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ANSYS-Mechanical_Zylinder-Vernetzung.png Prinzip-Knotenauflosen.png

Guten Tag liebe CAD-Community,

ich simuliere in ANSYS-Mechanical ein elektrisches Strömungsfeld durch einen Zylinder, welchen ich schön symmetrisch vernetzt habe (siehe Bild; das Netz wird für die richtige Berechnung später natürlich noch feiner erzeugt). Jetzt würde ich gerne in dem mittleren Bereich (feiner vernetzt) einen Riss in das Material einbringen. Dazu habe ich mir überlegt, dass ich einzelne Knoten der Vernetzung in diesem Bereich "auflöse" könnte, um so den Riss zu simulieren (Prinzip siehe Bild).
Ist das irgendwie möglich? Oder gibt es für eine Riss-Simulation bessere Methoden?

Über Eure Hilfe wäre ich sehr dankbar  

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Liebe Community,

ich habe bzgl. meines oben formulierten Problems mal ANSYS-Mechanical APDL ausgetestet, da ich dort meiner Meinung nach einzelne Knoten löschen können müsste. Allerdings versage ich schon bei der Auswahl des richtigen "Element Type", damit ich überhaupt einen Strom durch den Zylinder fließen lassen kann.  

Kann mir vielleicht jemand einen Tipp geben? Dafür wäre ich wiklich dankbar!

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Naheliegend ist doch erst einmal das ohne Riss zu untersuchen.
Hat denn das geklappt?
Was soll denn ermittelt werden?
Stromdichte, Potentialverteilung oder?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Stroemungsfeld.pdf

Hier das Trivialbeispiel aus der Literatur

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hallo Herr Schätzing,

erst einmal vielen Dank für die beiden Antworten und vor allem den Literaturtipp, der hat dann doch nochmal ein paar Sachen klarer gemacht.

Die Simulation ohne Riss funktioniert grundsätzlich. Das Netz ist noch unregelmäßig, da ich den Zylinder erst einmal als einen Körper modelliert habe und nicht die Aufteilung vorgenommen habe, die auf dem oberen Bild meines ersten Beitrags zu sehen ist. Dies würde ich aber noch ändern, um ein wirklich symmetrisches Netz zu erhalten.

Es sollen die Potentialdifferenzen an verschiedenen Stellen ausgewertet werden, die sich bei einer Rissbildung lokal erhöhen würden.

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Mit Potentialdifferenzen ist sicherlich die Feldstärke gemeint.

Am einfachsten kann man sich der Problemstellung nähern, wenn man den Riss als dünnes Volumen modelliert und von der Gesamtgeometrie subtrahiert und diese dann mit Tetraedern vernetzt.

Da die Feldstärke an der vorderen Risskante gegen unendlich geht liefert ANSYS dort Feldstärken, die von der Netzdichte abhängen und deshalb nicht aus gewertet werden dürfen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hallo Herr Schätzing,

diese Idee hatte ich auch schon. Das Problem ist aber, dass ich von meinem Betreuer explizit gesagt bekommen habe, es nicht auf diese Weise zu simulieren, sondern durch das Löschen einzelner Knoten (wobei er selber keine Ahnung von dem Programm hat).

Haben Sie ansonsten vielleicht einen Tipp für mich wie ich das Potential/die Feldstärke an expliziten Koordinaten auslesen kann? Habe zwar ein paar Befehle ausprobiert, aber komme noch nicht ganz auf die Lösung.

Vielen Dank schonmal

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Durch das Löschen von Knoten aus einem Netz (wenn es ginge) würde ein geometrischer Spalt entstehen. Dann wäre der Spalt auch mittels Volumen modellierbar.
Das Löschen geht aber nicht, weil die Knoten zu Elementen gehören.

Eine andere Möglichkeit bestünde darin, doppelte Knoten zu generieren (die sich nicht kennen) und zu jeweils einem anderen Volumen gehören.

Der Betrag der Feldstärke an den Knoten lässt mit
plnsol,ef,sum
auslesen.
Beachte die vorige Bemerkung zur Feldstärke an der Rissfront.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Danke schön für die schnelle Antwort.

Wie aufwendig wäre denn die Generierung doppelter Knoten? Bzw. wie würde man dies umsetzen?

Das Auslesen der Feldstärke probiere ich übermorgen mal direkt aus   

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Volumen in der Spaltebene spiegeln
Koinzidente Knoten ohne Spalt selektieren (NSEL,S,LOC...)
Koinzidente Knoten eleminieren (NUMMRG,Node

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Danke POLYSIUS,

das hilft mehr schon sehr weiter. Ich werde mal ein bisschen herumprobieren und dann nochmal Bescheid geben wie es läuft und wo vielleicht noch Probleme sind.

Wünsche jetzt aber erst einmal frohe Weihnachten und einen guten Rutsch in ein hoffentlich besseres 2022!

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riss.txt

Hier eine Anregung nach POLYSIUS.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Danke schön für die hilfreiche Anregung!

Leider stellen sich mir aber noch ein paar Fragen:
1.) Welche Funktion besitzt die Zeile "*abbr,riss,/input,riss,inp"? Mir ist bekannt, dass der Befehl *abbr Abkürzungen definiert, doch diese werden im weiteren Quellcode nicht genutzt. Darüber hinaus erzeugt die Zeile zwar den Button "RISS" in der Toolbar, doch kann dieser aufgrund des Fehlens eines "riss.inp"-Files nicht eingesetzt werden? Was war also mit dieser Zeile beabsichtigt?

2.) Um die Feldstärke an genau definierten Koordinaten auslesen zu können, habe ich an diesen Stellen Keypoints und anschließend Nodes erzeugt (über z.B.: k,1,... & nkpt,1,1). Dann möchte ich die Ergebnisse mittels *get-Befehl ausgeben lassen. Dort bekomme ich allerdings immer die folgende Fehlermeldung:"Requested data is not stored for node...". Wo liegt der Fehler?

[Diese Nachricht wurde von Mav14 am 05. Jan. 2022 editiert.]

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zu 1)
hier muss die riss.txt in riss.inp umbenannt werden oder der input in
*abbr,riss,/input,riss,txt
umgeändert werden.

Das dient dazu, auf einfache Weise den Code neu zu laden.

zu 2) kann ich nichts sagen, da ich mit E-Technik nicht so viel am Hut habe.
Aber hier fehlt es an elementaren Grundlagen! Man kann nicht einfach Keypoints und Nodes hinzufügen und darauf hoffen, dass man hier Ergebnisse findet.
Die relevanten Stellen müssen vorher definiert werden.

[Diese Nachricht wurde von POLYSIUS am 05. Jan. 2022 editiert.]

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Zu 2.):
Inwiefern definiert? Die Stellen liegen auf der Körperoberfläche und sind dementsprechend mit vernetzt. Abhängig von der Netzelementgröße kann es allerdings vorkommen, dass genau auf den gewünschten Koordinaten kein Node liegt, sondern z.B. nur 2mm daneben. Deswegen habe ich die Nodes hinzugefügt, damit ich exakten Ergebnisse an den geforderten Stellen auslesen kann.

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zu 1)
POLYSIUS hat schon geantwortet.
Die Quelltextdatei muss im aktuellen Verzeichnis stehen
oder der Pfad dazu muss als weiterer Parameter in der Anweisung abbr stehen.

zu2)
!----------------------------------
!Feldstärke in der Nähe des Ortes (x1,y1,z1)
x1=breit/2
y1=tief/2
z1=hoch/4
!Knoten in der Nähe des Ortes
knr=node(x1,y1,z1) 
!Element in der Nähe des Knotens
enr=enearn(knr)   

!Feldstärke in eine Tafel
etable,fstaerke,ef,sum
pletab,fstaerke        !Ansicht zur Kontrolle

!Feldstärke am Element enr
*get,feldst,elem,enr,etab,fstaerke

Aber daran denken: nicht in unmittelbarer Nähe der Rissfront auswerten!

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Bild1_Fehlerbild_NegativeJacobi-Matrix.png Bild2a_Fehlerbild_Ursprungsvernetzung.png Bild2b_Fehlerbild_Ursprungsvernetzung.png

Hmm, ok. Wenn es keine andere Möglichkeit gibt, muss ich das wohl so lösen was mich allerdings zu den nächsten Problemen führt...die automatisch erzeugten Knoten, welche ich dann statt meiner selbsterstellten Knoten auswerten muss, dürfen nur um weniger als 1 mm von den vorgegebenen Koordinaten abweichen, ansonsten kann ich die ganze Simualtion nicht verwerten.
Aus diesem Grunde muss ich die Netzdichte derart erhöhen, dass dies gegeben ist. Dabei tauchte allerdings die Fehlermeldung auf, dass die Jacobi-Matrix des Elements XY negativ ist - ist bei der Vernetzung (siehe Bild 1) auch gut vorstellbar. Dies konnte ich noch durch 'MSHMID,2' lösen, wohl wissend, dass dadurch die Lösungsgenauigkeit reduziert wird wenn ich nicht die Netzdichte weiter erhöhe. Allerdings macht ANSYS schon bei einer Netzelementgröße von 0,5 mm sehr komische Sachen beim Ursprung (um diesen wird ja gespiegelt nach der Vernetzung; siehe Bilder 2a und 2b), die in einem Haufen von, für mich nicht nachvollziehbaren, Fehlermeldungen enden. Das zu modellierende Objekt ist ein Zylinder mit den Abmaßen 15*80 mm und wird zwecks symmetrischer Vernetzung in 5 Körper zerlegt (siehe dazu Bild 1 meines ersten Eintrages zu dem hiesigen Thema).

Kann mir irgendjemand erklären, was da bei ANSYS passiert bzw. wie ich das in Griff bekomme? Oder ist mein Vorhaben auf diese Weise mal wieder garnicht möglich?

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Wäre es da nicht sinnvoll mit Tetraedern zu vernetzen?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Das Problem ist, dass Tetraeder zu einem asymmetrischen Netz führen, wodurch ich wieder eine Ungenauigkeit bzw. Schwankung in die Lösung bekomme, die aufgrund der nur sehr kleinen Differenzen zwischen den Messpunkten (hervorgerufen durch den Riss) die Auswertung hinfällig macht.

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Also, die Vernetzung ist ja vollkommen falsch!
Der Zylinder aus dem Start-Thread vom 09.12.2021 zeigt doch eindeutig, dass die Volumen auf der Elementebene nicht verbunden sind.
Das sind aber Basis-Voraussetzungen für das weitere Vorgehen.

Ich würde in 2-D (Mesh200) mit einem Viertelkreis anfangen und außen je nach Aufgabenstellung Kreissegmente hinzufügen. (Wie die Rinde bei einem Baum)
Dann hat man was zum Üben. Wenn das halbwegs gut aussieht mit (ARSYM) das zuvor erzeugte Netz spiegeln. Wahrscheinlich reicht sogar eine Ebene aus.
Zum Schluss mit (VEXT) 1.Richtung (-Z) den  Körper erzeugen. Mit (VEXT) 2.Richtung (+Z) das Modell fertigstellen. 

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Zylinder-Geometrie.png Zylinder-Netz.png Zylinder-Losung.png

Entschuldigung, mein Fehler!

Das Bild aus dem Start-Thread stimmt tatsächlich so nicht mehr bzw. habe ich mich unklar ausgedrückt:
- Der Zylinder ist bei der Geometrie-Erstellung in mehrere Körper unterteilt (siehe Bild 1 "Zylinder-Geometrie")
- Nach der Netzerstellung sind durch Befehle wie NUMMRG,Node allerdings alle Unterkörper auf der Elementebende verbunden (siehe Bild 2 "Zylinder-Netz")
--> Dies zeigt sich auch in der Konsistenz der Lösung (siehe Bild 3 "Zylinder-Lösung"; dort ist auch der Riss zu sehen)

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Beim Betrachten der Vernetzungsbilder vom 7.1. kommt ein ganz schlimmer Verdacht auf.
Wurde denn durchgehend mit einem konsistenten Einheitensystem z.B. m,kg,s,A gearbeitet?
Welchen Durchmesser hat denn der Zylinder?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

[Diese Nachricht wurde von wosch am 08. Jan. 2022 editiert.]

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Ja, darauf habe ich extra geachtet. Ich verwende für mich m,kg,s,A. Dementsprechend ergeben sich für den Zylinder folgende Abmessungen:
- Höhe Zylinder: 80e-3
- Radius Zylinder: 15e-3
- Seitenlänge des Quaders in der Zylindermitte: 2.5e-3
- Risslänge: variabel, aber z.B. 10e-3
- Netzelementgröße: z.B. 1e-3
(- Strom: 1000)

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netz4.jpg

Wenn ein Kreis von 15 mm Radius mit Elementen einer Größe von 1 mm regelmäßig vernetzt wird,
entsteht angehängte Vernetzung und keine solche wie im Beitrag vom 7.1.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Das mag durchaus richtig sein. Da mein Betreuer aber ein komplett symmetrisches Netz fordert, habe ich die Körper aufgeteilt, einzeln vernetzt und anschließend die Knoten gemergt, sodass ein homogenes/konsistentes Netz entsteht(siehe meinen Beitrag vom 08.01. 13:03 Uhr).

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Das Netz aus "Zylinder-Netz.png" ist alles andere als symmetrisch. Symmetrisch wäre es dann, wenn es nur im Mittelpunkt einen zentral zusammenlaufenden Knoten hätte. Dafür ist das Netz aus "Zylinder-Netz.png" aber viel zu fein, denn die zusammenlaufenden Knoten würden kurz vor dem Mittelpunkt zu stark verzerrte Elemente mit einen Seitenverhältnis deutlich größer als fünf und somit einer schlechten Qualität führen.

Das strukturierte Netz von "wosch" hat eindeutig die beste Elementenqualität.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 09. Jan. 2022 editiert.]

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Netz_Kreisvolumen.png

Ok, das wäre zumindest eine Erklärung für die diversen Probleme bezüglich der Netzqualität. Allerdings frage ich mich wie "wosch" die Vernetzung hinbekommen hat? Denn wenn ich ein Kreisvolumen (=Zylinder) vernetze, sieht das so aus wie auf dem beigefügten Bild. Ich weiß, dass bei "wosch" nur von einem Kreis die Rede ist, aber der zu simulierende Körper ist ja ein Zylinder.

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Zitat:

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Allerdings frage ich mich wie "wosch" die Vernetzung hinbekommen hat?

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POLYSIUS hat das doch beschrieben:

Zitat:

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Ich würde in 2-D (Mesh200) mit einem Viertelkreis anfangen
Dann mit (ARSYM) das zuvor erzeugte Netz spiegeln.
Zum Schluss mit (VEXT) 1.Richtung (-Z) den  Körper erzeugen. Mit (VEXT) 2.Richtung (+Z) das Modell fertigstellen.

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Ergänzung: Vier Viertelkreise verkleben und mit Rechtecken vernetzen

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Zylinder_Netz_neuesNetz.png Zylinder_Losung_altesNetz.png Zylinder_Losung_neuesNetz.png

Ok, ich habe jetzt die Vernetzung gemäß "POLYSIUS" und "wosch" erstellt (siehe Bild 1 "Zylinder_Netz_neues Netz"). Der restliche Code wie z.B. die Risserzeugung funktioniert auch weiterhin. Aber: Die Risseinbringung in das Material bewirkt keine Auswirkung bei der Feldstärkenverteilung mehr 

Zum Vergleich:
Bild 2: "Zylinder_Lösung_altes Netz" (Vernetzung wie im Beitrag vom 08.01.2022, 13:03 Uhr)
Bild 3: "Zylinder_Lösung_neues Netz"
[Selbstverständlich sind alle Geometriegrößen (Zylinder, Riss, Netzelemente) bei beiden Bildern identisch]

--> Woran liegt das bzw. wie kann man es ggf. beheben?

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Zylinder_Losung_neuesNetz-2.png

Man kann auf Bild 4 "Zylinder_Lösung_neues Netz-2" auch sehen, dass dort irgendetwas nicht stimmen kann...

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riss2b.txt

Zitat:

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Die Risseinbringung in das Material bewirkt keine Auswirkung bei der Feldstärkenverteilung mehr

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Natürlich geht das! Ursache vielleicht mangelnde Sorgfalt.
(das letzte Bild ist mangelnde ANSYS-Element-Darstellung)
Hier noch einmal eine Minimalversion mit grober Vernetzung.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Ah, okay, danke. Hatte tatsächlich noch einen kleinen Fehler drin, den ich jetzt aber beheben konnte.

Damit läuft die Simulation auch soweit, allerdings hat mein Betreuer heute gemeint, dass er den Riss als Halbellipse simuliert haben möchte. Deswegen wollte ich die Auswahl der zu "mergenden" Knoten so anpassen, dass ich die Halbellipse als Fläche anlege und dann die Knoten aller Zylinderflächen bei z=0 auswähle und "merge" mit Ausnahme der Halbellipsen-Fläche. Leider funktioniert das aber nicht so wie ich mir das gedacht habe.

Gibt es vielleicht eine andere Möglichkeit?

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Kreisfläche und Ellipsenfläche generieren
beide mit boolschen Funktionen verschneiden (aovlap)
entstandene Rissfläche und Restfläche vierteln bzw. halbieren
Flächen vernetzen
Und weiter wie bisher!

Zitat:

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Damit läuft die Simulation

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(Übrigens ist das nach meinem Verständnis keine Simulation sondern eine Berechnung)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Vielen Dank für die Anweisungen. Allerdings weiß ich nicht wie ich die Flächen vernetzen soll und dann daraus Volumen mache. Denn zur Vernetzung müssen sie als 2D-Material (z.B. PLANE230) definiert sein, aber für das Volumen braucht man ja eine 3D-Material-Definition. Bisher habe ich ja direkt Zylindervolumen mit einer Viertelkreisfläche erstellt. Hat da jemand einen Tipp, wo ich gerade schon wieder hänge?

[Diese Nachricht wurde von Mav14 am 13. Jan. 2022 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von Mav14 am 13. Jan. 2022 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von Mav14 am 13. Jan. 2022 editiert.]

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riss4b.txt

Hier eine Variante mit elliptischem Riss.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Zylinder_mit-elliptischem-Anriss_30_Auszug.txt

Vielen Dank für das Code-Beispiel, dass hat mir wirklich sehr geholfen! 

Ich habe den Code noch etwas umgeschrieben, weil der "Bauch" der Ellipse in Richtung Zylindermitte zeigen soll, aber das hatte ich vorher auch nicht geschrieben.

Das absehbar und hoffentlich letzte Problem ist folgendes:
Bei der Anrissdarstellung auf 0° habe ich kein Problem mehr (im beigefügten Skript einfach den Rissort auf 0° ändern). Doch möchte ich den Anrissort auf z.B. 30° verlegen, behauptet ANSYS, dass die Volumen keine geeignete Topographie für "mapped brick meshing" hätten. 
Gibt es dafür vielleicht Lösungsvorschläge? 

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Warum wird für die Berechnung der Haupt-Zylinder nicht so gedreht, dass eine Achse durch den Rissort geht?
Bei der Geometrie sind doch die Symmetrieachsen völlig willkürlich.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Das ist richtig. Ich habe das Problem jetzt auch erst einmal so umgangen, dass ich die Auslesepunkte um z.B. 30° drehe statt den Riss. Aber ich finde es dennoch komisch, dass eine "einfache" Verschiebung der Ellipse um 30° direkt schon wieder die Vernetzung stört...

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ZylindermitRiss_Fehlerlog.txt

Ich hatte gehofft, dass ich nun alle Berechnungen durchführen könnte und die Sache endlich abgeschlossen ist - aber die nächsten Fehler warten schon 

Bie gewissen Parameterwerten (netzEA = 6, rissTiefe < 0.75e-3; netzEA = 18, rissTiefe < 2.50e-3) tauchen die Fehlermeldungen in dem angehängten Dokument auf. Das Netz scheint in dem Rissbereich zu stark verzerrt zu werden, doch wie könnte ich dies ändern und damit die Fehler beheben?

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Nicht jede Geometrie lässt sich mit Hexaedern vernetzen.
Tetraeder machen es einfacher.

Vermutlich liegt es an der Selektion des zu entfernenden Volumens bei Parameteränderungen.
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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

[Diese Nachricht wurde von wosch am 25. Jan. 2022 editiert.]

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Hmm, ok, danke.

Ich habe da noch eine andere Frage:
Bei dem Durchgehen des Codes ist mir aufgefallen, dass der Strom nur in einem einzigen Punkt eingeleitet wird (siehe unten). Warum sollte man das so machen statt der Einleitung in allen Punkten der oberen Zylinderstrinfläche?

NSEL,s,loc,z,hoehe/2
CP,1,volt,all
*GET,node1,node,0,num,min      !Man könnte auch diesen Befehl löschen und F,all,amps,strom schreiben
F,node1,amps,strom
NSEL,s,loc,z,-hoehe/2
D,all,volt,0
ALLSEL

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Dann wären der Gesamtstrom und die Potentiale  knotenanzahlabhängig und das sollte ja wohl nicht sein.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Oh, das stimmt natürlich!

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