Der hydrostatische Druck verändert sich linear von der Höhe des Fluids in Richtung zunehmender Tiefe des Fluids. Die Höhe des hydrostatischen Drucks = (Fluiddichte) x (Tiefe unterhalb der Fluidoberfläche).
Sie können hydrostatischen Druck auf lineare Schalenelemente, nicht-lineare Schalenelemente, Quaderelemente, kinematische 3D-Elemente, nichtlineare Membrane, 3D-Dichtungen oder Tetraederelemente anwenden. Standardmäßig ist der Druck senkrecht zur Fläche der Elemente.
Anwenden hydrostatischer Drücke
Wenn Sie Flächen ausgewählt haben, können Sie mit der rechten Maustaste in den Anzeigebereich klicken und dann im Pullout-Menü Hinzufügen den Befehl Hydrostatischer Flächendruck auswählen. Dieser Befehl steht auch in der Multifunktionsleiste (Einrichten 
Lasten Hydrostatischer Druck) zur Verfügung.
So wenden Sie hydrostatischen Druck auf einen unterstützten Elementtyp an:
- Geben Sie das spezifische Gewicht (im Feld Fluiddichte) des Fluids an, das den hydrostatischen Druck verursacht.
- Der hydrostatische Druck kann in beliebige Richtung steigen. Definieren Sie in den Feldern X, Y und Z im Bereich Punkt auf Fluidoberfläche einen Punkt an der Fluidoberfläche. Nur Elemente unterhalb dieses Punkts erhalten einen Druck.
- Geben Sie im Bereich Senkrechte zu Fluidoberfläche einen Vektor an, der senkrecht zur Fluidoberfläche ist und in die Flüssigkeit (d. h. in Richtung der zunehmenden Fluidtiefe und Schwerkraft) weist. Wenn die Flächennormale auf eine globale Achse ausgerichtet ist, ist nur einer der Werte für den Punkt auf der Fluidoberfläche entscheidend.
- Bei Schalenelementen (lineare Analysen) und allgemeinen Schalenelementen (nichtlineare Analysen) kann im Dialogfeld zum Erstellen eines hydrostatischen Flächendruckobjekts die Seite ausgewählt werden. Wählen Sie in der Pulldown-Liste die Option Oben oder Unten aus. Die Unterseite bezeichnet die Seite, die dem Normalenpunkt des Elements zugewandt ist, wie im Dialogfeld Elementdefinition festgelegt. Bei allgemeinen Schalenelementen stehen zusätzlich die zwei Optionen Beide und Keine als Auswahlmöglichkeiten für die Seite zur Verfügung. Die Richtung ist immer zum Element hin, unabhängig davon, ob die Last auf die obere oder untere Fläche angewendet wird.
- Wenn Sie eine Analyse vom Typ Transiente Spannung (Direktintegration) oder eine nichtlineare Analyse durchführen, wählen Sie im Feld Lastkurve die Lastkurve aus, der der Druck folgt.
Siehe Abbildung 1 unten. Punkt S steht für einen beliebigen Punkt entlang der Fluidoberfläche. Der Vektor V bezeichnet die Richtung der zunehmenden Fluidtiefe. Die dunkelroten Linien sind die Flächen der Elemente, die einen Tank bilden. Der Druck auf die Wand (Pv) ist eine Funktion der Tiefe, die linear zunimmt, wenn Sie sich von der Fluidoberfläche aus nach unten bewegen. Da die Lastrichtung standardmäßig senkrecht zur Fläche des Elements ist, ergibt sich ein vertikaler Druck entlang der Unterseite des Tanks.
Abbildung 1: Hydrostatischer Druck
Im Dialogfeld zum Erstellen eines hydrostatischen Druckobjekts ist die Option Druckart verfügbar. Die Optionen lauten wie folgt:
- Normal zur Fläche: Die Höhe des hydrostatischen Drucks = (Fluiddichte) x (Tiefe unterhalb der Fluidoberfläche), und die Richtung verläuft senkrecht zur Fläche der einzelnen Schalenelemente. Siehe Abbildung 2(a) unten.
- Voller Druck in horizontaler Richtung: Die Höhe des hydrostatischen Drucks wird wie gewohnt berechnet, jedoch in der horizontalen Ebene angewendet. Es gibt keine Kraftkomponente parallel zum Vektor, der durch den Normalenvektor der Fluidoberfläche definiert ist. Anders ausgedrückt verläuft die Richtung unabhängig von der Neigung des Elements senkrecht zur Oberflächennormalen des Fluids. Diese Option wird beispielsweise zur Simulation des lateralen Bodendrucks verwendet, der auf eine geneigte oder gekrümmte Stützmauer wirkt. Siehe Abbildung 2(b) unten.
- Nur horizontale Komponente: Dies weist darauf hin, dass nur die horizontale Komponente des hydrostatischen Drucks angewendet wird (vertikale Komponente = 0). Die Größe des Drucks = (Fluiddichte) x (Tiefe unterhalb der Fluidoberfläche) x sin (Winkel zwischen Flächennormalen des Elements und des Vektors senkrecht zur Fluidoberfläche). Die Lastrichtung verläuft senkrecht zum Normalenvektor der Fluidoberfläche, unabhängig von der Neigung des Elements. Siehe Abbildung 2(c) unten.
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(a) Normal zur Fläche |
(b) Voller Druck in horizontaler Richtung |
(c) Nur horizontale Komponente |
| Abbildung 2: Arten von hydrostatischem Druck | ||
Anmerkungen zu allgemeinen Schalenelementen:
Nichtlineare allgemeine Schalenelemente berücksichtigen bei der Drucklast die Dicke des Elements.
(Andere planare Elemente, die hydrostatische Drucklasten unterstützen, wie Schalen, Membrane, gemeinsam rotierende Schalen und dünne Schalen, berücksichtigen den Druck, der auf die Mittelebene angewendet wird. Der Typ des Schalenelements wird über die Auswahl Elementformulierung auf der Registerkarte Erweitert des Dialogfelds Elementdefinition festgelegt.)
Wie bereits erwähnt, kann bei Schalenelementen festgelegt werden, ob der hydrostatische Druck auf die Seite Oben oder Unten oder auf Beide Seiten oder Keine Seite angewendet wird.
Obwohl die Bereiche auf der Ober- und Unterseite des Elements im spannungsfreien Zustand gleich sind, können große Verschiebungen sich auf die beiden Flächen unterschiedlich auswirken. Ein gleichmäßiger Druck von -1000 oben und 1000 unten kann daher grafisch identisch aussehen, die Ergebnisse können aber unterschiedlich sein. Eine ähnliche Situation tritt bei hydrostatischen Lasten auf. Wenn bei geneigten oder gekrümmten Flächen zusätzlich die Stärke berücksichtigt wird, hat dies Einfluss auf die tatsächliche Fluidtiefe, bei der das Fluid mit den Elementen in Berührung kommt, was sich daher auf den hydrostatischen Druck auswirkt (abhängig davon, ob die Last auf die Ober- oder Unterseite der Elemente angewendet wird). Siehe Abbildungen unten.
(a) Planares Element mit negativem Druck auf der Oberseite des Elements (linke Seite der Abbildung) und positivem Druck auf der Unterseite des Elements (rechte Seite der Abbildung). Im spannungsfreien Zustand ist die Fläche der Ober- und Unterseite gleich. (Die Knotennormale des Elements wird durch das X dargestellt).
(b) Beim Strecken der Elemente werden auch die Ober- und Unterseite gestreckt. Folglich kann die Gesamtkraft aufgrund des identischen Drucks auf die Ober- und Unterseite unterschiedlich sein. In diesem Beispiel wird die Oberseite mehr gestreckt als die Unterseite, also die Kraft im Modell mit der Druck auf die Oberseite ist größer als die Kraft im Modell mit Druck auf die Unterseite.
(c) Die Abbildung oben zeigt, wie die Dicke sich auf den hydrostatischen Druck für allgemeine Schalen- und Plattenelemente auswirken kann. Das X bezeichnet den Normalenpunkt des Elements. Beachten Sie, dass sich der Bereich der Fluidtiefe entlang der unteren Fläche (Db1 bis DB2) vom Bereich für die Fluidtiefe der oberen Fläche (Dt1 bis Dt2) unterscheidet. Daher schwankt die hydrostatische Drucklast abhängig davon, ob sie auf die obere oder untere Fläche des planaren Elements angewendet wird. Dieser Effekt gilt für allgemeine Schalenelemente entlang einer geneigten, gekrümmten oder horizontalen Fläche.
Tipp: Kombinieren konstanter und hydrostatischer Drücke
Die Kombination aus konstantem Druck (P) und hydrostatischem Druck kommt häufig vor, z. B. bei einem Tank, der teilweise mit Wasser gefüllt ist und durch die Luft über dem Wasser einem Druck ausgesetzt ist. Bei Softwareversion 2013 und neueren Softwareversionen können Sie mehrere Flächenlasten auf eine einzelne Fläche oder mehrere Flächen in einer linearen statischen Spannungsanalyse anwenden. Wenden Sie P als Flächendrucklast an, und wenden Sie die hydrostatische Last auf die gleiche Fläche oder Flächen an.
Wenn Sie eine nichtlineare Analyse einrichten oder die Möglichkeit einer linearen und einer nichtlinearen Analyse in Erwägung ziehen (z. B. mithilfe verschiedener Entwurfsszenarien), ist eine andere Methode erforderlich. Nichtlineare Analysen unterstützen mehrere Flächenlasten nicht. Es gibt zwei Methoden, die Kombination aus konstantem Druck und hydrostatischen Drucklasten anzuwenden.
- Bei der ersten Methode wird ein freier Oberflächenpunkt angegeben, der sich über der tatsächlichen Fluidoberfläche befindet. Auf der Fluidoberfläche und darüber ist der Druck P. Die anzuwendende Gleichung ist:
P = (Koordinate der höheren freien Oberfläche - Koordinate der tatsächlichen Fluidoberfläche) * (Fluiddichte).
Alle Werte sind bekannt, mit Ausnahme der Koordinate der höheren freien Oberfläche. Berechnen Sie also diesen Wert, und geben Sie ihn für den hydrostatischen Druck ein. Durch Neuanordnen der Bedingungen der vorherigen Gleichung ergibt sich für die höhere freie Oberfläche Folgendes:
Koordinate der höheren freien Oberfläche = P / (Fluiddichte) + (Koordinate der tatsächlichen Fluidoberfläche)
konstanter Druck + hydrostatischer Druck = hydrostatischer Druck größerer Tiefe
Natürlich muss die Oberflächenanzahl des Modells angepasst werden, sodass der hydrostatische Druck nur da angewendet wird, wo es erforderlich ist (unterhalb des Wasserspiegels), und nicht im gepunkteten Bereich der Abbildung (oberhalb des Wasserspiegels). Konstanter Druck wird auf die Oberfläche oberhalb des Wasserspiegels angewendet. Bei CAD-basierten Modellen empfiehlt sich dabei das Teilen der Oberflächen in der CAD-Anwendung, die Oberflächenattribute der Linien können jedoch auch in Autodesk Simulation geändert werden.
- Eine weitere Lösung für dieses Problem ist das Anwenden der Option Variable Flächenlast. Definieren Sie eine Gleichung als Funktion der entsprechenden Koordinatenrichtung, wodurch der gewünschte linear zunehmende Druck entsteht. Wie im vorherigen Beispiel muss die Oberfläche des CAD- bzw. FEM-Modells möglicherweise geteilt werden, um die Last auf den gewünschten Bereich anwenden zu können. Weitere Informationen zu variablen Flächenlasten finden Sie auf der Seite Einrichten und Durchführen der Analyse: Allgemeine Informationen (mit mehreren Analysearten): Lasten und Abhängigkeiten: Variable Lasten.