 20 MPa
  
• Tangentenmodul ("Tangent Modulus") = 100 MPa
  

In ANSYS habe ich unter "Analysis Settings" die großen Deformationen aktiviert ("Large Deflections" = On). Weiterhin habe ich die Anzahl der Lastschritte auf 2 erhöht. Im ersten Lastschritt (Belastung) wird die Last wie oben definiert aufgebracht (z.B. 2000N in Axialrichtung), im zweiten Lastschritt (Entlastung) wird die Last wieder auf 0N reduziert.

Als Auswerte-Kriterium betrachte ich die Deformationen in Lastrichtung zum Zeitpunkt der Belastung und der Entlastung ("Directional Deformation" zum Zeitschritt 1 und 2). Nachfolgend nun die Ergebnisse:

Lastfall Zug:

Deformation bei Belastung: 1,960 mm (ANSYS)
Deformation bei Entlastung: 0,224 mm (ANSYS)
Deformation bei Belastung: 1,961 mm (FEMAP / Nastran)
Deformation bei Entlastung: 0,225 mm (FEMAP / Nastran)

Zu sehen ist, dass die Ergebnisse in diesem Fall quasi identisch sind.

Lastfall Schub:

Deformation bei Belastung: 27,703 mm (ANSYS)
Deformation bei Entlastung: 8,534 mm (ANSYS)
Deformation bei Belastung: 26,130 mm (FEMAP / Nastran)
Deformation bei Entlastung: 6,810 mm (FEMAP / Nastran)

Kommt es bereits bei der Belastung zu Abweichungen, sind die Unterschiede nach der Belastung (= Entlastung) deutlich!

Diese Abweichungen können wir uns nicht erklären und freuen uns über eure Anmerkungen!

Schöne Grüße
Phil

[Diese Nachricht wurde von Phil Unglert am 30. Apr. 2016 editiert.]

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Hmmm, interessant...
Ich habe mir überlegt, dass es vielleicht auch an der Last liegen kann. Da die Verformungen ja schon durchaus groß sind, stellt sich die Frage ob die Last der Verformung folgt oder nicht.
Wenn Du in Mechanical eine Kraft definierst, wird daraus intern ein SFE-Command (APDL). D.h. die Kraft wird in einen Druck umgerechnet, der Druck folgt der verformten Geometrie. Anders müsste es sein, wenn man eine "Nodal-Force" definiert.
Wie sich das bei Nastran verhält kann ich nicht sagen, aber vielleicht hilft ja der Hinweis.

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Viele Grüße von
Deepblue          

PS: War meine Antwort hilfreich? Dann freu ich mich über Unities  

[Diese Nachricht wurde von deepblue am 29. Apr. 2016 editiert.]

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Hallo zusammen,

Danke für deine Anmerkung deepblue! Bei meiner Recherche habe ich hier eine gute Abbildung zum Thema große Deformationen gefunden.

Meinem Verständnis nach führt doch die Aktivierung der großen Deformationen in ANSYS ("Large Deflections" = ON) dazu, dass die Last wie im unteren Bild dargestellt aufgebracht wird, die Last folgt also der Verformung. Übertrtagen auf mein Problem ergibt sich:

Lastfall Schub, "Large Deflection = ON:

• Deformation bei Belastung: 27,703 mm (ANSYS)
  
• Deformation bei Entlastung: 8,534 mm (ANSYS)
  

Lastfall Schub, "Large Deflection = OFF:

• Deformation bei Belastung: 32,344 mm (ANSYS)
  
• Deformation bei Entlastung: 11,995 mm (ANSYS)
  

Die oben aufgeführten Ergebnisse decken sich mit meinem Verständnis, dass bei geometrisch linearer Berechnung (d.h. "Large Deflection = OFF") die Deformationen zu hoch berechnet werden. Ich verstehe allerdings nicht, warum die mit FEMAP / Nastran ermittelten Ergebnise (bei deren Ermittlung große Deformationen ja ebenfalls aktiviert waren!) betragsmäßig so weit von den mit ANSYS ermittelten Ergebnisse entfernt liegen.

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Hallo Phil,
alleine der Schalter für die großen Verformungen ist hier nicht aussagekräftig!
Es ist wichtig wie die Last definiert wird. Mit einer Nodal-Force bekommst Du in ANSYS andere Ergebnisse, als mit einem Druck (trotz NL=On). Das liegt daran, dass eine Nodal-Force immer über das Knotenkoordinatensystem definiert wird, welches der Verformung nicht folgt. Der Druck dagegen folgt immer der Geometrie.
Entscheidend ist dann, wie das in Nastran im Vergleich zu ANSYS definiert ist.
Wie ich schon gesagt habe, ist es bei Dir in ANSYS wahrscheinlich so, dass Du eine Kraft auf die Fläche aufgeprägt hast - diese wird immer in einen Druck umgewandelt, welcher der Geometrie folgt. Somit hast Du aus Deinem Link, den zweiten Fall. Aber ist das in Nastran auch so?
Was außerdem zu Abweichungen führen kann, ist die Anzahl der Substeps. Stell doch mal die Schrittweite manuell ein(Analyse Einstellungen) und erhöhe die Anzahl der Rechenschritte. Du wirst feststellen, dass das Ergebnis ab einer bestimmten Schrittweite konvergiert - dies sollte in Nastran auch so sein.

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Viele Grüße von
Deepblue         

PS: War meine Antwort hilfreich? Dann freu ich mich über Unities 

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Soweit mir bekannt wird bei der Umlegung "Force" durch SURF154 in der Workbench "Playstation" keyopt 7 zu eins gesetzt. Also keine Follower Force?

MfG

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Hallo zusammen,

danke Deepblue für die Erklärung! Falls sich auch mal jemand die Frage stellt wie man "Nodal Forces" aufbringt, in diesem Youtube-Video wird es gut erläutert.

Hier nun die Ergebnisse bei Verwendung der "Nodal Forces":

Lastfall Schub, "Large Deflection = ON, Nodal Forces:

• Deformation bei Belastung: 27,722 mm (ANSYS)
  
• Deformation bei Entlastung: 8,5343 mm (ANSYS)
  

Ich erkenn hier keinen wesentlichen Unterschied zum vorherigen Lastfall...

Das mit dem Substeps verstehe ich irgendwie auch nicht wirklich. Ich dachte, dass die Substeps dem Solver "helfen" besser / schneller eine Lösung des iterativen Problems zu finden. So wie ich deinen Kommentar verstehe, hat aber die Wahl der Substeps Einfluss auf die Lösung, ist dies korrekt? Falls ja, nach welchen Gesichtspunkten sollte man denn dann die Anzahl der Substeps definieren?

@ Meijer: Danke für deinen Kommentar, leider kenne ich mich mit ANSYS APDL überhaupt nicht aus, könntest du du mir deshalb deine Anmerkung "übersetzen"    ?

Beste Grüße
Phil

[Diese Nachricht wurde von Phil Unglert am 02. Mai. 2016 editiert.]

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Hallo Phil,
im Grunde stehen hinter allen Mechanical-Befehlen APDL-Kommandos.
Um diese zu sehen, kannst Du mit der rechten Maustaste auf Solution/Lösung klicken und "Open Solver Files Directory" wählen. Dort öffnest du die "ds.dat" mit einem Editor, dann siehst Du die APDL-Kommandos die vom Solver gelöst wurden.
Meijer hat insofern Recht, dass dort wo Du die Last aufbringst, Flächenelemente erzeugt werden (Surf154 - kannst du auch in der Hilfe suchen) im APDL steht dazu:
*********** Define Force Using Surface Effect Elements ***********
und anschließend kommt "et,2,154"
danach folgen die keyoptionen mit:
keyop,2,2,1
keyop,2,7,1
keyop,2,11,2
Das bedeutet das die Keyoption für Elementtyp 2 geändert wird, also Keyoption 2 auf 1, 7 auf 1 und 11 auf 2.
In der Hilfe steht was das bedeutet. Keyoption 7 beduetet z.B. "use original area" - was das mit Follower-Load zu tun hat, versteht ich  nicht.
Da finde ich Keyoption 2 schon interessanter "Apply face loads in local coordinate System"!
Was meinen denn andere dazu?
Zu den Supsteps:
Dort stellst Du ein, wie viele Zwischenschritte ANSYS machen soll, diese müssen dann jeweils ein Konvergenzkriterium erfüllen. Durch die große Verformung ist es klar, dass sich bei einer Follower-Load die Kraftrichtung mit der Verformung ändert, daher sollte man meiner Meinung nach, nicht in nur einem Schritt die Verformungen berechnen.

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Viele Grüße von
Deepblue         

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"Wie ich schon gesagt habe, ist es bei Dir in ANSYS wahrscheinlich so, dass Du eine Kraft auf die Fläche aufgeprägt hast - diese wird immer in einen Druck umgewandelt, welcher der Geometrie folgt. Somit hast Du aus Deinem Link, den zweiten Fall. Aber ist das in Nastran auch so?"

"Keyoption 7 beduetet z.B. "use original area" - was das mit Follower-Load zu tun hat, versteht ich  nicht."

Das bedeutet, dass die Kraft natürlich nicht!! der Verformung folgt...

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Zitat:

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Original erstellt von Meijer:
"Keyoption 7 beduetet z.B. "use original area" - was das mit Follower-Load zu tun hat, versteht ich  nicht."

Das bedeutet, dass die Kraft natürlich nicht!! der Verformung folgt...

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...das hat mich doch etwas verwundert und ich habe einmal mit dem Support telefoniert.
Dort hat man mir gesagt, dass es die Keyoption 2 ist, die dafür verantwortlich ist, ob die Last der Verformung folgt!
Außerdem, dass der Druck nur dann der Verformung folgt, wenn er "Normal To" definiert wird. Dann nämlich wird diese Keyoption auf "0" gesetzt!

Also muss auch ich meine Aussage korrigieren: "dass bei einem Druck die Last immer der Verformung folgt", dies ist nur bei "Normal To" der Fall.
Für das diskutierte Beispiel bedeutet das, dass für alle Rechnungen die Kraft nicht der Verformungen gefolgt ist, was eine Erklärung für die Abweichungen sein kann.
Um eine Last zu erzeugen, die der Verformung folgt, hat ANSYS ein spezielles Element "FOLLW201". Dafür gibt es auch eine ACT-Extension im ANSYS Customerportal (FollowerLoads). Ich habe mich bislang immer gefragt, warum man dafür eine Extension schreibt, jetzt hab auch ich es verstanden 
Alternativ sollte man das gleiche auch mit einen APDL-Snippet erreichen können... (falls kein Zugriff auf das ANSYS-Portal vorhanden ist).
Oder man definiert einen Druck mit per APDL und setzt die Keyoption 2 dort auf "0" (dann gelten die Elementkoordinatensysteme, welche sich mit verformen).

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Viele Grüße von
Deepblue         

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Korrekt, danke für die Nachforschungen!!! Was nicht alles verborgen bleibt in der Workbench...

In der Hilfe steht zu

KEYOPT(7)
Loaded area during large-deflection analyses:

0 --
Use new area

1 --
Use original area

Original Area sorgt dann wohl für konstante Belastung im Falle large deformation...

Nun ist es wohl geklärt :-))

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Vielen Dank euch zwei für die Aufklärung!

@deepblue: Könntest du mir sagen welchen APDL-Command ich wo in der Workbench eingeben muss um die großen Deformationen richtig(!) zu berücksichtigen.

Beste Grüße
Phil

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So, ich nochmal. Ich habe jetzt versucht den APDL-Command in der Workbench-Umgebung einzubauen:

Die Ergebnisse, die ich mit diesem Befehl erhalte, unterscheiden sich betragsmäßig in keinster Weise zu den o.g. Ergebnisse. Ist der Befehl denn richtig angelegt worden von mir?

Beste Grüße
Phil

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hi,
ich würd erstmal das Material Modell prüfen, bevor man sich um die Randbedingungen bemüht.

Welches hast du denn nun eigentlich gewählt ?
Im ersten Post steht

Zitat:

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konkret: Multilinear isotropic hardening

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Später schreibts du

Zitat:

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Als Material wurde ein bilineares Material

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Dann hast du die Materialpaameter ja von Versuchsdaten abgeleitet.
Die sollte man nochmal prüfen. Kannst du die "Rohdaten" mal hochladen ?

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Hallo solve1,

während dieser Thread gewachsen ist, haben mein Kommilitone das Materialmodell von "Multilinear Isotropic Hardening" zu "bi-linear" geändert, da die grundsätzlichen Unterschiede zwischden den ANSYS- und den FEMAP-Ergebnisse bereits bei Verwendung des "einfacheren" bi-linearen Materialmodells auftreten.

Die Materialdaten habe ich genannt:

Zitat:

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Als Material wurde ein bilineares Material mit folgenden Eigenschaften verwendet:

• E-Modul ("Young`s Modulus") = 1.175MPa
  
• Querkontraktionszahl (Poisson`s Ratio") = 0,3
  
• Fließgrenze ("Yield Strength") = 20 MPa
  
• Tangentenmodul ("Tangent Modulus") = 100 MPa
  

---

Ich würde mich sehr freuen, wenn du (oder irgendjemand anderes) mit den o.g. Materialdaten und den Angaben bzgl. Geometrie / Netz die von mir erzielten Ergebnisse überprüfen könnte.

Noch viel wichtiger wäre jedoch, ein Set an Einstellungen (ggf. auch unter Verwendung von APDL-Commands) zu finden, auf dessen Grundlage die Deformation des Balkens "richtig" prognostiziert werden kann  

Viele Grüße
Phil

[Diese Nachricht wurde von Phil Unglert am 04. Mai. 2016 editiert.]

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hi,
ja genau das überprüfen der Materialdaten habe ich vor.
Du hast geschrieben das diese aus Versuchsdaten stammen.
Es wurde also ein Zugversuch (?) durchgeführt, dessen ergebniss ein spannungs-dehnungs-Diagramm ist.

Aus diesen "Rohdaten" wurde dann z.B. das E-Modul abgeleitet sowie das Tangenten Modul, die Fließgrenze u.s.w. sprich die Materialparameter des Materialmodelles.

Ich vermute einen Fehler bei der Ableitung dieser Material-Parameter (E, Et, Re ...). Daher die Frage nach den "Rohdaten" (oder Versuchsdaten). Das sollte sowas wie eine csv Datei sein oder excell o.d.g.

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Hallo,

nein, zu den bilinearen Material gibt es keine realen Messdaten, die Daten habe ich einfach angommen. Mein Kommilitone hat exakt die gleichen Daten in FEMAP verwendet.

Als Ursache für die Abweichungen zwischen ANSYS und FEMAP hatten wir ursprünglich das Material vermutet. Da wir jedoch beide exakt die gleichen Daten verwendet haben schließe ich dies inzwischen aus, die Fehlerursache liegt meiner Meinung nach an anderer Stelle...

[Diese Nachricht wurde von Phil Unglert am 04. Mai. 2016 editiert.]

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