Lückenelemente

Lückenelemente sind Elemente mit zwei Knoten, die im dreidimensionalen Raum formuliert sind. Dieser Elementtyp ist nur in einer statischen Spannungsanalyse mit linearen Materialmodellen verfügbar.

Zwei Endknoten im dreidimensionalen Raum definieren die Lückenelemente. Für jedes Element werden nur die Axialkräfte des Elements berechnet, und je nach den Einstellungen werden nur Druckkräfte oder nur Zugkräfte generiert. Für Lückenelemente werden keine elementbasierten Lasten definiert.

Eine Komprimierungsunterbrechung wird erst aktiviert, wenn die Lücke geschlossen ist. Eine Spannungsunterbrechung wird erst aktiviert, wenn die Lücke geöffnet ist Deshalb ist das strukturelle Verhalten eines Finite-Element-Modells mit verknüpften Lückenelementen aufgrund des unbestimmten Zustands immer nichtlinear. Im Voraus ist nicht bekannt, ob die Lücken geschlossen oder geöffnet sind. Zur Bestimmung des Status (geöffnet oder geschlossen) der Lückenelemente wird eine iterative Lösungsmethode verwendet.

Da die Analyse linear ist und die Theorie kleiner Verformungen verwendet wird, wird nur die Bewegung in Richtung der ursprünglichen Lückenelementausrichtung berücksichtigt. Seitliche Bewegungen haben keine Auswirkungen auf den Status des Lückenelements.

Für Lückenelemente gibt es im Allgemeinen drei Anwendungen. Jede Anwendung hat andere Merkmale in Bezug auf die Elementeingabe. Kurze Zusammenfassung:

Anwendungstyp	Richtung des Elements	Steifigkeit des Eingabeelements
Starre Auflage am Rand der Struktur für die Berechnung der Unterstützungsreaktionen	Element muss an der globalen X-, Y- oder Z-Achse ausgerichtet sein	Drei oder vier Größenordnungen größer als andere normale Steifheiten in der Struktur
Schnittstellenelement zwischen zwei Flächen der Struktur im Raum	Element kann in beliebiger Richtung definiert sein	Gleiche Größenordnung wie die anderen normalen Steifheiten in der Struktur
Elastische Feder zwischen der Basis der Struktur und dem Fundament	Element kann in beliebiger Richtung definiert sein	Tatsächliche Federkonstante wird aus dem Baugrund berechnet

Übermäßig steife Lückenelemente (mit großer Federsteifigkeit), die nicht am globalen Koordinatensystem ausgerichtet sind, sollten vermieden werden. Solche Elemente bringen große Werte in die Steifheitsmatrix ein, die sich nicht auf der Diagonalen befinden, und verursachen Lösungsprobleme. Die Ergebnislösung kann auch ungenau sein. Die angegebene Federsteifheit, die ungefähr drei oder vier Größenordnungen größer als andere normale Steifheiten in der Struktur ist, reicht für starre Lückenelemente aus, die im Anwendungstyp (1) verwendet werden.

Anmerkung: Dieser Inhalt bezieht sich auf Lückenelemente, die manuell erstellt wurden (Linien sind zwischen zwei Knoten des Modells oder zwischen dem Modell und den Boden gezeichnet). Lücken- oder Kontaktelemente, die automatisch erstellt wurden (2D-CAD-Modelle, automatische 2D-Vernetzung oder manuell erstellte Modelle) sind etwas anders. Weitere Informationen finden Sie auf der Seite Kontakttypen.

Verwenden von Lückenelementen

• Modellieren Sie die Effekte einer Feder oder eines Kabels, bei denen die Steifigkeit unter allen Lasten nicht immer vorliegt.
• Suchen Sie die Kontaktkraft zwischen zwei Bauteilen unter einer Last.

Parameter von Lückenelementen

Wählen Sie bei Verwendung von Lückenelementen im Dropdown-Menü Typ des Dialogfelds Elementdefinition zunächst den Typ des Lückenelements aus, der für das Bauteil verwendet werden soll. Folgende Optionen stehen zur Verfügung:

Typ	Verhalten des Lückenelements
Komprimierung mit Unterbrechung	Das Element überträgt eine Komprimierungslast nur dann, wenn sich die Knoten über eine Distanz aufeinander zu bewegen, die der ursprünglichen Länge des Lückenelements entspricht. Der berechnete Abstand zwischen den Bauteilen entspricht dem Abstand, der zwischen den Bauteilen gezeichnet ist.
Spannung mit Unterbrechung	Das Element überträgt eine Spannungslast nur dann, wenn sich die Knoten über eine Distanz hinweg voneinander entfernen, die der ursprünglichen Länge des Lückenelements entspricht. (Diesen Typ können Sie sich als Draht oder Kette mit Durchhang vorstellen. Wenn der Draht oder die Kette die zweifache Länge der ursprünglichen Länge erreicht, wird eine Spannungslast übertragen.)
Komprimierung ohne Unterbrechung	Die Elemente übertragen eine Komprimierungslast bei jeder Bewegung der Knoten aufeinander zu. Da die Linie, die das Lückenelement definiert, nicht 0 Einheiten betragen kann, muss es eine physische Lücke zwischen den Bauteilen im Modell geben. Dieser Kontaktelementtyp gleicht die Modellierungslücke aus.
Spannung ohne Unterbrechung	Das Element überträgt eine Spannungslast bei jeder Bewegung der Knoten voneinander weg.

Im nächsten Schritt definieren Sie die Steifigkeit der Lückenelemente im Feld Steifigkeit. Richtlinien zur Steifigkeit finden Sie in der Tabelle im vorherigen Absatz, Was ist ein Lückenelement.

Wenn Sie eine echte Feder (Spannung oder Komprimierung) oder kettenähnliche Anordnung (nur Spannung) duplizieren, geben Sie die bekannte Steifigkeit ein. Die Steifigkeit (k) einer Stange oder eines einfachen Drahtes kann mit k=A*E/L berechnet werden, wobei A die Querschnittsfläche, E das Elastizitätsmodul und L die Länge der Stange ist. Beim Duplizieren von Kontakt zwischen Bauteilen ist eine starre Steifheit erforderlich. Eine Steifigkeit in derselben Größenordnung wie das Materialmodul ist ausreichend. Selbst wenn die beiden Werte unterschiedliche Einheiten aufweisen (Kraft/Länge und Kraft/Länge im Quadrat). Eine andere Methode zur Berechnung der Steifheit ist eine Definition der Steifheit: K = F/Δ, wobei F die Kraft ist, die durch das Element übertragen wird, und Δ die Komprimierung oder Verlängerung im Element ist. Abhängig vom Modell kann ein geeigneter Wert für Δ ausgewählt werden. Wenn die Kontaktkraft geschätzt werden kann, kann die erforderliche Steifigkeit berechnet werden.

So verwenden Sie Lückenelemente

1. Stellen Sie sicher, dass ein Einheitensystem definiert ist.
2. Stellen Sie sicher, dass das Modell den Analysetyp Statische Spannung mit linearen Materialmodellen verwendet.
3. Zeichnen Sie die Lückenelemente als Linien. Weiter unten finden Sie Tipps zum Zeichnen von Lückenelementen.
4. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementtyp für das Bauteil, das als Lückenelement dienen soll.
5. Wählen Sie den Befehl Spalt aus.
6. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementdefinition.
7. Wählen Sie die Überschrift Elementdefinition bearbeiten.
8. Wählen Sie in der Dropdown-Liste Typ den Typ des Lückenelements aus, der angewendet werden soll.
   • Wenn das Element nur aktiv sein soll, wenn die neue Länge kleiner als Null ist, wählen Sie die Option Komprimierung mit Unterbrechung.
   • Wenn das Element nur aktiv sein soll, wenn die neue Länge mehr als zweimal länger als die ursprüngliche Länge ist, wählen Sie die Option Spannung mit Unterbrechung.
   • Wenn das Element nur aktiv sein soll, wenn die neue Länge kürzer als die ursprüngliche Länge ist, wählen Sie die Option Komprimierung ohne Unterbrechung.
   • Wenn das Element nur aktiv sein soll, wenn die neue Länge länger als die ursprüngliche Länge ist, wählen Sie die Option Spannung ohne Unterbrechung.
9. Geben Sie die Steifigkeit des Lückenelements im Feld Steifigkeit an. Diese Angabe ist erforderlich, und der Gleichungslöser wird nicht ausgeführt, wenn kein Wert angegeben ist.
10. Klicken Sie auf OK.
11. Fügen Sie ggf. Randelemente mit kleiner Steifigkeit hinzu, um die Bauteile zu stabilisieren. Weitere Informationen finden Sie auf der Seite Durchführen von Analysen mit Lückenelementen.

Tipps zum Zeichnen von Lückenelementen

1. Zeichnen Sie Linien, die die zugehörigen Knoten verbinden. Verwenden Sie den Befehl Zeichnen Zeichnen Linie.
2. Verwenden Sie den Befehl Zeichnen Konstruktion Kontaktelemente. Mit diesem Befehl werden die Linien zwischen zwei Gruppen von Knoten automatisch erstellt. Im Fall von linearer Spannung (wobei eine kleine Verformung angenommen wird), ist normalerweise nur die kürzeste, zu den Flächen senkrechte Linie erforderlich. Verwenden Sie in diesem Fall die Option Suchabstand beschränken. Weitere Informationen finden Sie unter Hinzufügen von Kontaktelementen zu einem Modell auf der Seite Geometrie hinzufügen.
3. Kopieren Sie die Linien aus einer Fläche in die zugehörige Fläche, uns verwenden Sie dabei die Option zum Verbinden der Kopien. Definieren Sie anschließend die verbundenen Linien als Lückenelemente. Stellen Sie sich zwei Platten vor, die sich berühren. Statt die Linien für die Lückenelemente einzeln zu zeichnen, führen Sie die folgenden Schritte durch:
   1. Wählen Sie die Linien (Auswahl Auswählen Linien) in einer der übereinstimmenden Flächen aus.
   2. Starten Sie den Befehl Kopieren mit Zeichnen Muster Verschieben oder kopieren.
   3. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Kopieren. Stellen Sie sicher, daß die Anzahl der zu erstellenden Kopien auf 1 festgelegt ist.
   4. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Zusammenfügen.
   5. Legen Sie den Gesamtabstand und den Richtungsvektor für die Kopie fest. Klicken Sie über die Schaltfläche Vektorauswahl auf zwei Knoten, wenn der Abstand oder die Richtung nicht bekannt sind.
   6. Klicken Sie auf OK. Die ausgewählten Linien werden in die zugehörige Fläche und die Linien zwischen den Flächen kopiert, die als Lückenelemente dienen.
   7. Da dadurch eine Kopie der ursprünglichen Linien in der zugehörigen Fläche erstellt wird und da diese zusätzlichen Linien nicht erforderlich sind, klicken Sie auf Löschen. (Der letzte Kopiervorgang ist weiterhin ausgewählt, nachdem der Befehl beendet wird.)
   8. Letzter Schritt: Ändern Sie die Verbindungslinien, die als Lückenelemente definiert werden können, in eine Bauteilnummer. In diesem Schritt wird in der Regel eine Umhüllung ausgewählt (Auswahl Form Rechteck), um die verbundenen Linien auszuwählen. Anschließend klicken Sie mit der rechten Maustaste, um die Attribute zu bearbeiten, und geben eine geeignete Bauteilnummer ein. Bei Verwendung der Umhüllungsauswahl muss sich die gesamte Linie innerhalb des Auswahlrechtecks befinden. Infolgedessen werden auch die Linien in den Flächen der Bauteile ausgewählt. Ändern Sie nicht die Attribute dieser Linien. Heben Sie die Auswahl der Linien in den Flächen auf, indem Sie während der Umhüllungsauswahl für diese Linien die Option zum Entfernen verwenden (wobei die Umschalt- und Strg-Tasten gedrückt werden). (Weitere Informationen finden Sie unter Ändern von Attributen und Duplizieren.)

Weitere Informationen zu Lücken - und Flächenkontaktelementen finden Sie unter Durchführen von Analysen mit Lückenelementen.