Hydrodynamische 2D-Elemente

Hydrodynamische Elemente ermöglichen die Simulation der Interaktion von Flüssigkeiten mit Volumenkörpern ohne Berücksichtigung der Details der Strömung. Diese Elemente sind nur gut für umschlossene Fluids geeignet, da die Bewegung des Fluids (z. B. Schwappen) nicht berücksichtigt wird. Solche Interaktionen zwischen Fluiden und Volumenkörpern erfolgen normalerweise mittels hydrostatischer Drucklasten. Hydrodynamische Elemente bieten jedoch eine präzisere Darstellung der Fluid-Volumenkörper-Interaktion, da sie die Trägheit der Flüssigkeit berücksichtigen, wenn der Container bewegt oder verformt wird.

Hydrodynamische Elemente gehen davon aus, dass die Scherspannung unerheblich und die Dehnungsenergie nur von der Volumenbeanspruchung abhängig ist:

U = 0.5*K*ε _v ²

wobei K und ε _v das Kompressionsmodul bzw. die Volumenbeanspruchung sind. Dadurch ergibt sich eine normale hydrostatische Kompressionsantwort wie P = K*ε _v

Hydrodynamische 2D-Elemente können isoparametrische Vierecke oder dreieckige Elemente sein. Alle geometrischen Typen können über Mittelknoten verfügen. Die vierseitigen Elemente haben 4 oder 8 Knoten, wenn Mittelknoten enthalten sind. Die dreieckigen Elemente haben 3 oder 6 Knoten, wenn Mittelknoten enthalten sind. Mittelknoten sind erforderlich, um große Bewegung der Flüssigkeit besser zu beschreiben.

Diese Elemente beschränken sich auf die globale XY-Ebene. Das Element kann planare (Layerndehnungsbedingung) oder achsensymmetrische Bedingungen darstellen. In beiden Fällen hat jeder Elementknoten zwei Freiheitsgrade der Translation (in Y- und Z-Richtung).

Auswählen der Typen von hydrodynamischen 2D-Elementen

Es gibt zwei Arten von 2D-Elementen, die für eine nichtlineare Analyse verfügbar sind. Sie können diese ausgewählt in der Dropdown-Liste Geometrietyp auf der Registerkarte Allgemein im Dialogfeld Elementdefinition auswählen.

• Achsensymmetrisch: Wählen Sie diesen Geometrietyp für Elemente, die Volumenkörper mit geometrischen Last- und Randbedingungen um die Z-Achse modellieren. Negative Y-Koordinaten sind nicht zulässig. Wenn ein Punkt auf der Rotationsachse (Z-Achse) liegt, muss die Translation in Y-Richtung bestimmt werden. Knotenlasten werden durch die Anzahl der Radianten in einem Kreis (Last geteilt durch Radianten) normalisiert.

  

  Abbildung 1: Achsensymmetrisches 2D-Modell

• Layerndehnung: Wählen Sie diesen Geometrietyp aus, um planare Volumenkörper zu modellieren. Es wird von einer Stärke von 1 Einheit ausgegangen; andere Bauteile im Modell müssen eventuell korrekt eingestellt werden, um dem hydrodynamischen Bauteil Rechnung zu tragen. In das Feld Dicke (nur die Visualisierung) können Sie eine Dicke eingeben, diese Dicke wird jedoch nur für die 3D-Visualisierung in der Ergebnisanzeige verwendet. (Weitere Informationen finden Sie auf der Seite Browser-Funktionen.) Alle Eingabelasten und Ergebnisse basieren auf der Dicke von 1 Einheit.

  

  Abbildung 2: 2D-Layerndehnung

Steuern der Ausrichtung von hydrodynamischen 2D-Elementen

Bei einer allgemeinen FEM-Analyse können Sie die Elementausrichtung ignorieren. Die Möglichkeit zum Ausrichten von Elementen ist bei Elementen mit orthotropen Materialmodellen und zur einfachen Interpretation von Spannungen in lokalen Elementkoordinatensystemen hilfreich. Die Ausrichtung erfolgt auf der Registerkarte Ausrichtung im Dialogfeld Elementdefinition. Die Dropdown-Liste Methode enthält drei Optionen zum Festlegen, welche Elementseite die IJ-Seite sein soll. Wenn die Option Standard ausgewählt wird, wird die Seite eines Elements mit der höchsten Flächenzahl als IJ-Seite ausgewählt. Wenn die Option I-Knoten ausrichten ausgewählt wird, muss in den Feldern Y-Koordinate und Z-Koordinate eine Koordinate definiert werden. Der Knoten auf einem Element, der diesem Punkt am nächsten liegt, wird als I-Knoten bestimmt. Der J-Knoten ist der nächste Knoten auf dem Element, das sich gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Wenn die Option IJ-Seite ausrichten ausgewählt ist, muss in den Feldern Y-Koordinate und Z-Koordinate eine Koordinate definiert werden. Die Seite eines Elements, die diesem Punkt am nächsten liegt, wird als IJ-Seite bestimmt. Die I- und J-Knoten werden zugeordnet, sodass der J-Knoten erreicht werden kann, indem man sich vom I-Knoten aus am Element entlang gegen den Uhrzeigersinn bewegt.

Erweiterte Parameter für hydrodynamische 2D-Elemente

Wählen Sie in der Dropdown-Liste Analysebeschreibung auf der Registerkarte Weitere Einstellungen die Formulierungsmethode aus, die Sie für die 2D-Elemente verwenden möchten. Wenn die Option Nur Material-Nichtlinear aktiviert ist, werden nichtlineare Materialmodelleffekte berücksichtigt, alle Analysen werden jedoch basierend auf der nicht verformten Geometrie ausgeführt. Die Option Lagrange gesamt bezieht sich auf die ursprüngliche nicht verformte Konfiguration des Modells für alle statischen und kinematischen Variablen. Die Option Lagrange aktualisiert bezieht sich auf die zuletzt berechnete Konfiguration des Modells für alle statischen und kinematischen Variablen.

Wählen Sie als Nächstes in der Dropdown-Liste Integrationsgradden Integrationsgrad aus, der für die 2D-Elemente in diesem Bauteil verwendet werden soll. Für rechteckig geformte Elemente wählen Sie die Option 2. Ordnung. Für leicht verformt Elemente wählen Sie die Option 3. Ordnung. Für extrem verformte Elemente wählen Sie die Option 4. Ordnung. Die Berechnungszeit für die Formulierung der Elementsteifigkeit erhöht sich mit der dritten Potenz der Integrationsreihenfolge. Aus diesem Grund sollte der niedrigste Integrationsgradhängen, mit dem akzeptable Ergebnisse erzielt werden, verwendet werden, um die Verarbeitungszeit zu verkürzen.

Damit bei den 2D-Elementen in diesem Bauteil die Mittelknoten aktiviert sind, wählen Sie die Option Einbezogen im Dropdown-Menü Mittelknoten. Wenn diese Option aktiviert ist, haben die 2D-Elemente zusätzliche Knoten an den Mittelpunkten jeder Kante. Dadurch wird 2D-Element mit 4 Knoten zu einem 2D-Element mit 8 Knoten. Ein Element mit mittleren Knoten führt zu genaueren berechneten Abstufungen. Elemente mit mittleren Knoten verlängern die Verarbeitungszeit. Wenn das Netz ausreichend klein ist, wird mit den Mittelknoten u. U. kein wesentlich genaueres Ergebnis erzielt.

Tipp: Die Verschiebung an den Mittelknoten ist immer eine Ausgabe. Bei der Spannung und Dehnung an den Mittelknoten handelt es sich nur um Ausgaben, wenn der Benutzer die Option zur Ausgabe dieser Ergebnisse vor der Durchführung der Analyse aktiviert. Die Option befindet sich unter dem Dialogfeld Analyse: Parameter: Weitere Einstellungen auf der Registerkarte Ausgabe. (Weitere Informationen finden Sie unter Steuern der Ausgabedateien.)

Grundlegende Schritte zum Verwenden von hydrodynamischen 2D-Elementen

1. Stellen Sie sicher, dass ein Einheitensystem definiert ist.
2. Stellen Sie sicher, dass das Modell einen nichtlinearen Analysetyp verwendet.
3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Elementtyp.
   Tipp: Nützliche Befehle zum Konvertieren von 3D-Modellen in 2D-Modelle sind Zeichnen Muster Neu positionieren und skalieren, Zeichnen Muster Drehen oder kopieren und Zeichnen Ändern Auf Ebene projizieren. Sie können beispielsweise versehentlich ein Netz in der XY-Ebene erstellen. Sie können das Netz mit dem Befehl Neu positionieren und skalieren oder Drehen auf die YZ-Ebene drehen. Durch Abrunden können einige Knoten einen kleinen X-Koordinatenwert haben, der verhindert, dass der Elementtyp auf 2D gesetzt wird. Verwenden Sie in diesem Fall den Befehl Auf Ebene projizieren, um die Knoten genau auf der YZ-Ebene zu fangen.
4. Wählen Sie den Befehl 2D Hydrodynamik.
5. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementdefinition.
6. Wählen Sie den Befehl Elementdefinition bearbeiten.
7. Wählen Sie auf der Registerkarte Allgemein den gewünschten Geometrietyp in der Dropdown-Liste Geometrietyp aus.
8. Klicken Sie auf die Schaltfläche OK.