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Randbedingungen und Lasten

In FrontISTR werden Randbedingungen und Lasten für Struktur-, Wärmeleitungs- und dynamische Analysen mit Schlüsselwörtern definiert. Bei statischen Strukturanalysen werden die definierten Randbedingungen und Lasten nach Gruppen-ID zusammengefasst und für jeden Schritt über !STEP mit dessen BOUNDARY- oder LOAD-Zeile aktiviert. Auch bei dynamischen Analysen können !BOUNDARY, !CLOAD, !VELOCITY, !ACCELERATION und beim impliziten Verfahren !SPRING gruppenweise über !STEP aktiviert werden. Zeitabhängige Bedingungen werden mit !AMPLITUDE skaliert; lineare Beziehungen zwischen mehreren Freiheitsgraden werden mit !EQUATION definiert.

Funktionsübersicht

Randbedingungen und Lasten lassen sich nach Analysetyp wie folgt klassifizieren.

Analysetyp Hauptschlüsselwörter Zweck
Strukturanalyse !BOUNDARY Wendet feste Zwangsbedingungen, vorgegebene Verschiebungen und vorgegebene Rotation um ein Rotationszentrum an.
Strukturanalyse !CLOAD Wendet konzentrierte Knotenkräfte, Momente auf Rotationsfreiheitsgrade und Drehmomente um ein Rotationszentrum an.
Strukturanalyse !DLOAD Wendet Flächendruck, Flächenlasten, Volumenkräfte, Gravitation und Zentrifugalkraft an.
Strukturanalyse !SPRING Wendet Federlagerungen auf Knotenfreiheitsgrade an.
Strukturanalyse !TEMPERATURE Gibt Knotentemperaturen für die thermische Spannungsanalyse direkt an oder liest sie aus einer Ergebnisdatei.
Dynamische Analyse !VELOCITY, !ACCELERATION Wendet Anfangsgeschwindigkeit bzw. -beschleunigung oder zeitabhängig vorgegebene Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung an.
Wärmeleitungsanalyse !FIXTEMP, !CFLUX, !DFLUX, !SFLUX, !FILM, !SFILM, !RADIATE, !SRADIATE Wendet feste Temperatur, Wärmestrom, Konvektion und Strahlung an.
Gemeinsam !AMPLITUDE Gibt zeitabhängige Skalierungsfaktoren für Randbedingungen und Lasten tabellarisch an.
Netzdefinition !EQUATION Definiert Mehrpunkt-Zwangsgleichungen.

In der Strukturanalyse werden die Freiheitsgradnummern 1, 2 und 3 normalerweise als translatorische Freiheitsgrade und 4, 5 und 6 als Rotationsfreiheitsgrade behandelt. Rotationsfreiheitsgrade sind bei Modellen mit sechs Freiheitsgraden sinnvoll, etwa bei Schalen- und Balkenelementen. Bei Modellen, die nur zwei- oder dreidimensionale Volumenelemente enthalten, dürfen Zwangsbedingungen und Lasten nur im Freiheitsgradbereich der Zielknoten angegeben werden.

Verschiebungszwangsbedingungen in der Strukturanalyse

Verschiebungszwangsbedingungen werden mit !BOUNDARY angegeben. Für einen Knoten oder eine Knotengruppe werden ein Freiheitsgradbereich und ein Wert vorgegeben. Der Wert 0 definiert eine feste Zwangsbedingung; ein Wert ungleich 0 definiert eine vorgegebene Verschiebung oder Rotation.

In der Strukturanalyse akzeptiert !BOUNDARY einen Freiheitsgradbereich von 1 bis 6. 1 bis 3 entsprechen translatorischen Verschiebungen, während 4 bis 6 Rotationszwangsbedingungen an Knoten mit Rotationsfreiheitsgraden entsprechen. Da ein Bereich von Freiheitsgraden gemeinsam angegeben werden kann, kann beispielsweise die Translation durch gleichzeitiges Festsetzen von 1 bis 3 gesperrt werden.

Wird der Parameter AMP angegeben, ändert sich der vorgegebene Wert zeitabhängig gemäß einer Amplitudenfunktion. Bei der normalen Angabe wird die vorgegebene Verschiebung inkrementell entsprechend dem Lastfaktor innerhalb des Schritts oder der Änderung der Amplitudenfunktion aufgebracht. Wird TOTAL=YES angegeben, wird der angegebene Wert als Ziel-Gesamtverschiebung behandelt.

Wird ROT_CENTER angegeben, kann eine Rotationszwangsbedingung bezüglich einer zentralen Knotengruppe angewendet werden. Bei dieser Angabe werden die translatorischen Verschiebungen der Zielknotengruppe aus dem Rotationsbetrag berechnet und als Zwangsbedingungen aufgeprägt. Die Kombination von ROT_CENTER und TOTAL=YES wird nicht unterstützt; Rotationszwangsbedingungen um ein Rotationszentrum werden daher als inkrementelle Vorgaben verwendet.

Konzentrierte Lasten in der Strukturanalyse

Konzentrierte Knotenlasten werden mit !CLOAD angegeben. Werden ein Knoten oder eine Knotengruppe, eine Freiheitsgradnummer und ein Lastwert angegeben, wird die Last auf der rechten Seite für diesen Freiheitsgrad berücksichtigt.

Werte für die translatorischen Freiheitsgrade 1 bis 3 werden als Knotenkräfte in den jeweiligen Koordinatenrichtungen behandelt. Bei Modellen mit Rotationsfreiheitsgraden können Werte für 4 bis 6 Momente auf die Rotationsfreiheitsgrade aufbringen. Wird der Parameter AMP angegeben, wird die konzentrierte Last mit dem Wert der Amplitudenfunktion multipliziert.

Wird ROT_CENTER angegeben, wird die Last als Drehmoment um die zentrale Knotengruppe aufgebracht. In diesem Fall wird der angegebene Drehmomentvektor anhand der Ortsvektoren vom Zentrum zu den Zielknoten auf Knotenkräfte verteilt. Da ein Drehmoment nicht verteilt werden kann, wenn das Zentrum und ein Zielknoten dieselbe Position haben, muss die geometrische Beziehung zwischen Rotationszentrum und Lastpunkten geprüft werden.

Besondere Sorgfalt ist erforderlich, wenn !CLOAD für eine Knotengruppe in einem Modell angegeben wird, das zugleich !MESH mit REFINE (Netzverfeinerung, Refiner) verwendet. Durch die Verfeinerung entstehen neue Mittelknoten auf Kanten, die zur ursprünglichen Knotengruppe gehören; diese Mittelknoten werden ebenfalls derselben Knotengruppe hinzugefügt. Da !CLOAD jedem Knoten der Knotengruppe denselben konzentrierten Lastwert zuweist, wird dieselbe konzentrierte Last auch auf die hinzugefügten Mittelknoten angewendet, sodass sich eine andere Gesamtlast als vor der Verfeinerung ergibt. Bei der Angabe konzentrierter Lasten über Knotengruppen muss die durch die Verfeinerung erhöhte Zahl der Lastangriffspunkte berücksichtigt werden; vorzugsweise sollten einzelne Knoten direkt angegeben werden.

Verteilte Lasten und Volumenkräfte in der Strukturanalyse

Verteilte Lasten und Volumenkräfte werden mit !DLOAD angegeben. !DLOAD gibt einen Lasttyp und Parameter für eine Element- oder Flächengruppe an. Die Zeitabhängigkeit wird mit dem Parameter AMP angegeben.

Die wichtigsten Lasttypen sind:

Lasttyp Beschreibung
P0, PP, P1–P6 Wendet Druck auf eine Elementfläche an. Die Zuordnung zwischen Flächennummern und Elementflächen hängt vom Elementtyp ab.
PX, PY, PZ Gibt Druck mit expliziter Koordinatenrichtung an. Bei der Eingabeverarbeitung wird daraus ein Richtungsvektor erzeugt.
S... Wendet eine Flächenlast auf eine Flächengruppe an. Die Flächennummer wird aus der Definition der Flächengruppe bestimmt.
BX, BY, BZ Wendet eine Volumenkraft in einer Koordinatenrichtung an.
GRAV Gibt den Gravitationsbeschleunigungsvektor an. Er wird mit der Materialdichte kombiniert und als Volumenkraft berücksichtigt.
CENT Wendet Zentrifugalkraft auf Basis einer Rotationsachse und Winkelgeschwindigkeit an.

Wird FOLLOW=YES angegeben, folgt der Flächendruck der Orientierung der verformten Fläche. Diese Angabe ist bei Strukturanalysen sinnvoll, die endliche Verformungen berücksichtigen. Bei Analysen mit deaktivierter geometrischer Nichtlinearität wird der Folgedruck von der Implementierung deaktiviert.

Wie bei P1 bis P6 und auf der Wärmeanalyseseite bei S1 bis S6 unterscheidet sich die Bedeutung der Flächennummern je nach Elementtyp. Die konkrete Zuordnung der Flächennummern und die Reihenfolge der Datenfelder finden Sie in der Keyword-Referenz.

Federlagerungen in der Strukturanalyse

Federlagerungen werden mit !SPRING angegeben. Werden ein Knoten oder eine Knotengruppe, eine Freiheitsgradnummer und eine Federsteifigkeit angegeben, wird die Federsteifigkeit zur Diagonalsteifigkeit des Zielfreiheitsgrads addiert und eine zur aktuellen Verschiebung proportionale Federreaktion auf der rechten Seite berücksichtigt.

Bei Angabe für die Freiheitsgrade 1 bis 3 wird die Lagerung als translatorische Feder behandelt. Bei Modellen mit Rotationsfreiheitsgraden können durch Angabe von 4 bis 6 Rotationsfedern verwendet werden. Prüfen Sie die Freiheitsgradkonfiguration, damit keine Federn Freiheitsgraden zugewiesen werden, die im Zielmodell nicht vorhanden sind.

In der aktuellen Implementierung wird die Federsteifigkeit von !SPRING nicht durch eine individuelle Amplitudenfunktion zeitabhängig verändert. Innerhalb eines Schritts wird sie entsprechend dem Schrittfaktor assembliert. Zum Ein- oder Ausschalten einer Federlagerung verwenden Sie die Gruppen-ID und !STEP mit dessen LOAD-Angabe, um die Feder für jeden Schritt zu steuern.

Temperaturlasten in der Strukturanalyse

Verwenden Sie !TEMPERATURE, um in einer Strukturanalyse Lasten infolge thermischer Dehnung aufzubringen. Wird für jeden Knoten oder jede Knotengruppe eine Temperatur angegeben, werden äquivalente Knotenkräfte für die thermische Spannungsanalyse anhand der Differenz zur Referenztemperatur oder zur vorherigen Temperatur assembliert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird in der Materialdefinition angegeben. Die Referenztemperatur wird mit !REFTEMP angegeben.

Die Temperatur kann entweder direkt in der Steuerdatei angegeben oder aus einer Ergebnisdatei einer Wärmeleitungsanalyse oder einer anderen Analyse eingelesen werden. Wird READRESULT angegeben, werden keine Knotentemperaturen aus den Datenzeilen gelesen; stattdessen werden die durch SSTEP, INTERVAL, READTYPE und zugehörige Parameter bezeichneten Ergebnisdaten eingelesen. Bei Verwendung einer Ergebnisdatei muss deren gespeicherte Zeit bzw. Schrittnummer mit der Angabe auf der Seite der Strukturanalyse übereinstimmen.

Da !TEMPERATURE keinen Parameter AMP besitzt, wird es nicht durch eine Amplitudenfunktion skaliert. Um den Temperaturverlauf zu ändern, müssen die Temperaturdaten selbst, die eingelesenen Ergebnisse der Wärmeleitungsanalyse oder die Schrittunterteilung gesteuert werden.

Anfangsbedingungen und vorgegebene Werte in der dynamischen Analyse (Geschwindigkeit und Beschleunigung)

Bei dynamischen Analysen können !VELOCITY und !ACCELERATION Anfangsbedingungen oder vorgegebene Werte für Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung angeben. Beide geben einen Knoten oder eine Knotengruppe, einen Freiheitsgradbereich und einen Wert an. Der Freiheitsgradbereich reicht von 1 bis 6; bei Modellen mit Rotationsfreiheitsgraden entsprechen 4 bis 6 Winkelgeschwindigkeit bzw. Winkelbeschleunigung.

TYPE=INITIAL gibt die Anfangsgeschwindigkeit oder Anfangsbeschleunigung zu Beginn der Analyse an. Wird eine Anfangsgeschwindigkeit vorgegeben, wird die Anfangsbeschleunigung so berechnet, dass Konsistenz mit der Bewegungsgleichung besteht. Bei vorgegebener Anfangsbeschleunigung existiert ein Pfad, in dem die Anfangsgeschwindigkeit berechnet wird.

TYPE=TRANSIT gibt eine zeitabhängige vorgegebene Geschwindigkeit oder Beschleunigung an. Wird TYPE weggelassen, wird TRANSIT angenommen. Wird AMP angegeben, wird die Amplitudenfunktion zum Zeitpunkt der dynamischen Analyse interpoliert und mit dem vorgegebenen Wert multipliziert.

Mehrpunkt-Zwangsbedingungen

Verwenden Sie die Mehrpunkt-Zwangsfunktion, wenn eine lineare Beziehung zwischen mehreren Knotenfreiheitsgraden auferlegt werden muss. Das zugehörige Schlüsselwort ist !EQUATION, mit dem Beziehungen wie starre Kopplungen, periodische Randbedingungen und Verschiebungsbeziehungen zwischen Knoten beschrieben werden können, die sich mit einer festen Zwangsbedingung an einem einzelnen Knoten und Freiheitsgrad nur schwer darstellen lassen.

Hinweise zur Verwendung von Mehrpunkt-Zwangsbedingungen, zu ihrer Behandlung durch den linearen Solver und zu ihrer Beziehung zu anderen Kopplungsfunktionen von Freiheitsgraden wie Kontakt TIED finden Sie unter Mehrpunkt-Zwangsbedingungen.

Randbedingungen in der Wärmeleitungsanalyse

In der Wärmeleitungsanalyse werden feste Temperatur, Wärmestrom, Konvektion und Strahlung als Randbedingungen angewendet. Unabhängig von !STEP der Strukturanalyse wird die Zeitsteuerung der Wärmeleitungsanalyse mit !HEAT angegeben.

Schlüsselwort Ziel Beschreibung Amplitudenangabe
!FIXTEMP Knoten oder Knotengruppe Fixiert die Temperatur. AMP
!CFLUX Knoten oder Knotengruppe Bringt einen konzentrierten Knotenwärmestrom auf. AMP
!DFLUX Element oder Elementgruppe Bringt einen verteilten Wärmestrom auf ein Elementvolumen oder eine Elementfläche auf. AMP
!SFLUX Flächengruppe Bringt einen Wärmestrom auf eine Flächengruppe auf. AMP
!FILM Element oder Elementgruppe Wendet eine Konvektionsrandbedingung auf eine Elementfläche an. AMP1, AMP2
!SFILM Flächengruppe Wendet eine Konvektionsrandbedingung auf eine Flächengruppe an. AMP1, AMP2
!RADIATE Element oder Elementgruppe Wendet eine Strahlungsrandbedingung auf eine Elementfläche an. AMP1, AMP2
!SRADIATE Flächengruppe Wendet eine Strahlungsrandbedingung auf eine Flächengruppe an. AMP1, AMP2

Bei !DFLUX bezeichnet BF eine volumetrische Wärmeerzeugung, während S0 bis S6 den Wärmestrom auf Elementflächen bezeichnen. Bei !FILM werden Elementflächen mit F0 bis F6, bei !RADIATE mit R0 bis R6 angegeben. Da die Zuordnung zwischen Flächennummern und tatsächlichen Elementflächen vom Elementtyp abhängt, finden Sie Einzelheiten in der Referenz des jeweiligen Schlüsselworts.

Eine Konvektionsrandbedingung gibt einen Wärmeübergangskoeffizienten und eine Außentemperatur an. Eine Strahlungsrandbedingung gibt einen der Emissivität entsprechenden Koeffizienten und eine Umgebungstemperatur an. AMP1 entspricht der Koeffizientenseite, AMP2 der Außen- bzw. Umgebungstemperaturseite, sodass beide unabhängig zeitabhängig verändert werden können.

Amplitudenfunktionen

Eine Amplitudenfunktion definiert die Zeitabhängigkeit einer Randbedingung oder Last über eine Tabelle aus Zeiten und Werten. In der Eingabe wird mit !AMPLITUDE eine benannte Zeittabelle definiert, auf die der Parameter AMP, AMP1 oder AMP2 des betreffenden Schlüsselworts verweist.

Die wichtigsten anwendbaren Schlüsselwörter sind:

!AMPLITUDE wird in Tabellenform (DEFINITION=TABULAR) eingelesen; als Zeittyp wird Schrittzeit (TIME=STEP) verwendet. Werte können als relative oder absolute Werte definiert werden, bei einzelnen Schlüsselwörtern werden sie jedoch normalerweise als Faktoren verwendet, die einen Basiswert multiplizieren.

!TEMPERATURE unterliegt keiner Amplitudenfunktion. Da !SPRING ebenfalls nicht mit einer unabhängigen Zeitvariation der Federsteifigkeit assembliert wird, erfolgt das Ein- und Ausschalten von Federlagerungen über die Schrittsteuerung.

Siehe auch