studienarbeit patran

Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Strukturmechanik und Simulation Fachbereich Maschinenbau

Simulation eines Faserverbundwerkstoffes in Patran/Nastran

am Beispiel einer einfachen Tragflügelgeometrie

Christoph Meyer Gunnar Lanatowitz

2006


2

Inhalt

1 Einleitung............................................................................................................. 4

2 Pre Processing .................................................................................................... 5

2.1 Die Geometrie .............................................................................................. 5

2.1.1 Import der Geometrie ............................................................................ 5

2.1.2 Überarbeitung der Geometrie für Darstellung des Holms als I-Profil..... 6

2.2 Das Mesh ..................................................................................................... 9

2.2.1 Erstellen des Mesh Seeds .................................................................... 9

2.2.2 Erstellen der Vernetzung anhand des Mesh Seeds ............................ 11

2.2.3 Reduzierung doppelter Knoten............................................................ 12

2.3 Der Laminataufbau..................................................................................... 13

2.3.1 Die Elementnormalen.......................................................................... 15

2.4 Erstellung des CFK-Tape als Grundwerkstoff ............................................ 16

2.4.1 Materials ............................................................................................. 16

2.5 Zwei Wege zur Definition des Laminataufbaus .......................................... 17

2.5.1 Speichern einer Kopie für den zweiten Weg ....................................... 17

2.6 Variante 1 – Laminaterstellung ohne LM.................................................... 18

2.6.1 Materials ............................................................................................. 18

2.6.2 Properties............................................................................................ 22

2.6.2.1 Zuweisung für die Schale, ohne den Bereich der Gurte............... 22

2.6.2.2 Zuweisung für den Steg ............................................................... 23


3

2.6.2.3 Zuweisung für den Bereich der Gurte .......................................... 23

2.7 Variante 2 – Laminaterstellung mit LM....................................................... 23

2.7.1 Material ............................................................................................... 24

2.7.2 Lagentypen (Plys) ............................................................................... 24

2.7.3 Lagenaufbau (Layup) .......................................................................... 29

2.7.3.1 Offset ........................................................................................... 31

2.7.4 Automatische Erstellung der Properties .............................................. 33

2.8 Gruppierung der Elemente ......................................................................... 34

2.9 Loads/BCs.................................................................................................. 35

2.9.1 Druckverteilungsfunktion..................................................................... 35

2.9.2 Last- und Lagerbedingungen .............................................................. 38

3 Berechnung ....................................................................................................... 45

4 Post Processing ................................................................................................ 46

4.1 Darstellung der Rechenergebnisse ............................................................ 46

4.2 Darstellung der Vergleichbarkeit der beiden Modelle ................................. 54

5 Fazit................................................................................................................... 56

6 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 57

7 Anhang.............................................................................................................. 58


4

1 Einleitung

Bei diesem Dokument handelt es sich um das vierte Manual, das im Zuge einer

Studienarbeit unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Reinert an der

Hochschule Bremen erstellt wurde. Es soll, wie auch die anderen Arbeiten,

interessierten Studenten die Möglichkeit bieten, sich in das Patran/Nastran

Softwarepaket anhand von überschaubaren Themengebieten einzuarbeiten.

Kenntnisse der grundlegenden Programmfunktionen sind für die Bearbeitung dieses

Manuals hilfreich.

Das vorliegende Dokument beschäftigt sich mit der Simulation von

Faserverbundwerkstoffen in Patran/Nastran. Es beschreibt zwei verschiedene Wege,

auf denen sich derartige Werkstoffe definieren lassen, und versucht deren Vor- und

Nachteile erkennbar zu machen.

Zum einen wird beschrieben, wie sich Verbundwerkstoffe mithilfe der

Grundfunktionen „Materials“ und „Properties“ simulieren lassen. Zum anderen wird

gezeigt, wie dieses mithilfe des Tools „Laminat-Modeler“ erfolgen kann.

Darüber hinaus werden noch weitere Patran-Funktionen in dieser Dokumentenreihe

erstmals verwendet:

• Gruppierung von Elementen

• Flächenlastdefinition mittels einer Funktion

• Erstellung des Mesh mithilfe von Ausgangsknoten (Mesh Seed)

Eine Liste der bereits geschriebenen Anleitungen findet sich im Literaturverzeichnis

(Kapitel 6) dieses Dokumentes.


5

2 Pre Processing

Das Pre Processing beinhaltet alle Schritte, die zur Erstellung des Modells nötig sind.

2.1 Die Geometrie

2.1.1 Import der Geometrie

Bevor die Geometrie importiert werden kann, muss zuvor eine neue Patran-

Datenbank erzeugt werden. Hierzu wird auf >File< und >New…< geklickt. Im

erscheinenden Fenster kann das Arbeitsverzeichnis über das Pull-Down-Menü

„Suchen in“ gewechselt werden und der Dateiname im gleichnamigen Textfeld

vergeben werden. In diesem Dokument wird der Dateiname „Goe398.db“ verwendet.

Das Fenster wird dann über >OK< wieder verlassen. Es ist zu beachten, dass sich

das Arbeitsverzeichnis auf einem Laufwerk mit ausreichend Speicherkapazität

befindet. Für einfache Modelle sind 15 bis 20 MB ausreichend.

Nun können die Geometriedaten mittels Klicken auf >File< und >Import…<

importiert werden. Im erscheinenden Fenster wird über das Pull-Down-Menü der

Speicherort des Zeichnungsfiles ausgewählt. Im nächsten Schritt wird im rechten

Bereich des Fensters im Menüpunkt „Source“ das Zeichnungsformat >IGES<

ausgewählt.

Als nächstes wird das „Goe398.igs“ File ausgewählt und über >Apply< importiert.

Es erscheint ein Fenster, das eine Übersicht über die importierten Geometrien bietet.

Diese werden durch Klicken auf >OK< bestätigt.

Durch freies Drehen (mittlere Maustaste) oder durch Klicken auf eine der

angebotenen Standardansichten kann das importierte Modell betrachtet werden.


6

Iso 3 View Fit View

Abbildung 1 – Darstellung in der „ISO 3 Ansicht“

Patran bietet eine Vielzahl von importierbaren Dateiformaten, auf die hier aber nicht

weiter eingegangen wird.

2.1.2 Überarbeitung der Geometrie für Darstellung des Holms als I-Profil

Zur Simulation des vorgesehenen Holms in Form eines I-Profils muss die

Flügelschale in kleinere Flächensegmente unterteilt werden. Hierzu sind zwei

Ebenen zu erstellen, an denen die Flügelschale aufgetrennt wird.

Zur besseren Übersicht soll die Ansicht gedreht werden. Im Menü >Viewing<,

>Angles…< werden die Winkel >-90 0 -90< (durch Leerzeichen getrennt)

eingegeben und anschließend auf >Apply< gedrückt. Über >Fit View< oder

>Strg+F< wird der Bildausschnitt angepasst.


7

Unter >Geometrie<, >Create<, >Plane< sollen nun die zwei Hilfsebenen erstellt

werden. Als „Method“ wird >Point Vektor< gewählt. Als Stützpunkt wird >Point 2<,

der obere Schnittpunkt des Holms mit der Flügelschale, ausgewählt und als Vektor

>Coord 0.2<, welcher der Y-Achse entspricht, eingegeben. Die Eingabe kann

manuell oder mithilfe der Picking-Option (Abbildung 2) erfolgen und wird wieder über

>Apply< abgeschlossen.

Die erstellte Ebene ist nun unter >Geometrie<, >Transform<, >Plane<,

>Translate< an ihre endgültige Position zu verschieben. Als „Translation Vektor“

wird >0 -50 0< eingegeben und als Ebene >Plane 1< in die „Plane List“ eingetragen.

Die Aktion ist wie üblich mit >Apply< abzuschließen. Anschließend wird dieselbe

Ebene noch auf >0 50 0< verschoben. Um die ursprüngliche Ebene zu löschen wird

ein Häckchen bei “Delete Original Planes“ gesetzt. >Apply<.

Nach dem Klicken auf >Refresh Graphics< (Abbildung 2) ergibt sich unten stehende

Ansicht. Es empfiehlt sich, die Grafikdarstellung oft über diese Funktion zu

aktualisieren.


8

Axis 2 - Y-Achse Picking Options Refresh grafics

Abbildung 2 - Picking Option

Nachdem die Hilfsebenen erzeugt wurden, kann nun die Flügelschale (Surface) an

diesen Ebenen aufgetrennt werden. Hierzu empfiehlt sich wieder die >ISO 3 Ansicht< (Abbildung 1).

Unter >Geometrie<, >Edit<, >Surface<, >Breake< wird die Option >Plane<

ausgewählt. Bei “Delete Original Surfaces“ muss ein Häkchen gesetzt sein, damit

keine sich überlagernden Surfaces entstehen.

Mit >Surface 1 2<, >Plane 2< und >Apply< werden die ersten beiden Surfaces

getrennt und mit >Surface 3 4<, >Plane 3< und >Apply< die anderen beiden.


9

Das Löschen der Originalsurfaces ist in der erscheinenden “Message Box“ durch

>Yes for All< zu bestätigen. Jetzt können die beiden Hilfsebenen über

>Geometrie<, >Delete<, >Plane<, >Plane 2 3< und >Apply< gelöscht werden.

Um eine übersichtlichere Nummerierung der Surfaces zu erhalten, werden diese

über >Geometrie<, >Renumber<, >Surface< neu nummeriert. Unter >Starting ID(s)< ist der Wert >1< einzugeben. In die „Surface List“ können durch Ziehen eines

Kastens um das komplette Modell alle Surfaces eingetragen werden. >Apply<.

Abbildung 3 - Neue Nummerierung der Surfaces

Danach ergibt sich die im (Abbildung 3) gezeigte Nummerierung der Surfaces. Für

den Fall, dass die Nummerierung der Surfaces nicht angezeigt wird, lässt sich dieses

im Menü >Display<, >Geometry< aktivieren. Durch das Setzen von Häkchen

können verschiedene Labels aktiviert werden. >Apply<

2.2 Das Mesh

Im folgenden Abschnitt wird beschrieben, wie die Vernetzung des Modells erfolgt.

Hierbei wird erklärt, wie mit Hilfe des „Mesh Seeds“ Einfluss auf die Verteilung und

Größe der Elemente genommen werden kann.

2.2.1 Erstellen des Mesh Seeds

Als erster Schritt soll die >ISO 3 Ansicht< gewählt werden und anschließend mithilfe

der Funktion >View Corners< an das rechte Ende des Modells herangezoomt

werden, so dass die einzelnen Kanten gut sichtbar und auswählbar werden.

1

2 3

4 5

6 7

8 9


10

Über >Elements<, >Create<, >Mesh Seed< sollen nun die Ausgangsknotenpunkte

für die Elemente erzeugt werden.

Für die erste Kante des Stegs ist eine gleichmäßige Elementenlänge ausreichend.

Diese läst sich über den Typ >Uniform< erstellen. Es gibt hierbei zwei Möglichkeiten

zur Beeinflussung der späteren Elemente. Zum einen durch Vorgabe der Anzahl der

Elemente oder zum anderen durch Vorgabe eines Richtwertes für die

Elementenlänge. In diesem Beispiel soll die Länge der Elemente mit >25<

vorgegeben werden. Als Kante dient >Surface 1.1< (erste Seite des Surface 1), die

senkrechte Seite des Stegs. Nach dem Klicken auf >Apply< werden die neuen

Punkte im Modell angezeigt.

Für die Kanten Surface 3.3, 4.3, 6.3 und 9.3 (Abbildung 4) werden die gleichen

Einstellungen verwendet. Sie können durch Halten der Shift-Taste und Anpicken der

Kanten alle gleichzeitig in die „Curve List“ eingetragen werden. Es sollten nun alle

fünf rechten Kanten des I-Profils ein Mesh-Seed besitzen.

Für die restlichen mit einem Mesh Seed zu versehenden Kanten des Modells wird

der Typ >One Way Bias< verwendet. Dieser ermöglicht es, unterschiedliche

Elementengrößen für die beiden Enden einer Kante vorzugeben. Den

Zwischenbereich füllt das Programm mit Elementen, deren Länge sich kontinuierlich

ändert. Auch hier gibt es wieder die zwei Möglichkeiten der Beeinflussung durch

Vorgabe der Elementenanzahl oder –länge.

Die Lage von L1 und L2 an einer Kante wird durch die Pfeilrichtung angegeben. In

der nachfolgenden Liste sind die nötigen Werte aufgelistet.

Kantenbezeichnung L1 L2

Surface2.3 5 25

Surface7.3 25 100

Surface8.3 100 25

Surface5.3 25 5

Surface1.4 50 100


11

Surface1.4

Surface7.3

Surface6.3Surface3.3

Sur

Surface9.3Surface4.3

Surface5.3

Surface2.3

face8.3Surface1.1

Abbildung 4 - Mesh Seed mit Bezeichnung der Kanten

2.2.2 Erstellen der Vernetzung anhand des Mesh Seeds

Nachdem nun das Mesh Seed erstellt wurde, soll im nächsten Schritt das Modell

vernetzt werden. Hierzu werden die folgenden Einstellungen gewählt: >Elements<,

>Create<, >Mesh<, >Surface<. Durch diese Einstellungen wird das Netz auf die

Flächen gelegt. Die zu verwendenden Elemente sollen dabei durch >Quad<,

>IsoMesh<, >Quad4< charakterisiert werden und sind auf die Surfaces 1-9 zu legen.

Dafür ist >Surface 1:9< in die „Surface List“ einzutragen oder durch Ziehen eines

Kastens um das ganze Modell auszuwählen. Nach dem Klicken auf >Apply< wird

das Netz aus 4125 Elementen und 4704 Knoten automatisch erzeugt.


12

Abbildung 5 - Mesh in Iso 3 View

2.2.3 Reduzierung doppelter Knoten

Bei den vorangehenden Arbeitsschritten sind doppelte Knoten entstanden. Diese

sollen jetzt gelöscht werden. Hierzu empfiehlt sich z.B. die Ansicht >Front View<.

Die nötigen Einstellungen sind >Elements<, >Equivalence<, >All<, >Tolerance Cube< mit einer „Equivalencing Tolerance“ von >0.05<. Jetzt sind noch die Knoten

auszuwählen, die vom Programm auf diese Bedingung hin überprüft und

gegebenenfalls gelöscht werden sollen. Die Auswahl geschieht durch Ziehen eines

Kastens und wird über >Apply< abgeschlossen. In der „Command History“ wird die

Anzahl der gelöschten Knoten angezeigt. Für den Fall, dass keine oder nur wenige

Knoten gelöscht wurden, ist es ratsam, kleinere Abschnitte des Modells zu

überprüfen (Abbildung 6). Letztendlich sollten in diesem Beispiel 560 doppelte

Knoten gelöscht worden sein.


13

Abbildung 6 - Reduzierung doppelter Knoten

Als nächstes werden die verbleibenden Knoten neu durchnummeriert. Dieses

geschieht über >Elements<, >Renumber<, >Node<. Als >Starting ID(s)< wird >1<

eingetragen. Durch Ziehen eines Kastens werden nun alle Knoten des Modells

ausgewählt. Nach dem Bestätigen durch >Apply< sind die Knoten jetzt durchgängig

mit Nummern von 1 – 4144 versehen.

2.3 Der Laminataufbau

Ein Laminat besteht immer aus mehreren Lagen, die in der Regel verschieden

zueinander ausgerichtet sind.

Für dieses Modell wurden zwei Laminate gewählt, eines für die Schale und ein

weiteres für den Holm. Entscheidend für die spätere Vergleichbarkeit der beiden

Modelle sind die einheitliche Laminatausrichtung und der Offset zur Surface. Der


14

Offset ist der Abstand zwischen erster Lage und der Surface, auf der das Laminat

aufgebracht wird. (Abbildung 7)

Abbildung 7 - Offsetdefinition

In diesem Modell soll das Laminat im Bereich der Schale und Gurte unter der

Surface liegen. Das Laminat des Steges soll mit seiner Symmetrieebene auf der

Surface liegen. (Abbildung 8)

Abbildung 8 - Geplante Lagenverteilung

1 16

1

1

1

1

16 32

16 17

17 16

Schale

Gurt

Steg Shellelement

16 32

Lagendicke t

Shellelement Normalenrichtung

Applikationsrichtung „Top“

1

4

+

– Laminatlagen

Offset – 4 t


15

2.3.1 Die Elementnormalen

Wichtig für die Eingabe der Laminatlagen und den späteren Offset ist die Richtung

der Elementnormalen. In diesem Modell sollten alle Elementnormalen der Schale

nach außen und die Elementnormalen des Steges zur Profilnase zeigen

(Abbildung 9). Die Ausrichtung der Elementnormalen kann über >Elements<,

>Verify<, >Element<, >Normals< angezeigt werden. Für eine Vektor-Darstellung

der Normalen ist unter „Display Control“ >Draw Normal Vectors< auszuwählen und

anschließend >Apply< zu drücken. Sollte die Ausrichtung nicht wie oben

beschrieben sein, kann für ein oder mehrere Elemente diese über >Elements<,

>Modify<, >Element<, >Reverse< und >Apply< geändert werden. In die „Element

List“ sind hierzu die zu ändernden Elemente einzutragen oder über Ziehen eines

Kastens auszuwählen. Sollte die Normalenrichtung nicht der in Abbildung 9

dargestellten Richtung entsprechen, so führt dieses zu einem anderen Ergebnis!

Dieses hängt mit der Eingabe der Lagen zusammen, die immer in Normalenrichtung

(wenn nicht anders ausgewählt) auf das Model „gelegt“ werden. Ist die

Normalenrichtung um 180° gedreht, drehen sich die Winkel des Laminates um 90°.

Abbildung 9 - Normalenrichtung der Elemente

y

z


16

2.4 Erstellung des CFK-Tape als Grundwerkstoff

Im Folgenden wird der Grundwerkstoff erstellt, aus dem im Anschluss das Laminat

erzeugt werden soll. Der spätere Laminataufbau kann auf verschiedenen Wegen

geschehen, von denen in diesem Dokument zwei beschrieben werden.

Als Grundwerkstoff ist ein CFK-Tape vorgesehen, welches für den gesamten

Laminataufbau verwendet wird. Es ist grundsätzlich auch möglich, hierfür

verschiedene Grundwerkstoffe zu verwenden.

2.4.1 Materials

Zur Erstellung des Grundwerkstoffes sind folgende Menüpunkte auszuwählen:

>Materials<, >Create<, >2d Orthotropic<, >Manual Input<. Als nächstes ist ein

Name für das Material einzugeben. Der Übersichtlichkeit halber sollte hierfür >CFK-Tape< gewählt werden. Durch Klicken auf den Button >Input Properties< öffnet sich

ein Fenster, in dem die Materialkennwerte einzugeben sind. Diese sind der

nachstehenden Tabelle zu entnehmen.


17

Property Name Value (Wert) Beschreibung

Elastic Modulus 11 181000 E-Modul längs der Faser

Elastic Modulus 22 10300 E-Modul quer zur Faser

Poission Ratio 12 0.28 Querkontraktionszahl

Shear Modulus 12 7170 Schubmodul xy

Shear Modulus 23 5000 Schubmodul yz

Shear Modulus 13 7170 Schubmodul xz

Density 1.6E-09 Dichte

Thermal Expan. Coeff 11 Wärmeausdehnungskoeff.

Thermal Expan. Coeff 22 Wärmeausdehnungskoeff.

Structural Damping Coeff Dämpfungskoeff.

Reference Temperature Referenztemperatur

Vor dem Verlassen über >OK< ist das Auswahlfeld „Constitutive Model“ auf >Linear Elastic< zu stellen. Zum Erzeugen des Werkstoffes ist nun noch >Apply< zu

drücken. Daraufhin erscheint das CFK-Tape in der Liste „Existing Materials“.

2.5 Zwei Wege zur Definition des Laminataufbaus

Patran bietet verschiedene Möglichkeiten, ein Laminat zu definieren. Zum einen kann

dies mit Hilfe der Grundfunktionen des Programms geschehen und zum anderen

durch Verwendung des Laminat-Modeler (LM) Tools.

2.5.1 Speichern einer Kopie für den zweiten Weg

Zur Bearbeitung der beiden in diesem Dokument beschriebenen Wege sollte das

Modell an dieser Stelle unter einem zweiten Namen gespeichert werden. Mit der

neuen Datei kann dann später der zweite Weg von dieser Stelle an nachvollzogen

werden.

Die zweite Datei lässt sich am einfachsten mit der Funktion >File<, >Save a Copy…< erzeugen. Im erscheinenden Fenster werden nun der neue Speicherort und


18

der neue Dateiname angegeben. In diesem Fall empfiehlt sich als Dateiname der

Name >Goe398_LM.db<.

Im nächsten Abschnitt wird nun das erste Laminatmodell erstellt.

2.6 Variante 1 – Laminaterstellung ohne LM

Variante 1 beschreibt, wie ohne Verwendung von Zusatztools ein Laminat definiert

werden kann.

2.6.1 Materials

Zuerst soll das Laminat für die Schale erzeugt werden. Hierzu wird auf >Materials<,

>Create<, >Composite< und >Laminate< geklickt.

Im nun erscheinenden Fenster werden Schritt für Schritt alle benötigten Angaben

über das Laminat eingetragen.

Zuerst wird im oberen linken Pull-Down-Menü >Symmetric< ausgewählt, da das

Laminat der Schale einen symmetrischen Aufbau hat. Durch diese Einstellung sind

nur 8 der insgesamt 16 Lagen einzugeben. Zuerst ist darauf zu achten, dass der

„Text Entry Mode“ auf >Insert< eingestellt ist. Des Weiteren ist >Material Names<

auszuwählen. Nachdem für die Eingabe des Materials alles vorbereitet wurde, kann

nun 8-mal auf „CFK-Tape“ rechts im Menü des Hauptfensters geklickt werden. Bei

jedem Klick sollte im „Laminat-Fenster“ eine neue Zeile in der Tabelle erscheinen.

Anschließend wird den 8 Lagen ihre Dicke zugewiesen. Hierzu wird in der

Auswahlliste von >Material Names< auf >Thicknesses< gewechselt. Im linken

Eingabefenster wird nun die Materialdicke der jeweiligen Lage eingegeben. In

diesem Beispiel beträgt sie für alle Lagen >0.25<. Über einen Klick auf den Button

>Load Text Into Spreadsheet< erscheint nun die Dicke in der Tabelle, es ist

insgesamt 8-mal auf diesen Button zu klicken.

Als letzte Eingabe erfolgt nun die Ausrichtung (Winkel) der einzelnen Lagen. In der

Auswahlliste ist auf >Orientations< umzustellen.


19

Nun werden alle 8 Richtungsangaben im dem linken Eingabefeld folgendermaßen

eingetragen: >45 -45 0 90 45 -45 0 90<. Die einzelnen Richtungsangaben werden

dabei durch Leerstellen getrennt. Die Eingabe ist wieder über den Button >Load Text Into Spreadsheet< in die Tabelle zu laden. Es sollten nun alle 8 Lagen eine

Richtungsangabe besitzen. Fehlerhafte Eingaben können durch eine direkte Auswahl

des Tabellenfeldes editiert werden. Des Weiteren ist es möglich über den Button

>Delete Selected Rows< ausgewählte Zeilen komplett aus der Tabelle zu löschen.

Zuletzt ist der Offset von der Surface im oberen rechten Feld einzutragen. Für die

Schale gilt >-4<, da jede der 16 Lagen 0,25mm dick ist und entgegengesetzt der

Normalenrichtung der Elemente verschoben werden soll (Abbildung 7).

Sind alle Eingaben korrekt getätigt, wird im Textfeld „Material Name“ des

Hauptfensters der Name >CFK_Laminat_Schale< eingeben. Durch einen Klick auf

>Apply< ist das erste Laminat erzeugt.

Für den Laminataufbau des Steges sind die soeben beschriebenen Schritte zu

wiederholen. Ein Unterschied besteht lediglich in der Winkelausrichtung der

einzelnen Lagen. Folgende Werte sind einzugeben:

Material-Name Thickness Orientation 1 CFK-Tape 0.25 45

2 CFK-Tape 0.25 -45

3 CFK-Tape 0.25 -45

4 CFK-Tape 0.25 45

5 CFK-Tape 0.25 0

6 CFK-Tape 0.25 90

7 CFK-Tape 0.25 45

8 CFK-Tape 0.25 -45

Da sich der Materialname und die Dicke nicht ändern, besteht auch die Möglichkeit,

in der ersten Tabellenzeile die rechte obere Zelle auszuwählen und die bestehenden

Richtungsangaben zu überschreiben. Hierzu wir der „Text Entry Mode“ auf

>Overwrite< gestellt.

Zuletzt wird für das Laminat der Offset von >-2< eingetragen.


20

Nachdem alle Eingaben korrekt ausgeführt wurden, wird im Hauptmenü der neue

„Material Name“ vergeben. Für den Steg lautet er >CFK_Laminat_Steg<. Durch

>Apply< ist die Eingabe abzuschließen.

Zuletzt erfolgt die Materialzusammenstellung für den Bereich der Gurte. In diesem

Bereich muss den einzelnen Elementen ein Laminat zugewiesen werden, das sich

aus dem Laminat der Schale und dem des Holms zusammensetzt (Abbildung 8).

Die Vorgehensweise für die Dateneingabe ist weitestgehend identisch mit den

beiden vorangegangen Arbeitsschritten. Im Vergleich zu den beiden anderen

Laminaten ist dieses jedoch nicht symmetrisch. Aus diesem Grund ist die „Stacking

Sequence Convention“ auf >Total< umzustellen. Die Materialdateneingabe kann nun

auf die gewohnte Art erfolgen.


21

Material-Name Thickness Orientation 1 CFK-Tape 0.25 45

2 CFK-Tape 0.25 -45

3 CFK-Tape 0.25 -45

4 CFK-Tape 0.25 45

5 CFK-Tape 0.25 0

6 CFK-Tape 0.25 90

7 CFK-Tape 0.25 45

8 CFK-Tape 0.25 -45

9 CFK-Tape 0.25 -45

10 CFK-Tape 0.25 45

11 CFK-Tape 0.25 90

12 CFK-Tape 0.25 0

13 CFK-Tape 0.25 45

14 CFK-Tape 0.25 -45

15 CFK-Tape 0.25 -45

Gur

t

16 CFK-Tape 0.25 45

17 CFK-Tape 0.25 45

18 CFK-Tape 0.25 -45

19 CFK-Tape 0.25 0

20 CFK-Tape 0.25 90

21 CFK-Tape 0.25 45

22 CFK-Tape 0.25 -45

23 CFK-Tape 0.25 0

24 CFK-Tape 0.25 90

25 CFK-Tape 0.25 90

26 CFK-Tape 0.25 0

27 CFK-Tape 0.25 -45

28 CFK-Tape 0.25 45

29 CFK-Tape 0.25 90

30 CFK-Tape 0.25 0

31 CFK-Tape 0.25 -45

Scha

le

32 CFK-Tape 0.25 45


22

Nachdem alle erforderlichen Daten eingegeben sind, ist in der oberen rechten Ecke

wieder ein Offset einzustellen. Für die Gurte gilt ein Offset von >-8<. Nachdem der

Name >CFK_Laminat_Gurt< eingegeben wurde, ist über >Apply< alles nochmals

zu bestätigen.

2.6.2 Properties

Im folgenden Schritt werden den einzelnen Elementen die jeweiligen Materialien

zugewiesen. Durch die geschickte Anordnung der einzelnen Surfaces ist dieses

relativ einfach zu realisieren.

2.6.2.1 Zuweisung für die Schale, ohne den Bereich der Gurte

Nachdem im Menü >Properties< ausgewählt wurde, ist in der rechten Menüleiste

>Create<, >2d<, >Shell< einzustellen. Für die Schale wird der „Property Set Name“

>Schale< im dazugehörigem Textfeld eingeben. Unter „Options“ ist >Laminate< und

>Standard Formulation< auszuwählen.

Über den Button >Input Properties< öffnet sich ein weiteres Fenster. In diesem wird

der Cursor in das Feld „Material Name“ gesetzt und danach im unteren Bereich des

Fensters das Laminat der Schale >CFK_Laminat_Schale< angeklickt. Ist die

Auswahl richtig vorgenommen worden steht in dem Feld nun

„m:CFK_Laminat_Schale“.

In das Feld „[Material Orientation]“ ist >Coord 0.1< für die X-Achse zu schreiben. Der

dazugehörige Value Type ist auf >Vector< zu stellen. Alle anderen Felder bleiben

leer und der Value Type von „[Laminate Optionen]“ sollte auf >String< stehen. Über

>OK< kann das Fenster nun geschlossen werden.

Im rechten Menü werden nun die Surfaces der Schale in das Feld „select members“

eingetragen: >Surface 2 5 7 8<, >Add<. Mit >Apply< sind die Properties für die

Schale eingegeben.


23

2.6.2.2 Zuweisung für den Steg

Als „Property Set Name“ ist >Steg< einzugeben. Bei den „Input Properties“ wird als

Material >m:CFK_Laminat_Steg< eingetragen oder ausgewählt. Der Steg besteht

nur aus der >Surface 1<, die bei „Application Region“ einzutragen ist. >Add<,

>Apply<.

2.6.2.3 Zuweisung für den Bereich der Gurte

Als „Property Set Name“ ist >Gurt< einzugeben. Bei den „Input Properties“ wird als

Material >m:CFK_Laminat_Gurt< eingetragen oder ausgewählt. Als „Application

Region“ dienen >Surface 3 4 6 9<, >Add<, >Apply<.

Die Weiterbearbeitung dieser Variante erfolgt im Kapitel „Gruppierung der Elemente“

ab Seite 34.

2.7 Variante 2 – Laminaterstellung mit LM

In diesem Abschnitt wird eine zweite Möglichkeit dargestellt, um den einzelnen

Elementen die Property zuzuweisen. Die Zuweisung soll mittels des Laminat-

Modelers geschehen, eines speziellen Tools, das Patran beinhaltet. Dieses Tool

bietet die Möglichkeit, komplexe Laminate aufzubauen und diese in so genannten

Layup-Files zu speichern.

Zuerst ist die aktuelle Datei zu schließen (speichern nicht vergessen) und die zuvor

erstellte Datei Goe398_LM.db zu öffnen.

Nachdem die Datei geöffnet wurde, ist ein neues Layup-File zu erstellen. Hierzu wird

in der oberen Menüleiste auf >Tools<, >Laminate Modeler<, >Layup/Laminate…<

geklickt. Im nun erscheinenden rechten Menü wird >New Layup File…< angeklickt.

Der Name ist frei wählbar, empfehlenswert ist >Goe398_LM.layup<. Durch einen

Klick auf >OK< wird die neue Datei erstellt.


24

2.7.1 Material

Bevor die Lagen und ihre Richtungen den Elementen zugewiesen werden können, ist

ein neues Material für den Laminat-Modeler zu erstellen. Dazu wird im rechten Menü

>Create<, >LM_Material<, >Add< ausgewählt. Unter „LM_Material Name“ wird

>CFK_LM< eingeben und danach in der darunter angezeigten Materialliste das

„CFK-Tape“ ausgewählt. Zuletzt erfolgt die Eingabe der Materialdicke, die für alle

Lagen den Wert >0.25< erhält. Mittels eines Klicks auf >Apply< ist das LM-Material

erstellt.

2.7.2 Lagentypen (Plys)

Im folgenden Schritt werden im Laminat-Modeler die einzelnen Lagentypen (Plys)

definiert. Diese Definitionen enthalten Angaben darüber, auf welchen Surfaces sie

später appliziert werden können. Zusätzlich wird eine Richtung der einzelnen Lagen

zum Modell angegeben. Die erstellten Lagentypen lassen sich später im so

genannten Laminat-Layup in ihrer Anzahl und Reihenfolge zum Gesamtlaminat

zusammensetzten. Die Anzahl der Plys ergibt sich aus den vier Richtungen (0°, 90°,

45°, -45°) und dem Applikationsbereich (Oberschale, Unterschale, Steg, Gurt). In den

Applikationsbereichen wird angegeben, aus welcher Richtung (oben, unten) die

Lagen auf die Surfaces gelegt werden.

Zuerst sollen die Lagentypen für die Oberschale definiert werden. Die Oberschale

besteht aus insgesamt vier verschiedenen Lagentypen. In diesem Beispiel soll mit

der Lage 00° angefangen werden. Hierzu wird >Create<, >LM_Ply<, >Add< eingestellt. Als „LM_Ply Name“ wird >Oberschale_00< eingeben. Es ist auf eine

eindeutige Namensvergabe zu achten, um später die einzelnen Lagentypen

identifizieren zu können. Als Material wird >CFK_LM< ausgewählt. Das Modell muss

nun so gedreht werden, dass die Oberschale betrachtet wird. Hierfür ist der View-

Angle >-50 5 -130< empfehlenswert. (siehe Seite 6) Der Applikationsbereich der

Oberschale besteht aus den Surfaces 2, 3, 6 und 7. Diese sind mit gedrückter

SHIFT-Taste auszuwählen oder manuell in der Form >Surface 2 3 6 7< in das Feld

„Select Area“ einzutragen. Als „Start Point“ ist ein Knoten oder Punkt auf der

Oberschale auszuwählen. Es bietet sich an, einen Eckpunkt der Hinterkante z.B.


25

>Point 8< zu wählen. Als Applikationsrichtung ist >Normal< einzustellen. Ein Pfeil

sollte nun auf die Oberschale von außen zeigen. Ist dies nicht der Fall, ist das Modell

zu drehen und die Applikationsrichtung erneut einzugeben. Die Referenzrichtung ist

in unserem Fall die X-Achse. Diese wird entweder manuell mit >Coord 0.1< oder

über die Picking Option (Abbildung 2) ausgewählt. Der Referenzwinkel zur Achse

dieser Lage ist >00< Grad. Sind alle Felder ausgefüllt, sollte die Bildschirmanzeige

wie in (Abbildung 10) aussehen. Bevor nun über >Apply< die Eingabe des Lagetyps

erfolgt, ist nochmals darauf zu achten, dass der angezeigte Vektor der „Application“

von „außen“ normal zu den Elementen steht und der Vektor der „Reference“ parallel

zur X-Achse liegt.

Abbildung 10 - 1. Ply - Oberschale_00 (View Angle >-50 5 -130<)

Für die Oberschale müssen noch drei weitere Lagentypen erzeugt werden. Hierfür

sind der „LM_Ply Name“ und der „Reference Angle“ wie folgt zu ändern und jeweils

nach der Eingabe über >Apply< zu bestätigen:


26

LM_Ply Name Reference Angle Oberschale_90 90

Oberschale_45 45

Oberschale_-45 -45

Um die Lagentypen für die Unterschale zu erzeugen, muss das Modell nun so

gedreht werden, dass die Unterseite sichtbar ist. Diese Drehung ist erforderlich,

damit die Normalenrichtung der Lagen von „außen“ auf die Unterschale zeigt.

Andernfalls würde sie von innen auf die Unterschale weisen, was nicht beabsichtigt

ist. Als View Angle (siehe Seite 6) empfiehlt sich hier >120 -10 -60<.

Die Werte sind der Tabelle zu entnehmen und wie bei der Oberschale beschrieben

einzugeben.

• LM Material

>CFK_LM<

• Surfaces

>Surface 4 5 9 8<

• Reference Direction

>Coord 0.1<

• Start Point

ein Knoten oder Punkt der Hinterkante z.B. >Node 3308<

LM_Ply Name Reference Angle Unterschale_00 00

Unterschale_90 90

Unterschale_45 45

Unterschale_-45 -45

Für den Gurt der Unterschale (Untergurt) sind folgende Werte einzugeben:

• View Angle

wie Unterschale >120 -10 -60<

• LM Material

>CFK_LM<


27

• Surfaces

>Surface 4 9<


>Coord 0.1<

• Start Point

ein Knoten oder Punkt im Bereich des Untergurtes z.B. >Node 391<

LM_Ply Name Reference Angle Untergurt_00 00

Untergurt_90 90

Untergurt_45 45

Untergurt_-45 -45

Für den Gurt der Oberschale sind folgende Werte einzugeben:

• View Angle

wie Oberschale >-50 5 -130<

• LM Material

>CFK_LM<

• Surfaces

>Surface 3 6<


>Coord 0.1<

• Start Point

ein Knoten oder Punkt im Bereich des Obergurtes z.B. >Node 2<

LM_Ply Name Reference Angle Obergurt_00 00

Obergurt_90 90

Obergurt_45 45

Obergurt_-45 -45

Für den Steg sind folgende Werte einzugeben:

• View Angle

>-70 0 -30<


28

• LM Material

>CFK_LM<

• Surfaces

>Surface 1<


>Coord 0.1<

• Start Point (Abbildung 11)

ein Knoten oder Punkt im Bereich des Holms z.B. >Point 3<

LM_Ply Name Reference Angle Steg_00 00

Steg_90 90

Steg_45 45

Steg_-45 -45

Abbildung 11 - Applikation auf dem Steg (View Angle >-70 0 -30<)


29

2.7.3 Lagenaufbau (Layup)

Alle erforderlichen Lagentypen für das Modell wurden nun erstellt. Diese erhalten

nun im so genannten Laminat-Layup (LM_Layup) ihre Anordnung zum

Gesamtlaminat. Im Gegensatz zum Beispiel ohne Laminat-Modeler wird hier ein

Gesamtlaminat erstellt, das alle Informationen für alle Elemente beinhaltet.

Zum Erstellen des Layups wird auf >Create<, >LM_Layup<, >Add< geklickt. Als

„LM_Layup Name“ wird >Goe398_LM< eingegeben. Nach dieser Eingabe wird auf

den Button >Layup Definition< geklickt. Im sich öffnenden Fenster können nun die

Lagen, ähnlich wie bei der Eingabe ohne Laminat-Modeler, nacheinander

ausgewählt und dem Gesamtlaminat zugewiesen werden. Um die Einträge in der

Liste der „Existing LM_Plys“ zu reduzieren, kann im kleinen Textfeld darüber ein

Filterkriterium eingetragen werden.

In diesem Beispiel sollen zuerst der Steg, dann die Bereiche der Oberschale und

zum Schluss die Bereiche für die Unterschale eingegeben werden. Die nachfolgende

Tabelle zeigt, in welcher Reihenfolge die Lagen nun im unteren Feld angeklickt

werden sollen.


30

Pos LM Ply Pos LM Ply 1 Steg_45 41 Oberschale_90 2 Steg_-45 42 Oberschale_00 3 Steg_-45 43 Oberschale_-45 4 Steg_45 44 Oberschale_45 5 Steg_00 45 Oberschale_90 6 Steg_90 46 Oberschale_00 7 Steg_45 47 Oberschale_-45 8 Steg_-45 48 Oberschale_45 9 Steg_-45 49 Untergurt_45 10 Steg_45 50 Untergurt_-45 11 Steg_90 51 Untergurt_-45 12 Steg_00 52 Untergurt_45 13 Steg_45 53 Untergurt_00 14 Steg_-45 54 Untergurt_90 15 Steg_-45 55 Untergurt_45 16 Steg_45 56 Untergurt_-45 17 Obergurt_45 57 Untergurt_-45 18 Obergurt_-45 58 Untergurt_45 19 Obergurt_-45 59 Untergurt_90 20 Obergurt_45 60 Untergurt_00 21 Obergurt_00 61 Untergurt_45 22 Obergurt_90 62 Untergurt_-45 23 Obergurt_45 63 Untergurt_-45 24 Obergurt_-45 64 Untergurt_45 25 Obergurt_-45 65 Unterschale_45 26 Obergurt_45 66 Unterschale_-45 27 Obergurt_90 67 Unterschale_00 28 Obergurt_00 68 Unterschale_90 29 Obergurt_45 69 Unterschale_45 30 Obergurt_-45 70 Unterschale_-45 31 Obergurt_-45 71 Unterschale_00 32 Obergurt_45 72 Unterschale_90 33 Oberschale_45 73 Unterschale_90 34 Oberschale_-45 74 Unterschale_00 35 Oberschale_00 75 Unterschale_-45 36 Oberschale_90 76 Unterschale_45 37 Oberschale_45 77 Unterschale_90 38 Oberschale_-45 78 Unterschale_00 39 Oberschale_00 79 Unterschale_-45 40 Oberschale_90 80 Unterschale_45


31

Nachdem alle Lagen in die Tabelle eingegeben wurden, sollten diese nochmals

kontrolliert werden. Hierzu ist es hilfreich, auf die Taste >Expand< zu klicken, um

sich alle Lagen anzeigen zu lassen. Wurde die Taste Expand nicht gedrückt, werden

zwei identische, aufeinander folgende Lagen in einer Zeile dargestellt. Nach der

Kontrolle ist das Fenster über >OK< zu schließen.

In diesem Beispiel wurde jede Lage einzeln in die Tabelle „geklickt“. Dieses wurde

zur Fehlervermeidung so vorgenommen. Das Programm bietet auch über die oberen

Buttons Funktionen wie z.B. Spiegeln, Wiederholen, Kopieren, Ausschneiden,

Einfügen oder Spiegelverkehrtes Einfügen an.

2.7.3.1 Offset

Im nächsten Schritt ist nun der Offset für die einzelnen Bereiche zu definieren. Hierzu

wird auf den Button >Offset Definition…< geklickt.

Im Menü wird >Define Offsets< ausgewählt und unter „Values“ ist folgendes

einzutragen:

Für den Steg:

• View Angle

>-70 0 -30<

• Select Area

> Surface 1<

• Definition Point

z.B. >Point 3<

• Definition Direction

>Normal<

• Offset Value

>0.0<

• Offset Flag

>Middle<

Abschließend >Create<.


32

Für die Oberschale:

Neue Zeile auswählen unter “Define Offsets”.

• View Angle

>-50 5 -130<

• Select Area

>Surface 2 3 6 7<


z.B. >Point 3<


>Normal<

• Offset Value

>0.0<

• Offset Flag

> Bottom <


Für die Unterschale:

Neue Zeile auswählen unter “Define Offsets”.

• View Angle

>120 -10 -60<

• Select Area

> Surface 4 5 8 9<


z.B. >Point 5<


>Normal<

• Offset Value

>0.0<

• Offset Flag

>Bottom<


33


Sind alle drei Offsets definiert, ist das Fenster über >OK< zu schließen.

2.7.4 Automatische Erstellung der Properties

Nachdem nun das Gesamtlaminat und die dazugehörigen Offsets eingegeben

wurden, ist alles über >Apply< zu bestätigen.

Nach dem Drücken auf Apply erscheint auf dem Bildschirm folgende Message Box:

Abbildung 12 - Message Box zur Erstellung der Properties

Diese ist durch >Yes< zu bestätigen. An dieser Stelle werden nun drei Properties

automatisch erzeugt. Weicht die Anzahl der erstellten Properties von drei ab,

empfiehlt es sich den Lagenaufbau und die Offsetdefinition im Laminat-Modeler zu

überprüfen. Wird nun im Hauptfenster auf >Properties<, >Modify<, >2D<, >Shell<

geklickt, sind diese drei zu sehen.

Die Properties teilen sich wie folgt auf:

• Goe398_LM_1 ist der Steg.

• Goe398_LM_2 sind die Ober- und Unterschale.

• Goe398_LM_3 sind die Ober- und Untergurte.


34

2.8 Gruppierung der Elemente

Die nachfolgenden Arbeitsschritte beziehen sich wieder auf beide Varianten!

Zur besseren Darstellung des Modells ist es hilfreich, für den Holm und die Schale

zwei Darstellungsgruppen zu erstellen. Diese Darstellung ermöglicht eine bessere

Auswahlmöglichkeit der Elemente und Knoten bei der Eingabe der Lager und Kräfte.

Die Gruppen sollen anhand der jeweiligen Property Sets der einzelnen Modelle

vergeben werden. Hierzu ist als erstes in der Menüleiste auf >Group<, >Create<, >Property Set< zu klicken. Nun wird im Feld „Group Name“ ein Name für die

jeweilige Gruppe eingetragen und dann die dazugehörigen Property Sets aus der

Liste ausgewählt. Durch Klicken auf >Apply< wird die Gruppe erstellt.

Da sich beide Modelle in den Namen der Property Sets unterscheiden, zeigt folgende

Tabelle eine Übersicht zu den Modellen:

Property Sets

Ohne LM Mit LM Steg Goe398_LM_1

Gurt Goe398_LM_3

Schale Goe398_LM_2

Erstellte Gruppen:

• Schale mit Gurt+Schale

• Steg mit Steg

• Holm mit Gurt+Steg

Sind die Gruppen erstellt, können diese über >Post< ausgewählt und mit >Apply<

angezeigt werden.

Über >Delete< können unerwünschte Gruppen gelöscht werden, jedoch sollte zur

Sicherheit die Gruppe „default_group“ nicht gelöscht werden, da diese Gruppe das

gesamte Modell beinhaltet (Geometrie, Elemente, Knoten, etc…)


35

2.9 Loads/BCs

Nachdem das komplette Modell erstellt wurde, werden als letztes die Lasten und die

Lagerbedingung definiert. Als Lastfall soll in diesem Beispiel eine Druckverteilung auf

der gesamten Holmbreite definiert werden. Als Annäherung für die Druckverteilung

auf dem Profil soll eine Dreiecksfunktion verwendet werden. Die resultierende Kraft

aus dieser Druckverteilungsfunktion soll F=5000N sein.

2.9.1 Druckverteilungsfunktion

Abbildung 13 - Druckverteilungsfunktion

Für die Druckverteilungsfunktion gilt somit:

(1) max4000

max)( PLL

LPL

+⋅−==

P

Pmax

P [N/mm²]

4000

max

=

−=LLP

mF=5000N

L [mm]

Um in Patran die Funktion eingeben zu können, muss Pmax errechnet werden, damit

die Geradengleichung aufgestellt werden kann.


36

Bekannt:

Resultierende Kraft F=5000N

Steigung der Funktion 4000

max

=

−=LLP

m

Holmbreite idealisiert b=50mm (ohne Krümmung des Holms)

Für die resultierende Kraft gilt:

(2) bLP

dLLPbF ⋅⋅== ∫ 2)( max

0

4000

Somit ergibt sich aus (2) für Pmax:

(3) 2max 05,0400050 mmmmmmLb

P =⋅

=⋅

=500022 NNF ⋅⋅

Daraus resultiert die Steigung der Funktion:

(4) ³

1025,14000

²05,0

5

4000

max

mmN

mmmmN

LP

mL

−

=

⋅−=−=−=

Somit ergibt sich für die spätere Eingabe in Patran aus (4) und (3) eingesetzt in (1):

(5) 05,01025,1)( 5max

4000

max +⋅⋅−=+⋅−= −

=

LPLL

LPL

P


37

Abbildung 14 - Verteilung der Flächenlast

Bevor nun mit der eigentlichen Eingabe der Last- und Lagerbedingungen in Patran

begonnen werden kann, ist die aufgestellte Druckverteilungsfunktion einzugeben.

Hierzu wird auf >Fields< geklickt. Die Eingabe erfolgt nun weiter über >Create<,

>Spartial<, >PCL Funktion<. Im Feld „Field Name“ ist ein Name zu vergeben z.B.

>Druckfunktion< Als „Field Type“ ist >Scalar< und als „Coordinate System Type“ ist

>Real< auszuwählen.

Als „Coordinate System“ ist >Coord 0< einzugeben. Somit ist für die Funktion das

Ursprungskoordinatensystem gewählt. Unsere Länge L entspricht somit X der X-

Achse.

Als „Scalar Funktion“ ist die Druckverteilungsfunktion (5) einzugeben

>-1.25e-5*’X+0.05<

Die Eingabe für „’X“ erfolgt durch einfaches anklicken auf die Variable.

Über >Apply< ist die Eingabe abzuschließen.

b

L [mm]

P [N/mm²]


38

Nachdem nun die Druckverteilungsfunktion eingegeben wurde, kann mit der Eingabe

der Last- und Lagerbedingungen begonnen werden.

2.9.2 Last- und Lagerbedingungen

Hierzu ist auf >Load/BCs<, >Create<, >Pressure<, >Element Uniform< zu klicken.

Als Name ist unter „New Set Name“ z.B. >Druckverteilung< einzugeben. Der

„Target Element Type“ ist auf >2D< einzustellen.

Mit einem Klick auf >Input Data< öffnet sich ein Untermenü, in dem die

Druckfunktion eingeben wird. Zuerst wird in das Feld „Bot Surf Pressure“ der Cursor

gesetzt und dann ist die >Druckfunktion< unter „Spartial Field“ anzuklicken. Danach

sollte die Druckfunktion in dem Feld „Bot Surf Pressure“ als >f:Druckfunktion<

stehen. Ist dieses der Fall wird das Untermenü über >OK< verlassen.

Als nächstes wird auf >Select Applications Region< geklickt. Im sich öffnenden

Untermenü ist als „Geometry Filter“ >FEM< auszuwählen.

An dieser Stelle sollte das Modell in den View Angle >0 -90 0< gedreht und die

Gruppe „Holm“ (vgl. Kapitel „Gruppierung der Elemente“, Seite 34) angezeigt

werden.

In dieser Ansicht lassen sich jetzt durch einfaches Ziehen eines Kastens die

Elemente für das Feld „Select 2D Elements or Edges“ auswählen. Für die Elemente

über dem Steg ist ein Kasten zu ziehen und ebenso für die Elemente unter dem

Steg. Nach Ziehen des Kastens ist jeweils >Add< zu klicken (Abbildung 15). Sind die

nötigen Elemente ausgewählt ist das Untermenü über >OK< zu schließen.


39

Auswahlbereich 1

Auswahlbereich 2

Abbildung 15 - Elementenauswahl für Druckverteilung

Alle Eingaben für den Druck sind nun getroffen und werden über >Apply< bestätigt.

Jetzt sollte das Modell wie in Abbildung 16 aussehen. Jedes Element im Bereich des

Holmes hat nun einen Vektorpfeil, der den Druck symbolisiert. Zoomt man nun an die

„ersten“ Elemente - von der x-Achse aus gesehen - heran, sollte hier der Vektorpfeil

einen Wert von ca. 0.05 haben, am Ende des Profils einen Wert von annähernd 0.


40

Abbildung 16 - nach Erstellung der Druckverteilung

Nachdem die Lastverteilung eingegeben wurde, ist nun mit der Eingabe der

Lagerung fortzufahren. Die Lagerung des Profils erhält zwei Randbedingungen:

1. Steg:

Translatorisch gelagert in Z- und X-Richtung.

In Y-Richtung wird der Steg nicht gelagert, da dieser mit seinem

Laminataufbau nur wenige Lagen aufweist, die eine Last in dieser Richtung

aufnehmen können.

2. Schale:

Translatorisch gelagert in Y- und X-Richtung.


41

In Z-Richtung wird die Schale nicht gelagert, da diese mit ihrem

Laminataufbau nur wenige Lagen aufweist, die eine Last in dieser Richtung

aufnehmen können.

Die Eingabe für den Steg sieht wie folgt aus:

• Ansicht der Gruppe

„Steg“

• View Angle

>-90 0 0<

• Aufrufen des Eingabefensters für die Lagerung

>Load/BCs<, >Create<, >Displacement<, >Nodal<

• Eingabe des Namens unter “New Set Name”

>Lagerung_Steg<

• Input Data (Untermenü)

Im Feld „Translations“

> <0 , , 0> < über >OK< verlassen.

• Select Application Region (Untermenü)

>FEM< Im Feld „Selected Nodes“ den Cursor setzten und einen Kasten um das

Stegende ziehen

>Add< über >OK< verlassen.

• Alle Eingaben über >Apply< bestätigen.

Die Eingabe für die Schale sieht wie folgt aus:

• Ansicht der Gruppe

„Schale“

• View Angle

>-90 0 0<

• Aufrufen des Eingabefensters für die Lagerung

>Load/BCs<, >Create<, >Displacement<, >Nodal<


42

• Eingabe des Namens unter “New Set Name”

>Lagerung_Schale<

• Input Data (Untermenü)

Im Feld „Translations“

> <0 ,0 , > < über >OK< verlassen.

• Select Application Region (Untermenü)

>FEM< Im Feld „Selected Nodes“ den Cursor setzten und einen Kasten um das

Stegende ziehen.

Jetzt müssen die zwei Knoten (56, 392) des Holmes wieder entfernt

werden. Hierzu bietet es sich an, das Modell leicht zu drehen und die

beiden Knoten anzuklicken, um sie mittels Drücken auf >Remove< aus

der Liste der „Application Region“ zu entfernen (Abbildung 17).

>Add<. über >OK< verlassen.

• Alle Eingaben über >Apply< bestätigen.


43

Stegknoten 56

Stegknoten 392

Abbildung 17 - Überarbeitung der Knotenauswahl für die Lagerung der Schale

Die Darstellung am Bildschirm sollte nun wie in Abbildung 18 aussehen. Die

Eckknoten des Steges sind in den Richtungen 1 & 3 fest, die der Schale in den

Richtungen 1 & 2.


44

Steg in 1 & 3

Abbildung 18 - Lagerbedingungen


45

3 Berechnung

Das Modell ist nun komplett fertig gestellt und kann gerechnet werden. Hierzu wird

auf >Analysis<, >Analyze<, >Entire Model<, >Full Run< geklickt. Im Feld „Job

Name“ ist noch ein Name zu vergeben, in unserem Beispiel wurde „Goe398“ und

„Goe398_LM“ verwendet. Durch Klicken auf >Apply< wird die Rechnung gestartet.

Im Analysetool sollte regelmäßig die Ansicht aktualisiert werden, um zu sehen ob die

Rechnung abgeschlossen ist.

Nach einen kurzen Rechenzeit wird die Ergebnisdatei (*.xdb) und die

„Informationsdatei“ (*.bdf), welche dem Analysetool zur Rechnung dient, automatisch

erstellt. Um Zugriff zu den Ergebnissen zu bekommen, wird nun die Ergebnisdatei

geöffnet. Hierzu wird auf >Analysis<, >Access Results<, >Attach XDB<, >Both<

geklickt.

Durch das Drücken des Buttons >Select Result File…< kann nun die entsprechende

XDB-Datei gewählt werden. Nachdem >Apply< gedrückt wurde, stehen die

Ergebnisse zur Verfügung.


46

4 Post Processing

Als Post Processing wird die Auswertung der Berechnungsergebnisse bezeichnet.

4.1 Darstellung der Rechenergebnisse

Für die grafische Darstellung der Rechenergebnisse ist auf >Results< und >Create<

zu klicken. Der Auswahlbutton „Object:“ bietet nun unterschiedliche

Ergebnisdarstellungen an. Zu den wichtigsten zählen hierbei:

• Deformation

Zeigt das Modell im deformierten Zustand.

• Fringe

In diesem Punkt können die Anzeige der Spannungen und der

Deformationswerte eingestellt werden.

Wichtig für die Spannungsdarstellung des Laminates ist der Button „Plot Options“.

Hier wird das Koordinatensystem für z.B. die Spannungsdarstellung ausgewählt.

Alle Spannungen der Rechenergebnisse werden im Materialkoordinatensystem

dargestellt.

Über den Button „Target Entities“ und „Display Attributes“ lassen sich diverse

Darstellungsvarianten für z.B. Farben und Skalierungen einstellen.


47

Abbildung 19 - Deformation ohne LM

Die maximale Durchbiegung im obigen Bild beträgt 28,5 mm.


48

Abbildung 20 - Deformation mit LM

Auch das mit dem Laminat-Modeler erstellte Modell erreicht eine maximale

Durchbiegung von 28,5 mm.


49

Abbildung 21 - Spannung in X-Richtung des Materialkoordinatensystems ohne LM – alle Layer

Die höchste erreichte Zugspannung längs der Fasern beträgt 195 N/mm², und die

höchste Druckspannung 21,8 N/mm².


50

Abbildung 22 - Spannung in X-Richtung des Materialkoordinatensystems mit LM – alle Layer

Auch im Laminat-Modeler-Modell wird eine maximale Zugspannung von 195 N/mm²

errechnet. Die höchste Druckspannung beträgt 21,9 N/mm² und liegt damit um 0,1

N/mm² höher als in der Berechnung ohne Laminat-Modeler.


51

Abbildung 23 - Spannung in Y-Richtung ohne LM – alle Layer

Die höchste erreichte Zugspannung beträgt 10,2 N/mm², und die höchste

Druckspannung 2,33 N/mm².


52

Abbildung 24 - Spannung in Y-Richtung mit LM – alle Layer

Auch im Laminat-Modeler Modell wird eine maximale Zugspannung von 10,2 N/mm²

und eine maximale Druckspannung von 2,33 N/mm² errechnet.


53

Abbildung 25 - Max Spannung in X-Richtung auf Layer 30

Für dieses Bild wurden Teile der Oberschale über die Gruppenfunktion

ausgeblendet. Dieses ermöglicht eine bessere Darstellung des Ergebnisses. Des

Weiteren wird in diesem Bild nur der Layer 30 angezeigt. Als Layer werden die

einzelnen CFK-Lagen bezeichnet. Die anzuzeigenden Layer lassen sich über den

Button >Position…(Layer 1…)< auswählen.

Die maximale Zugspannung findet sich bei der vorliegenden Belastung

erwartungsgemäß in der äußersten 0° Lage. Hier taucht der bereits erwähnte Wert

von 195 N/mm² wieder auf.


54

Abbildung 26 - Max Spannung in Y-Richtung auf Layer 29

Die maximale Druckspannung findet sich bei der vorliegenden Belastung

erwartungsgemäß in der äußersten 90° Lage. Hier taucht der bereits erwähnte Wert

von 10,2 N/mm² wieder auf.

4.2 Darstellung der Vergleichbarkeit der beiden Modelle

Die Vergleichbarkeit der Modelle spiegelt sich in den dargestellten Ergebnisbildern

wieder. Beide Modelle weisen die gleiche Durchbiegung und die gleichen

Spannungswerte auf. Um jedoch zu zeigen, dass beide Modelle exakt gleich sind, ist

ein Blick in die BDF-Datei erforderlich. In der BDF-Datei sind alle Informationen über

das Mesh, die Knoten, die Lasten, die Lagerbedingungen und der gesamte

Laminataufbau gespeichert.


55

Auszug aus der Datei Goe398-LM.bdf:

Auszug aus der Datei Goe398.bdf:

Offset

Lagenstärke

Lagenwinkel

Symmetrie / weitere Lagen

Winkelangabe muss mit dem Lagenwinkel verrechnet werden

45°


56

5 Fazit

Ziel dieser Arbeit sollten zwei exakt vergleichbare CFK-Modelle sein, die auf zwei

unterschiedlichen Wegen erstellt wurden. Aufgrund der späteren ausführlichen

Arbeiten an den Materialmodellen wurde die Geometrie mittels CATIA erzeugt und in

Patran importiert. Das Erstellen des Materialmodells mittels der Patranfunktionen

„Materials“ und „Properties“ war für das hier dargestellte Modell die einfachere

Variante. Der andere Weg über den Laminat-Modeler ist deutlich arbeitsintensiver,

bietet jedoch Vorteile bei der visuellen Darstellung der einzelnen Lagen am Modell.

Entscheidend für die Vergleichbarkeit der Modelle ist der gleiche Lagenaufbau.

Dieser bereitete in den ersten Berechnungen Schwierigkeiten, da im Laminat-

Modeler-Modell eine Differenz zwischen den Lagenwinkeln des Steges, verglichen

mit dem anderen Modell, auftrat. Diese Differenz der Lagenwinkel konnte erst beim

Vergleichen der beiden BDF-Dateien gefunden und später behoben werden. Grund

für die Differenz war eine falsche Applikationsrichtung der Steglagen im Laminat-

Modeler-Modell. Hierbei wurde deutlich, dass die Normalenrichtung der Elemente

beim Aufbau eines CFK-Modells von großer Bedeutung ist.

Für eine Arbeitserleichterung sorgte während der Arbeit die Gruppenfunktion. Sie

wurde genutzt, um gezielt Teile des Modells sichtbar zu machen. Neben der

Gruppenfunktion erleichterte uns auch die Angabe von fest definierten Ansichten des

Modells (View Angle) das Ausarbeiten und Schreiben der Arbeit. Ohne diese

Angaben wäre eine Beschreibung für das Laminat-Modeler-Modell, bei dem die

Ansicht des Modells für die Normalenrichtung wichtig ist, deutlich schwieriger

gewesen.

Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit ergeben eine Deformation des Flügels von

28,5 mm, eine maximale Zugspannung von 195 N/mm² und eine Druckspannung von

21,9 N/mm². Die Abweichung bei der Druckspannung von 0,1 N/mm² zwischen den

beiden Modellen lassen sich durch numerische Fehler der Winkel erklären

(s. Kapitel 4.2). Um eine Aussage zu treffen, ob die Ergebniswerte plausibel sind,

müsste ein Test mit einem realen Modell durchgeführt werden.


57

6 Literaturverzeichnis

Studienarbeiten

[1] Björn Bertram: FEM - Berechnung mit Patran/ Nastran am Beispiel eines

Legosteins. Prof. Dr. Ing. U. Reinert. Bremen, 2004.

[2] Tobias Schreck: FEM - Analyse mit Patran/Nastran am Beispiel einer

abgesetzten Welle. Prof. Dr. Ing. U. Reinert. Bremen, 2005.

[3] Daniel Schütze: FEM - Analyse mit Patran/Nastran am Beispiel eines T – Bracket.

Prof. Dr. Ing. U. Reinert. Bremen, 2005.

Fachbücher

[4] Michael Chun-Yu Niu: Composite Airframe Structures.

Hong Kong Conmilit Press limited, 1992.

Internetdokumente

[5] MSC.Nastran 2005, Quick Reference Guide.

[6] MSC.Patran, Onlinehelp - Hilfe des Programms.

[7] MSC Software, Online Tutorials. http://www.mscsoftware.com/support/online_ex/.


58

7 Anhang

Profildaten:

Profillänge: 4000mm

x [mm] y [mm] 1000 0950 14,6900 27,7800 51,9700 74,1600 92,8500 107400 114,7300 116,9200 109,1150 100,2100 85,875 75,150 61,925 45,7

12,5 34,350 0

12,5 -12,1525 -16,850 -21,675 -23,9

100 -25,2150 -25,8200 -24,4300 -21,6400 -17,67500 -13,5600 -9,7700 -6,9800 -5,1900 -3,3950 -2,9

1000 0

studienarbeit patran

Documents