Bei der Vernetzung mit Siemens NX gelten diesselben Gütekriterien wie bei PRO/Mechanica oder bei CATIA-FEM auch. Die Ergebnisauswertung von Spannungen (von-Mises) ist sehr mit Vorsicht zu genießen.

Einfluss Elementgröße des Netzes

Wird eine Geometrie mit einem groben Netz versehen z.B. > 5mm, so sind die Ergebnisse an Radien oder Kerbstellen nicht sehr genau. Sie liefern einen ersten Eindruck von der Bauteilverformung und die Größenordnung der Verformungen. Für Spannungsauswertungen gibt es recht gute Gütekriterien.

Vergleich der Auswertung

1. • der max. Knotenspannungen mit den
   

2. • gemittelten Knotenspannungen
   

Diese sollten nicht zu sehr voneinander abweichen - wie groß die zulässige Abweichung ist hängt von den jeweiligen Erfordernissen ab. Üblicherweise sollten die Spannungen 5 MPa Unterschied nicht übersteigen. In manchen einfachen Fällen können auch die Kerbspannungen nach der FKM-Richtlinie ermittelt werden, diese dienen dann als Vergleich.

Einfluss der Elementart des Netzes

Bei CATIA-FEM wird das Tretraederelement mit 4 Knoten (jeweils an den Ecken) als linear bezeichnet, das mit 10 Knoten (an den Ecken und in der Mitte jeder Kante) als parabolisch.

Bei Siemens NX stehen viel mehr Elementarten zur Verfügung. Die einfachste Elementart ist CTETRA(4), welches dem linearen Volumenkörperelement entspricht. Dieses Element taugt für Spannungsauswertungen absolut nichts, sondern dient lediglich für schnelle Modellkontrolle, ob ein FE-Modell korrekt und plausibel aufgebaut ist.

Es sollte nur mit dem CTETRA(10)-Element (parabolisch bei CATIA) vernetzt werden, wenn verlässliche Spannungsaussagen gemacht werden sollen.

Automatische Netzverfeinerung

Einfacher kann man es sich machen, indem die Netzgüte lösungsabhängig erhöht wird. Das bedeutet, es wird mit einem recht groben Netz gestartet. Liegen die Spannungsergebnisse maximal/gemittelt mehr als ein frei festzulegender Betrag (z.B. 5 MPa) auseinander, so wird lokal das Netz soweit verfeinert, bis der Zielwert (Konvergenz) erreicht wird.

Die hierzu notwendige Funktion heißt "adpative Lösung" in NX 10. Bei Pro/E ist es ein einfaches Häckchen, welches man setzen muss zusammen mit der Anzahl Lösungsschritte. im Normalfall reichen 2 weitere Iterationen, um zum gewünschten Ergebnis zu kommen.

Im Simulations-Navigator fügen wir in die bestehende Simulation über die rechte Maustaste "neuer Lösungsprozess/Anpassungsfäigkeit" ein zusätzliches Element ein.

Bei Dauerspannung kann der max. zulässige Spannungsunterschied eingetragen werden, dies entspricht dem Konverganzkriterium.

Die max. Anzahl Iterationen bestimmt die Anzahl max. zul. Rechenläufe, um das Ziel zu erreichen. 2 zusätzliche Iterationen reichen erfahrungsgemäß aus.

Die Netzverfeinerung soll lokal erfolgen, und nicht das gesamte Netz des Bauteils feiner werden. Es reicht an den Stellen nachzuverfeinern, wo hohe Spannungsunterschiede entstehen.

Anmerkung: die lokale Netzverfeinerung oder „Adaptivity“ vernetzt zwar lokal feiner, allerdings dringt das feinere Netz nicht sehr tief in den Körper ein. Daher soll hier gleich auf eine bessere Methode verwiesen werden, um das Netz lokal zu verfeinern. Dazu werden vor der 3D-Versetzung temporäre 2D-Zwischennetze eiungefügt. Dazu wird in einem weiteren Beitrag noch gesondert eingegangen.

Um die Netzverfeinerung anzustoßen wählt man mit der rechten Maustaste auf der Adaptiven Lösung den Punkt "Berechnen" aus. Anschließend kann das Ergebnis über die Auswertung betrachtet werden.

Vernetzung grob mit 5mm Netzgröße

Man kann erkennen wie die höchsten Spannungen nur in einem einzigen Knoten auftreten. Sind Spannungssprünge von einem Knoten zum danebenliegenden zu groß, so ist keine sinnvolle Spannungsauswertung möglich. Die Unterschiede der max. Spannung unterscheidet sich bei beiden Auswertungsmethoden gewaltig.

Abb. oben: ungemittelte Knotenspannungen ohne Netzverfeinerung

Abb. unten: gemittelte Knotenspannungen ohne Netzverfeinerung

Wie man sehr schön sehen kann, wird bei feinerer Vernetzung die maximale Spannung auf mehrere Knoten verteilt und es ist ein detailierter und realistischer Spannungsverlauf erkennbar. Auch die Höhe der max. Spannungen unterscheidet sich nur noch gering. Prinzipiell ist diese Rechnung schon mal aussagekräftig, solange die Oberfläche betrachtet wird. Möchte man dagegen in die Tiefe des Werkstoffs eintauchen und beispielsweise Härtetiefen mit berücksichtigen, so ist auch diese Methode noch unzureichend.

Abb. oben: ungemittelte Knotenspannungen mit lokaler Netzverfeinerung

Abb. unten: gemittelte Knotenspannungen mit lokaler Netzverfeinerung

Hier nochmals der direkte Vergleich unterschiedlicher Netzgrößen (gemittelte Knotenspannungen)

Abb.: Entwicklung der max. gemitelten Spannungen (v.Mises) abhängig von der Netzgröße (von links nach rechts):

314MPa mit 5mm,

410MPa mit 1mm,

436MPa mit 0.5mm,

446MPa mit 0.2mm

Dasselbe mit den ungemittelten Knotenspannungen

Abb.: Entwicklung der max. unmitelten Spannungen (v.Mises) abhängig von der Netzgröße (von links nach rechts):

407MPa mit 5mm,

452MPa mit 1mm,

476MPa mit 0.5mm,

452MPa mit 0.2mm

Stellt man die Delta-Betrachtung der max. Spannungen (ungemittelt minus gemittelt) auf, so kommt man zu folgenden Ergebnissen

407-314=93 MPa bei 5mm Vernetzung

452-410=42 MPa bei 1mm Vernetzung

476-436=40 MPa bei 0.5mm Vernetzung

452-446=6 MPa bei 0.2mm Vernetzung

Zusammenfassend sieht man hier sehr schön den massiven Einfluss der Elementgröße einer Vernetzung auf die Spannungsauswertung.