Dropped Object - ANSYS Tutorial

Introduksjon

Mange selskaper behøver å vite hva som skjer når noe faller i bakken. Mobiltelefoner designes for eksempel for å tåle støt som følge av at man mister de i bakken (noe vi forbrukere jo gjør nesten daglig, eller hva?). Containere, subsea-strukturer, maskiner og liknende har ofte designkrav som tilsier at de skal tåle støt som følge av fall fra et visst antall meter f.eks. i forbindelse med transport.

Det er vanlig å gjøre fysiske drop-tester av slike produkter og dette lærer man mye av. Dessverre kan man ikke gjøre fysisk testing før man har en prototype klar og det kan være uheldig å finne store designsvakheter på et så sent tidspunkt. Dette kan i sin tur føre til at man "tar i litt" for å gjøre produktet sterkere, men som bilindustrien har lært, er ikke styrke nødvendigvis den egenskapen man søker, derimot kan:

• fortsatt funksjon av produktet
• redusert skade på enkelte nøkkelkomponenter
• skade bare på visse soner

...være viktigere enn at det er "sterkt nok". Altså er mange på jakt etter større innsikt på et tidligere tidspunkt! Her kommer naturligvis FEM-analyse inn.

Se gjerne denne filmen som viser litt om hva vi snakker om:

Fysikk og numerikk

For hurtige forløp som støt, eksplosjoner og liknende er det en kjent sak at såkalte "eksplisitte" FEM-koder har et fortrinn. EDR har levert ANSYS LS-DYNA i mange år, men har siden ANSYS kjøpte opp AUTODYN også jobbet med disse produktene. Denne numerisk metoden er meget godt egnet for ikke-lineær materialoppførsel, kontakt mellom mange komponenter, men setter mye strengere krav til elementnettet enn tradisjonelle (implisitte) FEM-koder som ANSYS Structural. Det er en glidende overgang mellom bruksområdene til de ulike kodene, spør EDR om råd!

Etter lanseringen av ANSYS Explicit STR i release 12 av ANSYS har man fått tilgang til denne teknologien i ANSYS Workbench-grensesnittet og brukerterskelen har gått dramatisk ned. Dette har i sin tur ført til økt interesse for disse simuleringene hos våre kunder.

I denne artikkelen får du et sammendrag av skrittene for å sette opp en "Dropped Object"-simulering med ANSYS Explicit STR. Nesten all informasjonen her er gyldig om du heller er interessert i å simulere at noe faller på eller kolliderer med ditt produkt...

ANSYS Tutorial: Dropped Object

Bakgrunn

Produktet er en rammestruktur i stål, litt over 7 meter lang og veier opp mot 2 tonn. Produktet skal slippes i bakken og ha en hastighet på 10 m/s i trefføyeblikket. Strukturen skal i tillegg treffe med et hjørne først.

Vi er interessert i to ting; plastisk deformasjon og maks kraft i støtet.

Geometri

I denne analysen bruker vi en flatemodell som er generert i ANSYS DesignModeler basert på en 3D solidmodell fra SolidWorks. I ANSYS DesignModeler har vi brukt funksjonen Midplane, samt noen Face Delete for å fjerne bolthull og andre små detaljer.

Material

Vi velger en enkel materialmodell, bi-lineær isotropisk plastisitet. AUTODYN har mulighet til å simulere meget avansert materialoppførsel, som for eksempel termiske effekter av høy tøyningsrate, men det er naturligvis ikke nødvendig her...

Bakken simuleres som et stivt legeme, men tilordnes allikevel et materiale (på grunn av kontaktanalyse blant annet)

Mesh

Godt mesh/elementnett er nøkkelen til en bra eksplisitt FEM-analyse. Dette lærer man mer om i grunnkurset, men hovedreglene er:

• Minste element dikterer tidsskrittet og dermed total kjøretid på analysen.
• Dårlige elementer skaper problemer

Her velger vi å bruke "Uniform Quad"-metoden som ofte gir meget godt resultat uten særlig manuell innsats:

Laster og grensebetingelser

Hold fast bakken og spesifiser initiell hastighet! Start analysen like før "impact", ikke simuler selve fallet (det er jo bråstoppen som er farlig).

Analyse

Det finnes masse innstillinger man kan gjøre, men den eneste som MÅ bestemmes er slutt-tiden. Andre typiske ting man stiller på er parametere for Mass-scaling og Hourglassing controls, mer om det i grunnkurset

Resultater

Det er vanlig å se på resultater fra et bestemt øyeblikk, eller plotte resultat for et område over tid for å finne maksverdien på en kraft eller spenning. Animasjon er også nyttig for å forstå hvordan oppførselen er. Som regel ser man også på energien i systemet. Grafen under viser hvordan den kinetiske energien faller og går over til arbeid/plastisk deformasjon.

Det er mulig å plotte resultater mens analysen går! Dermed kan man bare avbryte om man ser at noe har gått feil, eller at analysen rett og slett er forbi kræsjøyeblikket.

Sammenligning med forsøk

Det er svært vanlig å gjøre fysiske forsøk, FEM-analyse er ikke en erstatning for forsøk, men kan tvert i mot øke forståelsen av resultatene fra testen og dermed verdien på testen. Dessuten rapporterer mange at forsøkene gjør en i stand til å "tune" analysene slik at analysene blir mer nøyaktige (og her ligger selvfølgelig konkurranseverdien til det enkelte selskap!)

Vil du vite mer?

Ring Tomas Jakobsen på EDR eller bruk vårt kontaktskjema: