Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
De omvang en complexiteit van productontwerpen die worden geanalyseerd en getest met Abaqus – een eindige-elementenanalyse (FEA) en multifysische engineering simulatiesoftware – blijft groeien. Submodellering is een effectieve techniek die gebruikt kan worden wanneer gedetailleerde productsimulatieresultaten nodig zijn voor een klein, gelokaliseerd gebied binnen een groter model, waardoor de analist de rekenkracht en runtime van een analyse aanzienlijk kan verminderen.
Een globale analyse van een constructie kan eerst worden gebruikt om gebieden te identificeren waar de respons op de belasting kritisch is. Vervolgens kan een lokaal submodel worden gecreëerd voor de kritieke gebieden, met verbeterde geometrische representatie en/of mesh-verfijning. Dit lokale submodel biedt een grotere nauwkeurigheid dan het globale model, zonder dat het volledige model opnieuw moet worden gereshaped en geanalyseerd. Deze aanpak resulteert in lagere analysekosten met behoud van voldoende details in kritieke gebieden.
In deze blog zullen we kijken naar de theorie achter submodelleren, de twee submodelleringstechnieken die beschikbaar zijn in Abaqus, en hoe u submodellen kunt implementeren. We belichten ook de beperkingen van submodellering in Abaqus en de belangrijke stap van het verifiëren van de analyseresultaten.
Theorie van submodelleren
Submodelleren in Abaqus maakt gebruik van het principe van Saint-Venant, waarbij de grens van het submodel ver genoeg van het interessegebied binnen het submodel ligt om de toegepaste krachten te kunnen vervangen door equivalente lokale krachten. De globale modeloplossing wordt gebruikt om het gedrag van de submodelgrens te definiëren door de controle van gedreven variabelen die representatief zijn voor de toegepaste krachten. De oplossing in het interessegebied wordt niet veranderd door de eindeffecten zolang de eindbelastingen statisch equivalent blijven.
In afbeelding 1 wordt een voorbeeld van een balk met verschillende gelokaliseerde openingen getoond. Het globale model van de volledige balk wordt gebruikt om de aangedreven variabelen te bepalen als uitvoer op de gemeenschappelijke grenzen voor het submodel en vergemakkelijkt het gebruik van een relatief grove mesh. Analyses worden onafhankelijk uitgevoerd op het globale model en het submodel, waarbij de aangedreven variabelen de enige link tussen de twee zijn. Door deze onafhankelijkheid is er flexibiliteit om geometrische kenmerken, elementtypes, materiaaleigenschappen, enz. te veranderen om de weergave van het submodelgebied te verbeteren. Zoals bij elke modelleertechniek is het belangrijk om de resultaten te valideren om er zeker van te zijn dat ze fysisch zinvol zijn. Vergelijking van contourplots nabij de grenzen van het subgemodelleerde gebied van het globale en submodel kan gebruikt worden om te bevestigen dat de resultaten consistent zijn.
Submodelleertechnieken in Abaqus
In Abaqus zijn er twee technieken beschikbaar voor submodellering die node-based en surface-based submodellering worden genoemd. De knooppunt-gebaseerde techniek interpoleert het knooppunt-uitkomstenveld van het globale model op knooppunten van het submodel, dit is de algemenere en meest gebruikte techniek. Omgekeerd wordt bij surface-based submodeling het spanningsveld geïnterpoleerd op de oppervlakte-integratiepunten van het submodel. Surface-based submodeling is beperkt tot solid-to-solid toepassingen en statische berekeningen, voor alle andere doeleinden moet node-based submodeling toegepast worden. Beide technieken, of een combinatie van de twee, kunnen binnen een analyse gebruikt worden, afhankelijk van de eigenschappen van het model.
De oppervlakte-gebaseerde techniek kan nauwkeuriger spanningsresultaten opleveren als er in een statische berekening een significant verschil is in de gemiddelde stijfheid in het gebied van het submodel en het globale model wordt onderworpen aan kracht-gecontroleerde belasting. Als de stijfheid in de regio’s vergelijkbaar is, zal de knooppunt-gebaseerde submodellering vergelijkbare resultaten geven als de oppervlakte-gebaseerde submodellering met minder kans op numerieke problemen veroorzaakt door starre-lichaamsmodi. Verschillen in stijfheid kunnen het gevolg zijn van extra details in het submodel, zoals openingen of omhullingen, of van kleine geometrische veranderingen die het opnieuw uitvoeren van de globale analyse niet rechtvaardigen.
Als het model wordt onderworpen aan grote verplaatsingen of rotaties, kan submodellering op basis van knooppunten de nauwkeurigheid verbeteren bij het doorgeven van grote verplaatsingen en rotaties aan het submodel. Afhankelijk van de uitvoerresultaten die van het grootste belang zijn. Knooppunt-gebaseerde submodellering zorgt voor een nauwkeurigere overdracht van het verplaatsingsveld in het submodel. Terwijl surface-based submodeling een nauwkeurigere overdracht van het spanningsveld geeft, wat resulteert in een nauwkeurigere bepaling van reactiekrachten in het submodel. De twee technieken kunnen in één model op verschillende grenzen worden opgenomen.
implementerening Abaqus Submodellen
Het lokale model kan aangestuurd worden met data die opgeslagen is in het uitvoer database bestand (in ODB of SIM formaat). Node-gebaseerde submodellen kunnen ook aangestuurd worden door gebruik te maken van het resultaten (.fil) bestand. Alleen de variabelen die naar de uitvoerdatabase geschreven worden, zullen in het submodel gebruikt worden, dus het is belangrijk om voldoende uitvoergegevens met voldoende frequentie op te slaan. Deze resultaten moeten worden opgeslagen in het globale coördinatensysteem voor interpolatie naar het submodel. In het geval van knooppuntgegevens worden waarden altijd ten opzichte van globale richtingen naar het uitvoergegevensbestand geschreven, ongeacht of er knooppuntcoördinatentransformaties worden gebruikt. Alle aangedreven variabelen moeten tijdens de globale analyse met een gemeenschappelijke frequentie worden opgeslagen, en deze frequentie moet voldoende fijn zijn om een adequate weergave van de globale tijdshistorie voor de aangedreven variabelen mogelijk te maken. Als de resultaten met verschillende frequenties worden opgeslagen, wordt de grofste frequentie gebruikt in de submodelanalyse. Het wordt aanbevolen om één set te maken die alle knooppuntensets en/of elementensets bevat van waaruit het submodel wordt aangestuurd. In Figuur 2 is de set die de grens van het submodel definieert rood gemarkeerd en gelabeld als Submodel-Regio.
Alle soorten belastingen en voorgeschreven randvoorwaarden kunnen worden toegepast op het submodel. Er moet echter op gelet worden dat belastingen en randvoorwaarden in het submodel worden toegepast op een manier die consistent is met het globale model om onjuiste resultaten te voorkomen. Alleen de aangedreven variabelen worden geïnterpoleerd en overgebracht naar het submodel. Eventuele vooraf gedefinieerde velden moeten net zo worden ingevuld als in het globale model. Beginvoorwaarden moeten consistent zijn tussen het globale model en het submodel. Voor de eenvoud kan het handig zijn om het globale model te kopiëren om het submodel te maken (Figuur 3), waarbij de snijgereedschappen gebruikt worden om materiaal buiten de grenzen van het submodel te verwijderen, zoals getoond in Figuur 4. Op deze manier blijven de instellingen van het globale model behouden en wordt de kans op fouten bij het maken van het submodel geminimaliseerd.
De staptijd in de submodelanalyse moet overeenkomen met de staptijd in de globale analyse, anders is elke interpolatie met betrekking tot de tijd onjuist. Als er een discrepantie is, kan de tijdsperiode van de globale stap geschaald worden naar die van het submodel door de optie aan te zetten om Schaal de tijdsperiode van de globale stap naar de tijdsperiode van de submodelstap bij het implementeren van de randvoorwaarden getoond in Figuur 5.
Aangedreven knooppunten worden gedefinieerd door middel van de randvoorwaarden van het submodel. U kunt specificeren welke vrijheidsgraden moeten worden aangestuurd op de grens van het submodel – meestal worden alle vrijheidsgraden op de aangestuurde knooppunten gespecificeerd. Naast het schalen van de tijdsperiode kan Abaqus indien nodig ook de waarde van variabelen schalen die vanuit het globale model op het submodel worden toegepast. In Figuur 5 is een submodel randvoorwaarde geïmplementeerd die alle vrijheidsgraden bevat die beschikbaar zijn voor de solide continuüm elementen (1-3) zonder schaling. Merk op dat alleen de fundamentele oplossingsvariabelen kunnen worden aangestuurd. In solid-to-solid of shell-to-shell submodellering omvat dit verplaatsingen, temperaturen, elektrische potentiaal, poriëndruk, enz. Snelheden of versnellingen op de grens van het submodel kunnen niet worden aangestuurd. Abaqus selecteert de aangestuurde variabelen automatisch wanneer een globaal shell-model wordt gebruikt om een lokaal solid-model aan te sturen. Andere submodel randvoorwaarden kunnen op de gebruikelijke manier aangemaakt, gewijzigd of verwijderd worden.
Abaqus interpoleert zowel in de ruimte als in de tijd om de waarden van de aangedreven nodale variabelen te bepalen tijdens de stap van de submodelanalyse. De volgorde van ruimtelijke interpolatie van de aangedreven variabelen wordt gedicteerd door de volgorde van de gebruikte elementen op globaal niveau. Automatische tijdstijging wordt onafhankelijk toegepast in de globale en submodelanalyses. Onafhankelijke tijdstijging wordt opgevangen door de temporele interpolatie van de aangedreven variabelen. Er wordt lineaire temporele interpolatie gebruikt tussen de waarden die uit de uitvoerdatabase of het resultatenbestand worden ingelezen.
Wanneer het globale model grote verplaatsingen of rotaties ondergaat, moet de gebruiker ervoor zorgen dat het submodel deze verplaatsingen of rotaties ook ondergaat. Wanneer knooppunt-gebaseerde submodellering wordt gebruikt, houden de aandrijvende knooppunten automatisch rekening met verplaatsingen en rotaties, zodat het submodel correct gepositioneerd wordt ten opzichte van het globale coördinatensysteem. Omgekeerd geeft het gebruik van alleen oppervlaktetrekkrachten bij submodellering op basis van oppervlakten het submodel geen informatie over verplaatsingen. In plaats daarvan moet het submodel de volgende gegevens bevatten om de verplaatsingen te kunnen verklaren: toegepaste randvoorwaarden, aangedreven knooppunten en traagheidsreliëf. Wanneer beide methoden gebruikt worden, is het belangrijk om een consistente rijmethode te handhaven voor het geselecteerde gebied om overmatige beperkingen als gevolg van gedeeltelijke of overmatige rijdefinities te voorkomen.
Bij het opzetten van een submodel moeten de modelattributen worden aangepast om te verwijzen naar de uitvoerdatabase of het resultatenbestand. De modelattributen in Figuur 6 zouden ervoor zorgen dat Abaqus de Beam-Global.odb uitvoerdatabasebestand en gebruik die resultaten in een analyse van een submodel gedefinieerd in de Beam-Submodel.inp invoerbestand.
Beperkingen van submodellering
Er zijn enkele beperkingen aan de methoden en elementtypen die compatibel zijn met de submodeling-benadering. Beperkingen zullen hier kort worden beschreven en meer informatie hierover vindt u in de documentatie.
Elementen die gebruikt kunnen worden op globaal en submodelniveau zijn beperkt tot eerste- en tweede-orde driehoekige en vierhoekige continuüm-, schaal- of membraanelementen, eerste- en tweede-orde tetrahedral, wedge, of brick continuum elementen. Globale modellen kunnen zowel vaste als schaalelementen bevatten, met de voorwaarde dat alle gedreven knooppunten binnen de schaalelementen in het globale model moeten liggen.
De grensknopen van het submodel mogen niet in gebieden van het globale model liggen waar onvoldoende informatie is voor interpolatie van de aangedreven variabele. Dit omvat regio’s waar zich alleen eendimensionale elementen bevinden (zoals balken, vakwerkliggers, schakels of asymmetrische schalen), gebruikerselementen, substructuren, veren, dashpots, andere speciale elementen of asymmetrische elementen.
Wanneer u shell-elementen gebruikt, moeten shell-elementen met vijf vrijheidsgraden per knoop (S4R5, S8R5, enz.) meestal vermeden worden op globaal niveau, omdat de rotaties niet opgeslagen worden. Deze elementen kunnen niet gebruikt worden in shell-to-solid submodeling.
Submodellen kunnen niet worden gebruikt in gekoppelde thermo-elektrische, thermo-elektrochemische en modus-gebaseerde lineaire dynamica procedures. Submodellering op basis van oppervlakten kan alleen worden gebruikt in algemene statische procedures. Shell-to-solid submodellering kan niet worden gebruikt met een ander type submodellering in hetzelfde model.
Verificatie van Analyseresultaten
Bij gebruik van de submodelleerbenadering worden vervolgens twee reeksen analyseresultaten verkregen: de eerste van een globaal model dat een benadering van het gedrag geeft, en de tweede van een verfijnd lokaal model dat een nauwkeurigere weergave van de gedetailleerde uitvoer geeft. Een belangrijke stap in de submodelleerprocedure is de verificatie van de resultaten. In Figuur 7 worden de resultaten van een op knooppunten gebaseerd submodel getoond. Het model wordt eerst gecontroleerd op consistentie van verplaatsingen in de regio van het submodel voordat de spanningsgradiënt wordt uitgezet. Als er grote discrepanties met de verplaatsingen worden vastgesteld, zal dit alle volgende resultaten beïnvloeden en moet het model worden herzien en opnieuw worden ingediend. Zodra de verplaatsingen overeenkomen, kan andere uitvoer, zoals de spanningen, onderzocht worden. Hier wordt een verbetering van de spanningsgradiënt bereikt door de meshdichtheid in het subgemodelleerde gebied te verhogen. Spanningen in andere regio’s van de balk kunnen verkregen worden uit het globale model waar, bij afwezigheid van spanningsconcentrerende openingen, de grove mesh voldoende is.
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.