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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

© INTES GmbH, August 2018 (Rev. 17.02)

Die Worte in grüner Farbe sind im Index am Endedieses Dokuments berücksichtigt.

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E-mail:WWW:

INTES GmbHBreitwiesenstr. 28

D-70565 Stuttgart

+49 711 784 99 - 0+49 711 784 99 - 10

[email protected]://www.intes.de

Das Finite-Elemente-Modell eines Kippers aufder Frontseite erscheint mit freundlicher Ge-nehmigung der Daimler AG, Stuttgart.

Abaqus ist ein eingetragenes Warenzeichen der Das-sault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA.

Adams ist ein eingetragenes Warenzeichen derMSC.Software Corporation, Santa Ana, USA.

ADSTEFAN ist ein eingetragenes Warenzeichen derHitachi Industry Control & Solutions, Ltd., Ibaraki, Ja-pan.

CATIA ist ein eingetragenes Warenzeichen der DAS-SAULT SYSTEMS, and in Canada, IBM is the regi-stered user under No. RU 81167.

COMREL ist ein eingetragenes Warenzeichen der RCPGmbH, München, Deutschland.

AVL Excite ist ein eingetragenes Warenzeichen der AVLList GmbH, Graz, Österreich.

HyperMesh, HyperView, H3D and MotionSolve sind ein-getragene Warenzeichen der Altair Engineering Inc.,Big Beaver, USA.

I-DEAS ist ein eingetragenes Warenzeichen der SIE-MENS PLM Software Inc., Plano, USA.

MEDINA und CAE-Datenschiene sind eingetragene Wa-renzeichen der T-Systems ITS GmbH, Stuttgart,Deutschland.

MATLAB ist ein eingetragenes Warenzeichen der TheMathworks Inc., Natick, MA, USA.

MpCCI ist ein eingetragenes Warenzeichen der FhGSCAI, St. Augustin, Deutschland.

Nastran ist ein eingetragenes Warenzeichen der NationalAeronautics and Space Administration (NASA).

NX ist ein eingetragenes Warenzeichen der SiemensPLM Software.

MSC Patran ist ein eingetragenes Warenzeichen derMSC Software Corporation, Santa Ana, USA.

PERMAS ist ein eingetragenes Warenzeichen der INTESIngenieurgesellschaft für technische Software mbH,Stuttgart, Deutschland.

SIMPACK ist ein eingetragenes Warenzeichen der SIM-PACK AG, Gilching, Deutschland.

STAR CD ist ein eingetragenes Warenzeichen der Com-putational Dynamics Ltd., London, England.

VAO ist ein eingetragenes Warenzeichen der CDH AG,Ingolstadt, Deutschland.

Virtual.Lab ist ein eingetragenes Warenzeichen der LMSInternational, Leuven, Belgien.

VisPER ist ein eingetragenes Warenzeichen der INTESIngenieurgesellschaft für technische Software mbH,Stuttgart, Deutschland.

Die Verwendung weiterer Produktnamen erlaubt nichtden Schluss, dass diese nicht geschützt seien. Aller-dings war dieser Schutz bis zur Herausgabe dieserVeröffentlichung nicht bekannt.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

InhaltSeite

INTES 5Firmenprofil 5Dienstleistungen 5

PERMAS 7Überblick 7Einführung zu PERMAS 7Nutzen von PERMAS 8Was ist neu in PERMAS Version 17 9Was ist neu in VisPER Version 6 15Basisfunktionen 17Verfügbare VisPER-Module 18Verfügbare PERMAS-Module 18Leistungsaspekte 18Parallelisierung 19Einsatzgebiete 20Zuverlässigkeit 20Qualitätssicherung 21

Anwendungen 23Karosserieberechnung 23Motorberechnung 26Bauteilverbindungen 29Bremsenquietschen 31Rotierende Systeme 33Berechnung von Werkzeugmaschinen 34Aktiv geregelte Systeme 38Robustes Optimum 39Experimentelle Modal-Analyse 41

VisPER 43Zur Vorgeschichte von VisPER 43VisPER – Eine kurze Einführung 43VisPER-BAS – Basismodul 44VisPER-TOP – Topologie-Optimierung 47VisPER-OPT – Entwurfsoptimierung 48VisPER-FS – Fluid-Struktur-Kopplung 50VisPER-CA – Kontaktanalyse 52Teilstrukturen 53Schweißpunktauswertung 55

PERMAS Basisfunktionen 57Teilstrukturtechnik 57Submodell-Technik 57Variantenanalyse 58Zyklische Symmetrie 59Flächen- und Linienbeschreibung 60Automatisierte Bauteilkopplung 60Automatisierte Schweißpunktmodellierung 61Lokale Koordinatensysteme 62Kinematische Zwangsbedingungen 62Behandlung von Singularitäten 64Elementbibliothek 64

Standard-Balkenquerschnitte 66Entwurfselemente für die Optimierung 66SPR Spannungen und Fehlerindikator 66Materialeigenschaften 67Sets 68Mathematische Funktionen 68Lasten 68Verifikation von Modellen 69Schnittstellen 70Matrizenmodelle 72Kombination von Ergebnissen 73Transformation von Ergebnissen 73Vergleich von Ergebnissen 73XY-Ergebnisdaten 74Schnittkräfte 74Restart 74Offenes Softwaresystem 75Gekoppelte Analysen 75Kopplung zu CFD 75

PERMAS Berechnungsmodule 77

PERMAS Paket TM /Thermo-Mechanik 77PERMAS-MQA – Modell Qualitätssicherung 77PERMAS-LS – Lineare Statik 78PERMAS-CA – Kontaktanalyse 78PERMAS-CAX – Erweiterte Kontaktanalyse 82PERMAS-CAU – Update der Kontaktgeometrie 82PERMAS-NLS – Nichtlineare Statik 84PERMAS-NLSMAT – Weitere Materialgesetze 87PERMAS-BA – Lineare Beulanalyse 87PERMAS-HT – Wärmeleitung 87PERMAS-NLHT – Nichtlineare Wärmeleitung 88

PERMAS Paket VA /Vibro-Akustik 90PERMAS-DEV – Dynamik (Eigenwerte) 90PERMAS-DEVX – Erweiterte Eigenwertanalyse 91PERMAS-MLDR – Eigenwerte mit MLDR 92PERMAS-DRA – Dynamik (Response) 93PERMAS-DRX – Erweiterte Dynamik 96PERMAS-FS – Fluid-Struktur Akustik 97PERMAS-NLD – Nichtlineare Dynamik 99

PERMAS Paket DO /Design-Optimierung 100PERMAS-OPT – Entwurfsoptimierung 100PERMAS-TOPO – Layoutoptimierung 104PERMAS-AOS – Weitere Optimierungslöser 107PERMAS-RA – Zuverlässigkeitsanalyse 109

PERMAS Spezialmodule 111PERMAS-LA – Laminatanalyse 111PERMAS-WLDS – Schweißpunktmodell 3PERMAS-GINR – Generalisierter Inertia Relief 3PERMAS-EMS – Elektro-/Magnetostatik 113PERMAS-EMD – Elektrodynamik 113PERMAS-XPU – GPU-Beschleuniger 113

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Schnittstellen 115PERMAS-MEDI – MEDINA-Door 115PERMAS-PAT – PATRAN-Door 115PERMAS-ID – I-DEAS-Door 115PERMAS-AD – ADAMS-Interface 116PERMAS-EXCI – EXCITE-Interface 116PERMAS-SIM – SIMPACK-Interface 116PERMAS-HMS – MotionSolve-Interface 116PERMAS-H3D – HYPERVIEW-Interface 117PERMAS-VAO – VAO-Interface 117PERMAS-VLAB – Virtual.Lab-Interface 117PERMAS-ADS – ADSTEFAN-Interface 117PERMAS-MAT – MATLAB-Interface 117PERMAS-NAS – NASTRAN-Door 117PERMAS-ABA – ABAQUS-Door 118PERMAS-CCL – MpCCI-Kopplung 119Weitere Schnittstellen 119Installation und mehr 121Unterstützte Rechnersysteme 121Lizensierung 121Wartung und Portierung 121Benutzerunterstützung 122Zusätzliche Werkzeuge 122Dokumentation 123Schulung 124Weiterentwicklung 124Weitere Informationen 124Index 125

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

INTES

Abbildung 1: INTES-Hauptsitz in Stuttgart

Firmenprofil

INTES wurde 1984 als FE-Technologie-Unternehmen gegründet. Kompetenz in allenAspekten der Finite Elemente (FE) -Technologiebietet INTES seinen Kunden nicht nur über dasHigh-End Softwaresystem PERMAS an. Auch inDienstleistungen und einer bis ins Detail fundier-ten Beratung steht dem Kunden das gesamteEntwickler-Knowhow von INTES zur Verfügung.Arbeitsschwerpunkte bei INTES sind:

• Entwicklung und Vertrieb von VisPER undPERMAS für FE Pre- und Postprozessing undBerechnung,

• Entwicklung neuer und effizienter numerischerund grafischer Verfahren,

• Entwicklung von Softwarelösungen für neueHardwarearchitekturen (wie Parallelrechner),

• Kopplungen zwischen PERMAS und VisPER zuanderen Softwaresystemen (wie Pre- und Post-prozessoren und MKS-Systeme),

• Anwendungsberatung und Schulung,• Durchführung von Berechnungsprojekten.

Die internationale Betreuung der PERMAS-Kundenwird in Frankreich durch INTES France und in Ja-pan durch INTES Japan unterstützt. Außerdem ha-ben verschiedene Partner die Benutzerunterstüt-zung und den Vertrieb in anderen Ländern über-nommen.

INTES will für seine Kunden ein kompetenter Part-ner in allen Belangen der Finite-Elemente-Methodesein. Die Zufriedenheit der Kunden mit Software undService ist dabei oberstes Firmenziel.

Dienstleistungen

INTES bietet seinen Kunden die folgenden Dienst-leistungen an:

• Entwicklungen zu PERMAS and VisPER:– Schnittstellen zu anderen Softwarepaketen,– Neue Modellierungsprozesse,– Neue Funktionsmodule,– Neue Elemente,– Kundenspezifische Entwicklungen.

• Installation von PERMAS and VisPER auf neu-en Hardware-Plattformen, sowie Beratung be-züglich der optimalen Hardwarekonfiguration,

• Software-Wartung,• Schulungen zur FEM,• FEM-Forschung und Entwicklung,• Konfiguration und Installation nützlicher Zusatz-

software,• Engineering:

– Modellierung mit VisPER, MEDINA,– Berechnung mit PERMAS,

• Einführung der FEM-Analyse im Unternehmen,laufende Beratung (Hotline) und projektbezoge-ne Unterstützung.

Abbildung 2: Abriss der PERMAS-Geschichte

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

PERMAS

Überblick

Diese Produktbeschreibung dient der Vermittlungaller wesentlichen Fakten zu PERMAS und seinerAnwendung. Dazu gliedert sie sich in die folgendensieben Teile:

• Die nachfolgende Einführung gibt einige Grün-de für die Anwendung der FEM und ihren Nut-zen durch den Einsatz von PERMAS. Der be-sondere Nutzen , der mit PERMAS verbundenist, wird auf den Seiten 8 bis 21 dargestellt.

• Modulübergreifende Anwendungen sind aufden Seiten 23 bis 41 zusammengestellt.

• Die Möglichkeiten von VisPER sind auf den Sei-ten 43 bis 55 erläutert.

• Die keinem einzelnen Modul zugeordneten Ba-sisfunktionen von PERMAS werden auf denSeiten 57 bis 75 vorgestellt.

• Die verfügbaren Berechnungsmodule werdenauf den Seiten 77 bis 113 näher beschrieben.

• Die Schnittstellen sind auf den Seiten 115 bis119 zusammengestellt.

• Weitere Informationen zur Installation und an-deren Aspekten von PERMAS sind auf denSeiten 121 bis 124 dargestellt.

Abbildung 3: V8-Motors mit freundlicher Geneh-migung der FPT Motorenforschung AG in Arbon,Schweiz.

Einführung zu PERMAS

PERMAS ist ein allgemein einsetzbares Software-system für die Lösung komplexer Berechnungsauf-gaben mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM)und für die Optimierung der so berechneten Struk-turen und Modelle. Es wurde von INTES entwickeltund steht Ingenieuren weltweit als Berechnungs-werkzeug zur Verfügung.

PERMAS ermöglicht die Berechnung und Simulati-on technischer Vorgänge in vielen Anwendungsbe-reichen, wie: Steifigkeitsuntersuchung, Festigkeits-berechnung, Ermittlung von Eigenschwingungen,Simulation des dynamischen Verhaltens im Zeit-bzw. Frequenzbereich, Ermittlung von Temperatur-,Akustik-, und elektromagnetischen Feldern, Einsatzmoderner Materialien wie faserverstärkter Verbund-werkstoffe.

PERMAS kann durch diese Analysen u.a. folgendeStruktureigenschaften ermitteln: Verformungs-verhalten, Spannungsverteilung, Materialbean-spruchung, Eigenschwingungsformen, Energie-verteilung, Schallabstrahlung, Zeitverhalten beidynamischen Belastungen, Rückkopplung aufangrenzende Bauteile.

Unabhängig von der Branche lassen sich da-mit schon während des Konstruktions- undEntwicklungsprozesses wertvolle Erkenntnissegewinnen. Durch den frühzeitigen Einsatz der FEMwird ein hoher Nutzen erreicht:

• Sicheres Erfüllen der Kundenanforderungen.• Reduzierung teurer Prototypen und Testreihen.• Simulation von Extremsituationen.• Kürzere Entwurfs- und Entwicklungszeiten.• Entscheidende Hinweise zur Entwurfsoptimie-

rung:– Topologie-Optimierung,– Dimensionsoptimierung,– Formoptimierung,– Parameterstudien durch Sampling.

• Erhöhung der Zuverlässigkeit.• Ermittlung von Versagensursachen.• Langfristige Qualitätsverbesserungen.

In einer Zeit, in der die Anforderungen an Entwick-lungsdauer und -güte immer höher werden, wird dieFE-Analyse immer mehr zu einem unverzichtbarenWerkzeug, das sich in der täglichen Praxis bewäh-ren muss. Dies gilt umso mehr, als die Entwicklung

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 4: Modell eines TraktorgetriebesZF Friedrichshafen AG, Friedrichshafen.

komplexer Produkte zunehmend in verteilten Unter-nehmensstrukturen stattfindet und somit Wechsel-wirkungen einzelner Bauteile oft nur durch Simulati-on rechtzeitig zu erkennen sind. Der Auswahl desrichtigen Werkzeugs kommt hier zentrale Bedeu-tung zu.

Nutzen von PERMAS

PERMAS ist ein international anerkanntes und welt-weit eingesetztes FEM-Berechnungssystem. MitINTES steht der Entwickler dieses Systems direkt inDeutschland zur Verfügung. Damit verbunden sindeine individuelle Beratung und Benutzerunter-stützung sowie das notwendige Schulungsange-bot. Dabei kann die Beratung neben programmspe-zifischen Anwendungsfragen auch prinzipielle Fra-gestellungen zur physikalischen Modellbildung um-fassen.

Der mit PERMAS verbundene Nutzen kann mit denfolgenden Punkten beschrieben werden:

• Als allgemeines FEM-Paket verfügt PERMASüber einen mächtigen Funktionsumfang , derein breites Anwendungsspektrum abdeckt, dasausgehend von der Mechanik auch die Wärme-leitung, die Fluid-Struktur Akustik und die Elek-trodynamik umfasst.

• Durch integrierte Optimierungsalgorithmenkann PERMAS nicht nur Berechnungendurchführen, sondern auch optimierte Bauteileermitteln, die verschiedensten Bedingungen

Abbildung 5: TurboladergehäuseBorgWarner Turbo Systems Engineering GmbH,

Kirchheimbolanden.

genügen. Die Optimierungsmethoden um-fassen Topologie-Optimierung, Dimensions-und Form-Optimierung sowie stochastischeBerechnungsmethoden für unsichere Modellpa-rameter.

• Die grafische Benutzerschnittstelle VisPER un-terstützt den den Anwender in der Verifikationseines Modells und bei der Auswertung sei-ner Berechnungsergebnisse. VisPER stellt au-ßerdem grafische Modellierungshilfen zur Ver-fügung wie für die Erstellung von Fluid-Netzenund vor allem zum Aufbau von Optimierungsmo-dellen.

• PERMAS bietet durch effiziente Gleichungslö-ser und optimierte Speicherstrategien höchsteRechenleistung bei niedrigem Ressourcenver-brauch. Dabei findet eine ständige Anpassungan die leistungsfähigsten Rechenanlagen statt.

• Mit PERMAS liegt eine seit Jahren bewährteund ausgereifte Software vor, die in vielen Be-rechnungsabteilungen im Einsatz ist. Dabei wirdvor allem die Zuverlässigkeit der Software ge-schätzt.

Diese Punkte finden sich nachfolgend näher ausge-führt.

PERMAS ist eine moderne Software mit zeitge-mäßem Benutzerkomfort, die ständig weiterent-wickelt wird. Ziel der PERMAS-Entwicklung ist es, in

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

engem Kontakt mit den Anwendern zukunftsweisen-de Funktionalitäten zu implementieren, ständig mo-dernste Algorithmen bereitzustellen und damit eineSoftware anzubieten, die stets die Forderungen derZukunft adressiert und umsetzt.

Abbildung 6: LadeluftkühlerBehr GmbH & Co., Stuttgart.

Was ist neu in PERMAS Version 17

Die Version 17 von PERMAS ist das Ergebnis vonetwa 24 Monaten Entwicklungsarbeit seit der Liefe-rung der Vorgängerversion 16. Um dem regelmäßi-gen Leser unserer PERMAS-Produktbeschreibungeinen gewissen Überblick zu geben, sollen die wich-tigsten Änderungen dieser neuen Version im Fol-genden aufgelistet werden. Darüber hinaus stehtnatürlich eine Software Release Note zur Verfü-gung, welche die Änderungen vollständiger und de-taillierter beschreibt.

Um das Pre- und Postprozessing für bestimm-te PERMAS-Funktionalitäten entscheidend zu ver-bessern, wurde in den vergangenen Jahren unterhohem Aufwand mit VisPER (das steht für Visu-al PERMAS) ein entsprechendes Werkzeug ent-wickelt. Die VisPER Version 6 wird zeitgleich mit derPERMAS Version 17 ausgeliefert. Die Neuerungenin VisPER Version 6 werden im nächsten Kapitelvorgestellt (siehe Seite 15).

PYTHON ist inzwischen zum Standardwerkzeug fürSkripte in PERMAS und VisPER geworden. (sieheSeite 122). Um eine einheitliches Tool dafür zur Ver-

fügung zu haben, enthält jede PERMAS-Installationauch Python (als pyINTES). Für eine fortgeschrit-tene Nutzung von PERMAS und VisPER wird dieVerfügbarkeit dieses Standardwerkzeugs sehr emp-fohlen. Skripte von INTES für spezielle Operationenwerden bevorzugt damit zur Verfügung gestellt.

Abbildung 7: Modell einer MotorsägeAndreas Stihl AG & Co. KG, Waiblingen.

Die Rechenzeiten konnten mit PERMAS Version 17weiter verkürzt werden:• Dynamische Karosserieberechnungen mit

MLDR und Frequenzganganalyse für großeModelle mit vielen Moden wurde signifikantbeschleunigt (siehe Abb. 8).

• Die Laufzeit von Kontaktanalysen sehr großerModelle konnte wiederum verkürzt werden (sie-he Abb. 9). Dabei konnte ein Beschleunigungs-faktor von über 62 auf 112 Cores über die ge-samte Laufzeit erreicht werden.

• Durch zusätzliche Parallelisierung konnte dieBerechnung von Elementspannungen und -dehnungen verkürzt werden. Das zeigt sich vorallem bei großen Modellen und Modellen mitvielen Rechthand-Seiten.

• Die Liste von unterstützten Nvidia Tesla Gra-fikkarten in PERMAS Modul XPU (siehe Seite113) wurde erweitert. Jetzt können sowohl K20,K40, K80 mit CUDA 7.0, 8.0, 9.0 als auch P100mit CUDA 8.0 verwendet werden. Die CUDA Bi-bliothek ist nun statisch geladen, so dass derAnwender nur noch die Nvidia Treiber benötigt.

Die Liste der größeren Erweiterungen in PERMAS

© INTES GmbH Stuttgart Seite 9

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 8: Dyn. Karosserieberechnungmit hohen Rechenzeiteinsparungen.

ist im Einzelnen:

• Neues Modul:– Ein neues Modul GINR für eine generalisierte

quasistatische Analyse (Inertia Relief) stehtnun zur Verfügung, nachdem diese Funkti-on einige Jahre von ausgewählten Kundeneingesetzt wurde. Dieses Modul erlaubt dieBerücksichtigung einer zusätzlichen Steifig-keit, wie sie typischerweise durch aerodyna-mische Lasten verursacht wird. Diese zusätz-liche Steifigkeit wird als Eingabegröße erwar-

Abbildung 9: Kontaktanalyse eines Motorsmit 56 MDOF, 37 Zeitschritten, 2 verschiedenen

Temperaturzuständen und CAS-Dateien, direkter I/O mit

PCI SSD.

tet (siehe auch Modul GINR auf Seite 10).

• Größere Erweiterungen:– Erweiterungen für das Basismodul sind (sie-

he Modul MQA auf Seite 77):

* Das Konzept der lokalen Koordinatensy-steme wurde um eine Beschreibung ei-nes Helix- und eines Gewinde-Systemserweitert (siehe Abb. 10). Letzteres er-weist sich bei der Beschreibung einesGewindes auf einem glatten Bolzen alssehr nützlich (siehe Abb. 11).

* Bei Oberflächendefinitionen über qua-dratische Elemente wurde in der letztenVersion eine Linearisierung eingeführt.Diese wurde jetzt durch eine Interpolati-on TRIA2QUAD ergänzt, um die Ergeb-nisqualität auch nach der Linearisierungzu erhalten (siehe Abb. 12).

* Die SPR-Spannungen wurden neuimplementiert, um diese alternativeSpannungsberechnung zu verbessernund auszubauen. Die Standard-Spannungsberechnung wurde dabeinicht verändert. Die Smooth Patch Re-

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Abbildung 10: Lokale Koordinatensystemeerweitert um HELIX and THREAD

covery Methode wurde von Zienkiewiczangegeben. Diese Methode hat genaue-re Spannungen zum Ziel durch Einbezie-hung mehrerer benachbarter Elementestatt jeweils nur eines Elements (sieheAbb. 13). SPR-Spannungen sind fürElementknoten (von Volumenelementen,Stabelementen, Membranelementenund Schalenelementen) und für Kno-tenpunkte verfügbar. Das schließtHauptspannungen ein.

* Zusätzlich zu den SPR-Spannungenwerden Spannungsgradienten normal zugegebenen Oberflächen berechnet. Die-

se Werte eignen sich auch für die Ver-wendung in Lebensdaueranalysen.

* Zusätzlich zu den SPR-Spannungen gibtes nun einen Absoluten Fehlerindika-tor (Absolute Error Indicator, AEI), derdie Differenz zwischen den klassischenSpannungen und den SPR-Spannungenangibt. Die Werte sind absolut, weil siekeine relative Abweichung angeben, son-dern den direkten Differenzbetrag. Des-halb haben diese Werte auch dieselbeMaßeinheit wie die Spannungen.

* Die bereits vorhandenen Standard-Balkenquerschnitte wurden um dieVollquerschnitte Kreis und Rechteckergänzt (siehe Abb. 14).

* Für ein Knotenset kann in der Modellbe-schreibung ein Knoten im Schwerpunktgeneriert werden. Damit lassen sich zen-trale Punkte für MPC-Bedingungen wieStarrkörper erzeugen.

* Das Model kann beim Export auf HDFauch in komprimierter Form abgelegtwerden (als *.gz). Außerdem können dieErgebnisse auf HDF auch als 64-bit Wer-te gespeichert werden.

– Erweiterungen für die Kontaktanalyse sind(siehe Module CA, CAX und CAU ab Seite78):

* Kontaktrichtungen wurden auf expliziteBezugssysteme für Kontaktfläche erwei-tert. Damit können erweiterte Schrau-bendefinitionen mit Flankenkontakt undReibung einfach beschrieben werden,wie in Abb. 11 gezeigt.

– Die nichtlineare Statik (Modul NLS, Seite 84)wurde wie folgt erweitert:

* Für das plastische Materialverhalten vonGusseisen wurde das Konvergenzverhal-ten und die Stabilität verbessert.

* Die Interpolation für temperaturabhängi-ge Plastizität wurde geglättet, um einebessere Konvergenz zu erzielen.

* Die Kombination von nichtlinearer Sta-tik eines Rotors mit einer zyklisch-symmetrischen Eigenwertanalyse ist nunmöglich.

– Die lineare Beulanalyse (Modul BA, Seite 87)wurde wie folgt erweitert:

* Um die Beulfaktoren nur in einem be-stimmten Bereich zu berechnen, wurde

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Abbildung 11: Gewindebeschreibungauf einem glatten Bolzen.

eine Shift-Methode für die Steifigkeit ein-geführt.

– Die Eigenwertanalyse (Module DEV und DE-VX, Seiten 90 und 91) wurde wie folgt erwei-tert:

* Die Coleman-Transformation oder Multi-Blade Coordinate Transformation (MBC-Transformation wurde für die Berech-nung rotierender zklisch-symmetrischerRotoren entwickelt. Eine reelle Eigen-wertanalyse auf der Basis einer stati-schen Berechnung wird eingesetzt, umanschließend eine komplexe Eigenwert-analyse zur Bewertung der Stabilität desRotors mit anisotroper elastischer Lage-rung durchzuführen.

– Die dynamische Eigenwertanalyse mit MLDR(Modul MLDR, Seite 92) wurde wie folgt er-

Abbildung 12: Knotenspannungenauf einer Oberfläche mit Linearisierung (unten), und

ohne Linearisierung als Referenz (oben).

Abbildung 13: SPR-Spannungenund Fehlerindikator.

weitert:

* Verbesserte Aufteilung in Teilstrukturendurch Sonderbehandlung von MPCs.

* Die statische Reduktion der Guyan-Anteile ist jetzt Standard.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 14: Standard-Balkenquerschnitte

* Die Berechnung zusätzlicher statischerVerschiebungsmoden wird nun für alleTeilstrukturen durchgeführt.

* Die dadurch verbesserten Rechenzeitensind in Abb. 8 gezeigt.

– Das dynamische Antwortverhalten (ModulDRA, Seite 93) wurde wie folgt erweitert:

* Für den Einsatz von visko-elastischemMaterialverhalten in der Dynamik wur-de eine Methode implementiert, die aufProny-Reihen basiert. Auf diese Wei-se können frequenzabhängige Material-daten in einer direkten transienten unddirekten Frequenzgang-Analyse verwen-det werden (wie für Gummiteile, festeTreibstoffe, etc.). Um die einzelnen Ter-me einer Prony-Reihe zu berechnen,wurden zwei neue Elementtypen ent-wickelt: Ein Hexaeder-Element mit 8Knoten, wobei jeweils ein Element füreinen Term der Reihe verwendet wird,und ein weiteres Element mit internenKnoten, das alle gewünschten Terme ei-ner Reihe berücksichtigt. Letzteres Ele-ment nutzt eine interne Kondensations-

methode. Deshalb unterscheiden sichdie Ergebnisse der beiden Elemente et-was. Der Anwender kann entscheiden,welches Element er verwenden möchte.

* Lange Zeit schon ist es mit PERMASmöglich, die Drucksteifigkeit zur ela-stischen Steifigkeit zu addieren, umden geometrisch nichtlinearen Effekt desDrucks auf Schalenelementen ohne ei-ne zusätzliche Statikanalyse zu berück-sichtigen. Diese Zusatzsteifigkeit ist dersymmetrische Anteil der Drucksteifigkeit.Nun ist es auch möglich den schiefsym-metrischen Anteil der Drucksteifigkeit beider Berechnung des dynamischen Ant-wortverhaltens und bei der komplexen Ei-genwertanalyse zu berücksichtigen.

– Die Fluid-Struktur-Akustik (Modul FS, Seite97) wurde wie folgt erweitert:

* Die modale Analyse zufallserregterSchwingungen für gekoppelte FS-Berechnungen ist jetzt möglich.

Abbildung 15: Laminatanalyseeines NAFEMS Testbeispiels für Composites.

– Die Laminatanalyse (Modul LA, Seite 111)wurde wie folgt erweitert:

© INTES GmbH Stuttgart Seite 13

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* Die Implementierung der Laminatele-mente wurde überarbeitet und das Quer-schubverhalten verbessert (siehe Abb.155).

* Die elementweise Neudefinition von Da-ten der einzelnen Schichten ist möglich.

* Neu ist auch die Berechnung von Ver-sagenskriterien für Laminatschichten inPERMAS. Neben den Kriterien Hoffmanand Tsai-Wu können Versagenskriterienauch über ein Benutzer-Unterprogrammdefiniert werden.

– Erweiterungen der Entwurfsoptimierung undTopologie-Optimierung (Module OPT undTOPO, Seiten 100 und 104):

* Die Topologie-Optimierung kann verwen-det als Free Sizing zur Optimierungvon Laminatstrukturen verwendet wer-den, um aus der Dickenverteilung der La-gen die Form der einzelnen Lagen zu er-mitteln. Ein gegebener Lagenaufbau wirddabei hinsichtlich der Dicken optimiert.Weil nicht alle Lagen überall in der Struk-tur gebraucht werden, können aus die-ser Dickenverteilung die Bereiche ermit-telt werden, in denen eine bestimmte La-ge mit ihrem Faserwinkel gebraucht wird.

* Die Dimensionsoptimierung (Sizing) vonLagendicken und -winkeln kann ebenfallsdurchgeführt werden.

* Versagenskriterien können als Nebenbe-dingung der Dimensionsoptimierung ver-wendet werden.

Darüberhinaus wurden zahlreiche kleinereErweiterungen der meisten Funktionsmo-dule durchgeführt. Außerdem wurden alleSchnittstellen aktualisiert und auf die neuenFunktionalitäten erweitert. Die wichtigstenErweiterungen der Schnittstellen sind:– MEDINA (MEDI) (siehe Seite 115):

* Erweiterung des BOF für mehr als 231

Werte,

* Export der neuen Ergebnisse ausPERMAS Version 17.

– ABAQUS (ABA) (siehe Seite 118):

* Unterstützung der Teilstrukturtechnik,

* Unterstützung der Materialbeschreibungvon Dichtungselementen,

* Konnektoren werden mit einer neuenMethode übersetzt.

– NASTRAN (NAS) (siehe Seite 117):

Abbildung 16: Optimierung von Laminatenfür den Monocoque eines Rennwagens mit Free Sizing

(siehe Seite 107), um die Lagendickenverteilung zu

erhalten, und mit Dimensionsoptimierung (siehe Seite

100), um Lagendicken und -winkel zu optimieren.

* Unterstützung Nastran Version 2016,

* Unterstützung der SET3-Eingabe.– EXCITE (EXCI) (siehe Seite 116):

* Die neue API-basierte Schnittstelle (Ex-bAPI_V2.0) wird nun unterstützt,

* Ergebnisse aus EXCITE können jetzt inPERMAS importiert werden, um weite-re Ergebnisse zu berechnen (siehe Abb.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 17: Nutzung von MKS und Lebensdauergekoppelt mit PERMAS.

17).– SIMPACK (SIM) (siehe Seite 116):

* Unterstützung SIMPACK Version 9.– I-DEAS (ID) (siehe Seite 115):

* Die I-Deas Door wird nun als neue EMA-Schnittstelle verwendet (für Experimen-telle Modal-Analyse), indem die experi-mentellen Ergebnisse über das UniversalFile Format in PERMAS eingelesen wer-den, um sie anschließend in PERMASmit den berechneten Werten zu ver-gleichen, wie über MAC-Faktoren (sieheAbb. 53).

Abbildung 18: Modell eines SchiffsmotorkolbensMahle GmbH, Stuttgart.

Bei allen System-Plattformen erfolgte eine Anpas-sung an das jeweils aktuelle Release des Betriebs-

systems (siehe auch Seite 121).

Was ist neu in VisPER Version 6

Um das Pre- und Postprozessing für bestimm-te PERMAS-Funktionalitäten entscheidend zu ver-bessern, wurde in den vergangenen Jahren unterhohem Aufwand mit VisPER (das steht für Visu-al PERMAS) ein entsprechendes Werkzeug ent-wickelt. Die VisPER Version 6 wird zeitgleich mit derPERMAS Version 17 ausgeliefert. Mehr Informatio-nen zu VisPER sind ab Seite 43 zu finden.

Weil die Liste der Erweiterungen in Version 6 langist, sind im folgenden lediglich die wichtigsten Er-weiterungen aufgeführt. Mehr Informationen findetman im VisPER Users Manual.

Die Liste der größeren Erweiterungen in VisPER istin vier Abschnitte gegliedert und ist im Einzelnen:

Abbildung 19: Baumstruktur für das Modellmit Modell- und Material-Informationen

• Vervollständigung eines Modells :– Definition und Darstellung verteilter Lasten

an Knoten, auf Oberflächen und für den hy-drostatischen Druck.

– Beschreibung und Darstellung von Element-Bezugssystemen.

– Erweiterte Baumstruktur für die Modell-Informationen (siehe Abb. 19).

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

– Beschreibung aller lokalen Bezugssystemewie in Abb. 10.

– Beschreibung von Kontaktlasten über Funk-tionen.

Abbildung 20: Ersetzen eines Modellteils

• Wizards:– Ein neuer Add&Replace Wizard unterstützt

die folgenden zwei Operationen:

* Hinzufügen eines neuen Teils zu einembestehenden Modell:· Automatisches Umnummerieren von

mehrfachen Knoten- und Element-nummern,

· Optionale Positionierung, um falschePosition oder Ausrichtung sowieeinen unterschiedlichen Koordina-tenursprung zu korrigieren,

· Herstellen der Verbindungen zwi-schen bestehendem Modell und demneuen Teil, wie MPC, Kontakt, Vor-spannung, Pressverbindung, etc..

* Austauschen eines bestehenden Modell-teils durch einen neuen (siehe Abb. 20):· Wiederverwendung bestehender

Verbindungen und Sets,· Anpassen der Oberflächen an die

neue Geometrie,· Umnummerieren von Knoten- und

Elementnummern,

· Gleichzeitiges Verwalten von altemund neuem Teil,

· Erhaltung eines regelkonformen Mo-dells.

– Ein neuer Design Wizard unterstützt einensimulationsgetriebenen Entwurf (siehe Abb.21) durch Generieren und Glätten derHülle des Ergebnisses einer Topologie-Optimierung, Reparieren des Netzes auf derHülle, Hinzufügen und Prüfen von Herstell-Randbedingungen sowie das Generieren ei-nes TET-Netzes innerhalb der Hülle:

* Topologie-Optimierung hat ein großesPotential neue Design-Ideen zu erhalten,

* Dafür ist die klare Trennung von Berei-chen mit und ohne Material essentiell,um einen automatisierten Prozess zurGeometrieauswahl zu erhalten,

* Für den gefundenen Entwurf müssen zu-sätzliche Anforderungen erfüllt werden(z.B. durch eine Formoptimierung),

* Daher muss der Simulationsprozess soaufgesetzt werden, dass alle Anforderun-gen bestmöglich erfüllt werden,

* Die Simulationskette überbrückt dieLücke zwischen Topologie- und Formop-timierung,

* Das Ziel ist der digitale Prototyp, dereine leistungsbasierte Entwurfsentschei-dung ermöglicht.

– Ein neuer Sampling Wizard unterstützt dieEingabe für eine Berechnung mit Samplingdurch Vorbereiten der Sampling-Situation,Zuweisung der ausgewählten Variablen,Festlegung des Wertebereichs der Variablensowie Angabe des Ergebnisses, das für dieVariablen ausgewertet werden soll (sieheauch Seite 77).

– Ein neuer Pressfit Wizard unterstützt die Ein-gabe für eine Pressverbindung durch Aus-wahl der Verbindungspartner, Beschreibungder zugehörigen Parameter und Lasten sowiedie Beschreibung einer Lastgeschichte, fallsnötig.

Die bereits bestehenden Wizards wurden anden aktuellen Stand der PERMAS-Funktionenangepasst.

• Auswertung der Ergebnisse:– Eine Vielzahl von arithmetischen Opera-

tionen auf Ergebnis-Kombinationen ist nunmöglich (wie die Differenz von kinetischer

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 21: Ablauf im Design Wizard

Energiedichte und Dehnungsenergiedichte).Jede einzelne Spalte kann als Operand ver-wendet werden. Alle PERMAS-Funktionenmit übereinstimmender Anzahl von Eingabe-daten können ebenso verwendet werden (wiedie Logarithmusfunktion zur Auswertung vonSchallpegeln).

– An Strukturknoten kann eine Mittelwertbil-dung von Daten an inzidenten Elementkno-ten erfolgen.

– Die Visualisierung von Tensoren ist jetztebenfalls möglich.

• Werkzeuge:– Über PYTHON-Scripting kann eine Stan-

dardisierte Auswertung erreicht werden ein-schließlich der Generierung von Bildern undVideos. So können Modellinformationen, Bil-der und Videos auch nach MS Word, Exceloder PowerPoint exportiert werden.

Basisfunktionen

Herausragende meist modul-unabhängige Basis-funktionen von PERMAS sind (siehe Seiten 57 bis75):

• Hierarchische Teilstrukturtechnik mit automati-schem Einsetzen von Unterstrukturen (Seite 57)

• Submodell-Technik (Spannungslupe) (Seite 57)

• Variantenanalyse (Seite 58)

• Zyklische Symmetrie (Seite 59)

• Flächen- und Linienbeschreibung (Seite 60)

• Automatisierte Bauteilkopplung (Seite 60)

• Automatisierte Schweißpunktverbindungen(Seite 61)

• Lokale Koordinatensysteme (Seite 62)

• Vielfältige kinematische Zwangsbedingungen(Seite 62)

• Automatische Ermittlung von Singularitäten(Seite 64)

• Gleiche Elemente für verschiedene Analysen(Elementbibliothek, Seite 64)

• Standard-Balkenquerschnitte (Seite 66)

• Entwurfselemente für die Optimierung (Seite66)

• SPR Spannungen und Fehlerindikator (Seite66)

• Allgemeine Materialbeschreibung (Seite 67)

• Knoten- und Elementsets (Seite 68)

• Mathematische Funktionen (Seite 68)

• Alle Arten von Lasten (Seite 68)

• Modellverifikation (Seite 69)

• Integrierte Schnittstellen zum Pre- und Postpro-zessing (Seite 70)

• Ein- und Ausgabe von Datenobjekten und Matri-zen (Seite 72)

• Kombinieren, Transformieren und Vergleichenvon Ergebnissen (Seite 73)

• Ausgabe von xy-Ergebnisdaten (Seite 74)

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

• Ermittlung von Schnittkräften (Seite 74)

• Restart-Möglichkeit (Seite 74)

• Offene Software durch Fortran- und C-Schnitt-stellen (Seite 75)

• Direkte Kopplung verschiedener Berechnungs-arten (Seite 75)

• Kopplung zu CFD (Seite 75)

Abbildung 22: Modell eines Transporter-Fahrzeugsmit freundlicher Genehmigung der Daimler AG,

Commercial Vehicle Division in Stuttgart.

Verfügbare VisPER-Module

Die im folgenden genannten Module werden im ein-zelnen auf den Seiten 44 bis 52 beschrieben:

• Basismodul (VBAS)• Topologie-Optimierung (VTOP)• Entwurfsoptimierung (VOPT)• Fluid-Struktur-Kopplung (VFS)• Kontaktanalyse (VCA)

Verfügbare PERMAS-Module

Die im folgenden genannten Module werden im ein-zelnen auf den Seiten 77 bis 119 beschrieben:

• Modell-Qualitätssicherung (MQA)• Lineare Statik (LS)• Kontaktanalyse (CA)• Erweiterte Kontaktanalyse (CAX)• Update der Kontaktgeometrie (CAU)• Nichtlineare Statik (NLS)

• Erweiterte nichtlin. Materialgesetze (NLSMAT)• Stabilitätsanalyse (BA)• Temperaturfeldanalyse (HT)• Nichtlineare Temperaturfeldanalyse (NLHT)• Analyse von Eigenschwingungen (DEV)• Erweiterte Eigenwertanalyse (DEVX)• Eigenschwingungen mit MLDR (MLDR)• Dynamische Simulation (DRA)• Erweitertes dyn. Antwortverhalten (DRX)• Fluid-Struktur Akustik (FS)• Nichtlineare Dynamik (NLD)• Tragwerksoptimierung (OPT)• Layoutoptimierung (TOPO)• Fortgeschrittene Optimierungsmethoden (AOS)• Zuverlässigkeitsanalyse (RA)• Laminatanalyse (LA)• Verfeinertes Schweißpunktmodell (WLDS)• Generalisierter Inertia Relief (GINR)• Elektro-/Magnetostatik (EMS)• Elektrodynamik (EMD)• Nutzung einer GPU (XPU)• Schnittstellen zu Pre-/Post-Prozessoren

– MEDINA (MEDI)– PATRAN (PAT)– I-DEAS (ID)

• Schnittstellen zu anderen Berechnungspro-grammen– ADAMS (AD)– DADS (DADS)– SIMPACK (SIM)– EXCITE (EXCI)– MOTIONSOLVE (HMS)– HYPERVIEW (H3D)– VAO (VAO)– Virtual.Lab (VLAB)– ADSTEFAN (ADS)– MATLAB (MAT)– NASTRAN (NAS)– ABAQUS (ABA)– MpCCI (CCL)

Leistungsaspekte

Durch einen ständig weiterentwickelten Gleichungs-löser erreicht PERMAS sehr hohe Rechenge-schwindigkeiten. Dabei werden direkte und iterative

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 23: WerkzeugmaschineINDEX-Werke GmbH & Co. KG

Solver immer weiter optimiert.

• Durch die hohe Maschinenauslastung beigleichzeitig geringem Hauptspeicherbedarf er-gibt sich ein sehr gutes Multitasking-Verhalten.

• Der für eine Berechnung zur Verfügung stehen-de Hauptspeicheranteil lässt sich – ohne Be-schränkung der Modellgröße – frei konfigurie-ren.

• Die Datenbasis kann – ohne sie logisch zu teilen– auf mehrere Platten verteilt werden (z.B. opti-male Hardware-Nutzung in einem Workstation-Netz).

• Die Modellgröße ist praktisch unbegrenzt. DieSoftware kennt keine expliziten Grenzen. AuchModelle mit vielen Millionen Freiheitsgradenwerden regelmäßig berechnet.

• Durch die Nutzung einschlägiger Bibliotheken,wie BLAS für Matrix- und Vektoroperationen, istPERMAS auch an die Besonderheiten einzelnerMaschinen angepasst und stellt damit höchsteEffizienz zur Verfügung.

• Eine weitere Steigerung der Rechenleistungwurde durch eine umfassende Parallelisierungder Software erreicht.

• Durch die gleichzeitige Nutzung mehrererPlatten (sogenanntes Disk-Striping) kann inPERMAS der I/O-Durchsatz sogar deutlich überden Leistungsdaten der Einzelplatten liegen.

• PERMAS kann mit einer Option für den direktenI/O gestartet werden. Wenn die PERMAS DMS-Dateien auf SSD-Systemen angelegt werden,dann wird der I/O direkt auf diese Systeme aus-geführt, was vor allem bei Berechnungen, diedurch den I/O bestimmt werden, zu einer deut-lichen Verkürzung der Rechenzeit führen kann(siehe Abb. 9).

• Der Platten-I/O kann gänzlich reduziert wer-den, wenn entsprechend große Zentralspeicherverwendet werden. Die Größe des Zentralspei-chers kann ohne weiteres 256 GB übersteigen.

Parallelisierung

PERMAS steht auch auf Parallelrechnern in vollemFunktionsumfang zur Verfügung. Ein genereller Par-allelisierungsansatz ermöglicht die parallele Verar-beitung aller zeitkritischen Operationen, ohne sichauf die Gleichungslösung zu beschränken. Es gibtnur eine Programmversion, die sowohl auf sequen-tiellen als auch auf parallelen Rechnern eingesetztwird.

PERMAS unterstützt die Parallelisierung aufShared-Memory-Maschinen. Dabei basiert dieParallelisierung auf der Verwendung von POSIXThreads, d.h. PERMAS wird in mehreren paral-lelen Prozessen ausgeführt, die alle denselbenZentralspeicherbereich verwenden. Damit ist eineKommunikation zwischen den Prozessoren nichterforderlich, wie sie auch der Architektur dieserRechner entspricht.

Dabei erlaubt PERMAS auf dieser Architektur auchasynchronen I/O, um durch überlappende Behand-lung von CPU- und I/O-Zeit weitere Leistungsver-besserungen zu erzielen.

Die Parallelisierung verändert nicht die Reihenfolgeder Operationen in PERMAS, d.h. die Ergebnisseeiner sequentiellen und einer parallelen Berech-nung desselben Modells sind exakt gleich (beinatürlich sonst auch gleichen Parametern).

Die Eigenschaft von PERMAS, mit geringem undwährend des gesamten Rechenlaufes konstantemZentralspeicher sehr effizient zu arbeiten, gilt auchfür die parallele Ausführung. Damit sind nicht nurmehrere simultane sequentielle Läufe möglich, son-dern auf einer entsprechenden Maschine auchmehrere simultane parallele Läufe oder jede Mi-schung von sequentiellen und parallelen Läufen.

Die Parallelisierung basiert auf einem graphentheo-retischen Ansatz, der in der Lage ist, selbst sequen-tiell programmierte Algorithmen automatisch zu par-allelisieren. Dadurch bleibt PERMAS allgemein por-tabel und es wurde das Ziel erreicht, ein PERMAS

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

für alle Plattformen zu haben.

Abbildung 24: Statische Analyse mit 3 Lastfällen1,5 Mio. Knoten, 176 Tsd. HEXE27, 4,4 Mio.

Freiheitsgrade, Rechenzeit auf Intel Boxboro

Somit steht PERMAS auf allen parallelen Plattfor-men zur Verfügung, für die auch eine sequentielleVersion unterstützt wird.

Die Parallelisierung auf mehreren Kernen kanndurch die Nutzung einer GPU (Graphical Proces-sing Unit) von Nvidia erweitert werden, wobei eineTesla K20c oder besser unterstützt wird. Für sehrrechenintensive Lösungsschritte kann die GPU dieLaufzeit erheblich reduzieren (siehe auch das ModulXPU auf Seite 113).

Die Durchführung einer parallelen Berechnung mitPERMAS ist sehr einfach. Da keine zusätzlichenAbsteuerungsbefehle notwendig sind, unterscheidetsich - abgesehen von der kürzeren Rechenzeit - einparalleler PERMAS-Lauf nicht von einem sequenti-ellen. Lediglich die Angabe der Anzahl von paralle-len Prozessen bzw. Prozessoren ist beim Start desPERMAS-Laufs notwendig.

Einsatzgebiete

Vor allem in folgenden Branchen wird PERMASgegenwärtig eingesetzt:

• Automobilindustrie• Luft- und Raumfahrtindustrie• Schiffsbau• Maschinenbau• Offshore- und Energietechnik• Anlagen- und Apparatebau

Zuverlässigkeit

FEM-Ergebnisse können heute nicht mehr in jedemFalle durch Versuche überprüft werden. Sie fließenoft direkt in den Entwicklungsprozess ein. Dabeiwerden die Modelle immer komplexer und die Er-gebnisse müssen immer schneller vorliegen. Dasbedeutet eine Herausforderung an die Software, po-tentielle Fehlerquellen möglichst früh zu erkennenund zu beseitigen. Dazu liefern PERMAS und Vis-PER einen wesentlichen Beitrag:

• Robustheit der Software : Durch das moderneSoftware-Engineering und umfangreiche Testswird die Fehlerrate im System klein gehalten.

• Modellverifikation : Das GrundmodulPERMAS-MQA bietet Werkzeuge zur Qua-litätssicherung beim Berechnungsmodell(siehe Seite 77). Neben den automatischdurchgeführten Modellchecks stehen vieleEingabegrößen und Modellparameter auch ineinem Exportformat zur Verfügung, um diesein einem Postprozessor sichtbar zu machenund zu überprüfen (siehe Kapitel Verifikationvon Modellen auf Seite 69). Außerdem stelltVisPER eine bensonders geeignete Umgebungfür die Model-Verifikation zur Verfügung, welchedie Prüfung einer wachsenden Anzahl vonModellparametern erlaubt (siehe Seite 44).

• Sichere Anwendung : Das PERMAS-Grundmodul ermöglicht Modelltests vordem eigentlichen und eventuell aufwendi-gen Rechenlauf. Diese liefern zum einen eineAbschätzung der notwendigen Ressourcen,um die Berechnungsdurchführung gerade vongroßen Modellen zuverlässiger zu planen. Zumanderen können zahlreiche Modellfehler auf-gedeckt werden, was direkt die Zuverlässigkeit

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der nachfolgenden Berechnung beeinflußt.• Richtigkeit der Ergebnisse : Durch umfangrei-

che und ständige Verifikation (Tests nach NA-FEMS und SFM) wird die Qualität der Berech-nungsergebnisse sichergestellt.

Darüberhinaus sichert die Verwendung erprobterAlgorithmen und bewährter Entwicklungswerkzeugedie hohe Qualität der Software.

Abbildung 25: Modell einer GelenkwelleVoith Turbo GmbH & Co. KG, Heidenheim.

Eine breite Basis von langjährigen PERMAS-Benutzern aus den unterschiedlichsten Branchenträgt wesentlich zur Zuverlässigkeit der Softwarebei.

Qualitätssicherung

INTES erstellt qualitativ hochwertige Software underbringt alle zugehörigen Dienstleistungen. AllePhasen der Software-Erstellung und Wartung wer-den mit festgelegten Standards und Werkzeu-gen durchgeführt, um Kunden und Anwendern einHöchstmaß an Qualität zu liefern.

Einige wichtige Aspekte der Qualitätssicherungsind:

• Ein eigens entwickeltes Software-Verwaltungs-system sorgt für eine abgesicherte Entwick-lungsumgebung, welche alle Änderungen undneuen Softwareteile aufnimmt und eindeutigund nachvollziehbar verwaltet und protokolliert.

• Ein Fehlerverwaltungssystem nimmt alle Mel-dungen zu Softwareproblemen und Entwick-lungswünschen sowie andere Anfragen der An-wender zusammen mit den daraufhin erarbei-

teten Lösungen und Antworten auf. Ein regel-mäßig herausgegebener ’Technical Newsletter’informiert die Anwender über die gesammeltenAnfragen und Antworten.

• Eine ständig wachsende Bibliothek von täg-lich durchlaufenen Software-Tests gewährleistetdie gleichbleibend hohe Qualität der Software.Problemfälle aus dem Fehlerverwaltungssystemführen zu einer Erweiterung der Testbibliothek,um so ein Wiederauftreten gleicher Probleme zuvermeiden.

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Anwendungen

Karosserieberechnung

Die Finite-Elemente-Analyse von Karosserien um-fasst eine Vielfalt an unterschiedlichen Modellie-rungstiefen von der Rohkarosserie bis zu Modellenmit allen Einbauten (sog. Trimmed Body) und akusti-schen Modellen mit der eingeschlossenen oder so-gar der umgebenden Luft. Diese Breite der Modell-varianten spiegelt sich auch in den Berechnungen,welche mit den Modellen durchgeführt werden, dievon einfachen Steifigkeitsauslegungen bis zu kom-plexen Komfortuntersuchungen gehen kann. Des-halb kommen neben linear-statischen Berechnun-gen auch dynamische Schwingungsberechnungenund gekoppelte Fluid-Struktur-Berechnungen zumEinsatz.

Eine typische Eigenschaft von Karosseriemodellenist die Verwendung von Schalenelementen. Häufigwerden viereckige, lineare Schalenelemente einge-setzt (zusammen mit den passenden Dreiecken).Abhängig von der Netzfeinheit werden dabei bis zumehreren Millionen Elementen für eine Karosserieverwendet. Des weiteren besteht eine Karosserieaus vielen Teilen (typischer Weise 50 bis 100), wel-che über eine geeignete Verbindungstechnik wiePunktschweißen (siehe Seite 61 oder Modul WLDSauf Seite 23), Kleben oder Laserschweißen mitein-ander verbunden sind. Um alle diese Teile effizientzu vernetzen, werden die Bauteile unabhängig von-einander vernetzt und in PERMAS als inkompatibleNetze verbunden (siehe Seite 60).

Schweißpunktkräfte können effizient mit VisPERausgewertet werden (siehe Seite 55), auch für sehrgroße Modelle.

Statik

Für die Auslegung der statischen Steifigkeit wer-den linear-statische Berechnungen durchgeführt.Für spezielle Lastfälle wie Abschleppen oder leich-te Stöße werden auch statische Berechnungen amfreien Körper (Inertia Relief, siehe Seite 78) durch-geführt.

Um den Kraftfluss durch Strukturteile zu erhalten,können Schnittkräfte berechnet werden (z.B. beimSchnitt durch den Schweller oder eine Säule, sieheSeite 74). Die Summe der Kräfte und Momente im

Schnitt wird ermittelt und ausgegeben.

Abbildung 26: Schulungsbeispiel INTEScarunter Torsion

Dynamik

Für dynamische Analysen ist es erforderlich, alleMassen der beteiligten Bauteile zu berücksichtigen.Die Übereinstimmung der Massen zwischen realenBauteilen und dem Simulationsmodell ist für einenVergleich der Ergebnisse aus Versuch und Berech-nung sehr wichtig. Massen und Trägheitsmomentewerden dazu in der Berechnung ermittelt.

Als Basis einer Berechnung der Betriebsschwin-gungen werden zunächst die Eigenfrequenzen undEigenschwingungsformen ermittelt. Da Fahrzeugenicht gelagert sind, werden Schwingungsberech-nungen am freien Körper durchgeführt. Dabei er-folgt in der Regel eine Prüfung der Starrkörpermo-den und -frequenzen, um Modellprobleme auszu-schließen. Der Frequenzbereich für die Eigenwert-analyse hängt von der anschließenden Berechnungdes dynamischen Antwortverhaltens ab. Dabei wirdin der Eigenwertanalyse oftmals eine um den Faktor2 bis 3 höhere obere Frequenzgrenze verwendet alsin der nachfolgenden Antwortberechnung, um einegute Qualität der Antwort über den gesamten Fre-quenzbereich zu erreichen.

Flexible Körper werden oft in MKS-Systemen (zurMehrkörpersimulation) verwendet. Dazu werdenmodale Modelle verwendet, die PERMAS über ver-schiedene Schnittstellen ausgeben kann (siehe Sei-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

te 116).

Da man beim modalen Modell alle Eigenwerte ober-halb einer bestimmten Frequenz abschneidet, kön-nen die Antwortergebnisse unzuverlässig sein. Die-ses Verhalten kann durch die Berücksichtigung sta-tischer Verschiebungsformen (siehe Seite 95) ver-bessert werden, indem die quasistatischen Anteileder vernachlässigten Eigenformen einbezogen wer-den. Dazu werden geeignete statische Lastfälle de-finiert, aus denen automatisch zusätzliche Modenerzeugt werden, welche die modale Basis erweitern.

Häufig werden Änderungen an der Karosserie in ei-nem bestimmten Bereich durchgeführt, z.B. am Vor-derwagen. Wenn dabei der Hinterwagen unverän-dert bleibt, dann kann man diesen einmal mit dyna-mischer Kondensation reduzieren (siehe Seite 91).Dabei entstehen sog. Matrizenmodelle der reduzier-ten Teile (siehe Seite 72). Diese Matrizenmodellewerden bei jeder neuen Variante z.B. des Vorderwa-gens mit verwendet. Auf diese Weise kann die Re-chenzeit einer Variante deutlich reduziert werden.

Für die nachfolgende Berechnung des dynamischenAntwortverhaltens (siehe Seite 93) kommen Metho-den im Frequenzbereich (wie die Frequenzgang-analyse) oder im Zeitbereich (als Zeitintegration) inBetracht. Diese Methoden stehen als modale Me-thoden zur Verfügung (auf der Basis der zuvor be-rechneten Eigenwerte and Eigenformen) und als di-rekte Methoden (auf der Basis der vollen System-matrizen). Für realistische Modelle benötigen die di-rekten Verfahren viel mehr Rechenzeit als die moda-len Verfahren. Allerdings sind die direkten Verfahrensehr genau und können von Fall zu Fall auch zurBestätigung der Genauigkeit von modalen Verfah-ren herangezogen werden.

Die dynamische Belastung (oder Anregung) kannüber Kräfte (und Momente) oder vorgeschriebeneVerschiebungen (oder Verdrehungen) durch Über-lagerung mit einer frequenz- oder zeitabhängigenFunktion erfolgen, welche den Verlauf der Anregungüber der Frequenz bzw. Zeit wiedergibt.

• Im Frequenzbereich ist die Diskretisierung derAnregungsfrequenzen für die Genauigkeit derErgebniskurven wesentlich. Vor allem ist dieDiskretisierung um die Spitzen herum wichtig.Dazu kann über eine Anhäufung von Anre-gungsfrequenzen um die Eigenfrequenzen her-um eine bessere Auflösung der Spitzen erreichtwerden.

• Wird eine Zeitreihe aus Messungen vorgege-ben, dann kann neben der Zeitintegration aucheine alternative Methode verwendet werden,um zu einer periodischen Lösung zu kommen.Eine interne FFT (Fast Fourier Transformati-on) wird verwendet, um die Hauptanregungs-frequenzen zu ermitteln. Für jede dieser Anre-gungsfrequenzen wird eine Frequenzgangana-lyse (für jeweils eine Frequenz) durchgeführt.Anschließend werden die harmonischen Ergeb-nisse aus den verschiedenen Analysen im Zeit-bereich überlagert und man erhält eine periodi-sche Antwort (auch Steady-State Response).Abb. 99 zeigt ein Beispiel.

• Im Zeitbereich ist die Abtastrate für die Antwortauch abhängig von der Anregungsfunktion.

Bei der Berechnung des Antwortverhaltens ist dieBeschreibung der Dämpfung sehr wichtig. Es gibteine ganze Reihe von Möglichkeiten, die Dämpfungzu spezifizieren (siehe Seite 94). Insbesondere be-nötigt das Modell eines Trimmed Body eine detail-lierte und genaue Modellierung aller zusätzlichenSteifigkeiten, Massen und Dämpfer.

Die Ergebnisse einer Frequenzganganalyse sindkomplexe Primärergebnisse (Verschiebungen,Geschwindigkeiten, Beschleunigungen) und Se-kundärergebnisse (wie Spannungen, Dehnungen,Schallabstrahlungsleistung) für alle Knoten undjede Anregungsfrequenz. Häufig sind die sog.Übertragungsfunktionen wichtiger als die Ermittlungder gesamten Felder einer Ergebnisgröße für alleKnoten an einer Frequenz. Übertragungsfunktionenbeschreiben das Verhältnis von Anregung undAntwort zwischen einem Anregungspunkt undjedem beliebigen Zielpunkt (auf der Basis einerEinheitsanregung) über alle Anregungsfrequenzen.

Um den Rechenaufwand für eine Antwortrechnungzu reduzieren, können die gewünschten Ergebnis-se vorher festgelegt werden. Bei der Ermittlung derÜbertragungsfunktionen kann die Antwort auf einKnotenset mit den Zielpunkten beschränkt werden.

Fluid-Struktur-Schwingungen

Gekoppelte Simulationen von Struktur und Luft wer-den als natürliche Erweiterung der reinen Struk-turdynamik angesehen. Diese Erweiterung ist erfor-derlich, da sich der Schall im Fahrzeug aus Luft- undKörperschall zusammensetzt. Der Schall verschafftdem Fahrer den Eindruck von Komfort und akusti-

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

scher Qualität des Fahrzeugs.

Zunächst wird das Innere eines Fahrzeugs mit sog.Fluid-Elementen modelliert, welche wie klassischeVolumenelemente aussehen, aber Druckfreiheits-grade abbilden. Um die physikalische Kopplung vonStruktur und Luft herzustellen, werden Kopplungs-elemente verwendet, die sowohl Verschiebungs- alsauch Druckfreiheitsgrade haben und die erforderli-chen Koppelmatrizen bereitstellen.

Um die Modellierung von Fluid- und Kopplungsele-menten für das Innere eines Fahrzeugs zu erleich-tern, stellt VisPER einen Assistenten (Wizard) zurVerfügung, der ausgehend von einem bestehen-den Strukturmodell Schritt für Schritt und weitge-hend automatisch das Fluid-Netz und die Kopplungzur Struktur erstellt (siehe Seite 50). Typischerweisewerden die Kopplungselemente kompatibel mit derStruktur erstellt, während die Fluid-Elemente für dieLuft inkompatibel vernetzt werden, da die Luft in derRegel deutlich gröber vernetzt wird als die Struk-tur. Der Assistent ermittelt die Elementgröße für dasFluid aufgrund des gewünschten Frequenzbereichs.

Die Luft kann zur Dämpfung des gekoppelten Sy-stems in zweifacher Weise beitragen: die volumetri-sche Dämpfung definiert die Absorption im Fluidvo-lumen, während die Oberflächenabsorption über dieKopplungselemente spezifiziert wird und die Nor-malimpedanz der Kopplungsfläche definiert.

Nach der Fertigstellung des Fluid-Struktur-Modellssind die weiteren Berechnungsschritte recht analogzum Vorgehen in der Strukturdynamik wie oben be-schrieben (weitere Details auf Seite 97).

• Eine gekoppelte EIgenwertanalyse ermittelt diegekoppelten Eigenfrequenzen und Eigenfor-men. Die Eigenformen bestehen dabei aus zweisich ergänzenden Teilen, einer Verschiebungs-form für die Struktur und einem Druckfeld fürdas Fluid.

• Anregungen im Fluid können über ein Drucksi-gnal angegeben werden.

• Auf der Basis der gekoppelten Eigenfrequen-zen und Eigenformen ist eine modale Frequenz-ganganalyse und modale Zeitintegration in der-selben Weise möglich wie für die Struktur allei-ne.

Neben den modalen Verfahren steht auch eine di-rekte Frequenzganganalyse für gekoppelte Fluid-Struktur-Modelle zur Verfügung.

Aus einer gekoppelten Berechnung erhält man diegleichen Strukturergebnisse wie aus der Strukturdy-namik alleine. Zusätzlich erhält man das Druckfeldin der Luft und Übertragungsfunktionen von Struk-turknoten auf Fluidknoten und umgekehrt. Darüberhinaus kann im Druckfeld die Schallschnelle (alsVektor oder als Betrag) ermittelt werden.

Zusätzlich zur Luft im Fahrzeug kann auch die Luftum das Fahrzeug in die gekoppelte Rechnung ein-bezogen werden. Damit können auch Schalldurch-gangsaufgaben berechnet werden (von der Straßeoder vom Luftschall an das Ohr des Fahrers).

Höchstleistung

In die Verbesserung und Beschleunigung von Algo-rithmen wird laufend investiert. Im Bereich der Ka-rosserieberechnung sind folgende Punkte hervorzu-heben:

• Für große Modelle (mit Millionen von Freiheits-graden) und vielen Eigenformen (mit Tausendenvon Moden), kann die Eigenwertanalyse mit derMLDR-Methode (Multi-Level Dynamic Reducti-on) viel schneller durchgeführt werden (zu De-tails siehe Seite 92). Diese Methode steht so-wohl für die reine Strukturdynamik als auch fürdie gekoppelte Fluid-Struktur-Dynamik zur Ver-fügung.

• In der Frequenzganganalyse müssen häufigviele dynamische Lastfälle berechnet werden(mehrere Hundert Lastfälle). Mit sog. verbunde-nen Situationen (Assembled Situations) könnendiese Lastfälle gleichzeitig gelöst werden stattnacheinander (siehe Seite 96).

• Für eine große Anzahl von Moden mit vielenAnregungsfrequenzen kann die Frequenzgang-analyse mit einem iterativen Löser stark be-schleunigt werden.

Optimierung

Unterstützt durch VisPER und PERMAS könnenOptimierungsaufgaben am Fahrzeug in integrierterWeise durchgeführt werden. Das Optimierungsmo-dell ist Teil der Modellbeschreibung und kann ineinfacher Weise von allen vorhandenen ReferenzenGebrauch machen (wie Knoten- und Elementsets).Obwohl prinzipiell alle Optimierungsverfahren (wiesie auf den Seiten 100 bis 109 beschrieben sind)auch für Karosserien verwendbar sind, sind dochdie folgenden besonders hervorzuheben:

© INTES GmbH Stuttgart Seite 25

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 27: Formoptimierung eines Schwellersmit Übergang zu benachbarten Teilen

• Dimensionsoptimierung : Wird zur Optimie-rung von Elementeigenschaften wie Schalen-dicke, Balkenquerschnittswerte, Federsteifigkei-ten oder Dämpfereigenschaften verwendet.

• Formoptimierung : Wird zur Optimierung derGeometrie von Bauteilen durch Änderung derKnotenkoordinaten eingesetzt (auch in Verbin-dung mit inkompatiblen Netzen).

• Sickengenerierung : Wird verwendet, um diePosition und die Form von Sicken in Schalen-strukturen zu bestimmen (siehe Abb. 28).

Alle diese Optimierungsarten können in einem Op-timierungsprojekt gemeinsam auftreten. Statischeund dynamische Analysen können in einem solchenProjekt gemeinsam verwendet werden. Die Model-lierungsarbeiten für die Optimierung werden vonVisPER voll unterstützt (zu Details siehe Seite 48).Auch die Auswertung der Optimierung kann mit Vis-PER erfolgen.

In der dynamischen Berechnung kommt der Opti-mierung von Übertragungsfunktionen eine beson-dere Bedeutung zu. Diese Frequenzgangoptimie-rung kann mit einer Übertragungsfunktion als Ziel-funktion durchgeführt werden (z.B. mit einer fre-quenzabhängigen Begrenzung der Amplituden).

Falls die Ziel-Übertragungsfunktion aus Experimen-ten stammt, dann nennt man die Optimierung auchModel Updating. Dadurch werden ausgewählte Pa-rameter des FE-Modells so abgestimmt, dass dieÜbertragungsfunktion aus der Simulation an dieje-nige aus dem Experiment so weit wie möglich an-gepasst wird.

Abbildung 28: Sickengenerierung für eine Plattemit Sickenlage und -höhe

Motorberechnung

Für die Berechnung von Verbrennungsmotorenspielen viele physikalische Effekte eine wichtigeRolle. Im Bereich der Statik sind es Dichtheit undFestigkeit unter sich ändernden Temperaturbedin-gungen und im Bereich der Dynamik Schallab-strahlung und Frequenzgang mit allen Anbauteilen.Der Einfluss der Temperatur erfordert zumindest inder Statik eine gekoppelte Analyse unter Einbezie-hung der Wärmeleitung. Bei der Montage müssendie Schraubenvorspannungen berücksichtigt wer-den und für Schraubenanzug und Betriebslasten isteine präzise Nachbildung der Belastungsfolge er-forderlich. Dazu kommen Effekte aus nichtlinearemMaterialverhalten.Diese und andere Effekte müssen bei der Motoren-berechnung einbezogen werden.

Temperaturberechnung

Anwendungsbeispiele sind die Berechnung der Be-triebstemperaturen und das Härten im Ölbad durchSimulation des Abkühlvorgangs. Folgende Funktio-nalitäten stehen zur Verfügung:

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 29: Einfaches MotormodellDaimler AG, Commercial Vehicle Division)

• Nichtlineares Material mit temperaturabhängi-ger Konduktivität und Kapazität,

• Temperaturabhängiger Wärmeübergang zurModellierung des Wärmeaustauschs mit derUmgebung,

• Vollautomatisches Lösungsverfahren fürnichtlineare Wärmeleitungsberechnungenmit Schrittweitensteuerung und mehrerenKonvergenzkriterien, ein automatisches Last-schrittverfahren für den stationären und einautomatisches Zeitschrittverfahren für dentransienten Fall,

• Komfortable und sehr detaillierte Beschrei-bungsmethode für die Lastaufbringung und Vor-gabe der Ergebniszeitpunkte,

• Vollständige Kopplung zur statischen Analysevorhanden (stationär und transient),

• Wenn der Wärmeaustausch durch Strahlungeinen Einfluss auf die Ergebnisse hat, kann die-ser in der Temperaturberechnung einbezogenwerden.

• Wenn Temperaturfelder für Zylinderkopf undMotorblock vorliegen, dann fehlen möglicher-weise Temperaturen für weitere Teile wie Dich-tungen und Schrauben. Dann kann mit Hilfe derSubmodell-Technik ein Mapping der Temperatu-ren erfolgen (siehe Seite 57).

Abbildung 30: Kontaktstatusfür die Dichtungselemente

Statik

Die Verformungen werden berechnet unter ver-schiedenen Belastungen mit linearem und nichtli-nearem Materialverhalten:

• Nichtlineare Materialmodelle:– Plastische Verformung,– Nichtlinear-elastisch,– Kriechen,– Grauguss mit unterschiedlichem Verhalten im

Zug und Druckbereich.• Dichtungselemente:

– Komfortable Simulation von Dichtungen,– Verhalten basiert auf Druck-Weg-

Messkurven,– Eingabe einer Vielzahl von Entlastungspfa-

den möglich.• Kontaktanalyse:

– Viele Kontakte können berücksichtigt werden(> 100000),

– Konkurrenzlos schnelle Lösungszeiten,– Neueste Solvertechnologie,– Reibung kann mit Wechsel zwischen Haft-

und Gleitreibung berücksichtigt werden,– Vorspannung wird in einem Rechenschritt ex-

akt aufgebracht,– Beschreibung einer realitätsnahen Lastge-

schichte,– Wenn ein Motor aus vielen Teilen besteht, die

alle nur durch Kontakt gehalten werden, dannbietet der RBM-Assistent in VisPER eine ein-fache Möglichkeit, um Kompensationsfedernanzubringen (siehe Seite 46).

– Kontaktergebnisse: Pressung, Kontaktstatus,Knotenkräfte, Sättigung, etc..

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

• Submodell-Technik (Spannungslupe):– Für nachträgliche Detailuntersuchungen,– Automatische Interpolation der Verschiebun-

gen auf ein feineres Netz als Randbedingun-gen,

– Damit wird eine lokale Berechnung durchge-führt, um z.B. genauere Spannungen zu er-halten.

Abbildung 31: Druckverteilung am Stopperüber dem Winkel

Höchstleistung

Aufgrund der typischen großen Modelle in der Mo-torberechnung orientieren sich alle Berechnungs-methoden an höchstmöglicher Effizienz. Hervorzu-heben sind dabei:• hervorragende Leistung durch spezielle Algo-

rithmen für große Modelle mit nichtlinearem Ma-terialverhalten und Kontakt,

• Auslegung der Kontaktalgorithmen grund-sätzlich für große Modelle mit vielen Kontakten,

• konkurenzlos schnelles Verfahren bei der Kom-bination von linearem Materialverhalten undKontakt.

• Dichtungselemente können auch als integralerTeil einer Kontaktberechnung verwendet werden(sog. CCNG-Analyse, Contact Controlled Nonli-near Gasket Analyse), ohne sie wie bisher alsTeil einer Berechnung mit nichtlinearem Materi-alverhalten zu betrachten. Wenn keine weiterenNichtlineraitäten außer Kontakt und Dichtungs-elemente vorhanden sind, kann so auf nichtli-neare statische Berechnung verzichtet werdenund die Rechenzeit somit um mehr als den Fak-tor 10 beschleunigt werden (z.B. in der Motoren-berechnung mit Schraubenvorspannung, Tem-peraturlasten, und Zylinderdrücken). In Fällenmit weiteren Materialnichtlinearitäten kann im-mer noch eine deutliche, aber nicht ganz so ho-he Verringerung der Rechenzeit erzielt werden.

• Eine deutliche Beschleunigung der Rechenzeitist bei Wiederholungen einer Kontaktanalysemöglich, wenn Modellvarianten gerechnet wer-den. Der resultierende Kontaktstatus einer Kon-taktanalyse wird in sog. Kontaktstatus-Dateiengespeichert. Dieser Kontaktstatus kann dannbei der wiederholten Kontaktanalyse als Start-punkt verwendet werden. Dies führt je nach dendurchgeführten Modelländerungen zu wesentli-chen Verkürzungen der Rechenzeit.

• Wenn bei der Motorberechnung mehrere Tem-peraturfelder mehrfach verwendet werden, z.B.wenn mehrere Belastungszyklen mit unter-schiedlichen Temperaturen wie im kalten undwarmen Motor berechnet werden, dann stehtein spezieller Algorithmus zur Verfügung, derdie Gesamtberechnung erheblich beschleunigt(siehe Abb. 9).

Dynamik

Durch die Verwendung der gleichen Software für dy-namische und statische Simulationen ist nur ein Mo-dell notwendig. Alle dynamischen Verfahren stehenfür die Motorberechnung zur Verfügung (siehe Sei-ten 90 bis 97). Einige wichtige Punkte sind hier:

• Für die Ermittlung von Eigenwerte und -formenfür große Volumenmodelle steht MLDR zur Ver-fügung (siehe Seite 92).

• Schnelle Kondensationsverfahren erlauben diedynamische Berechnung von Motoren mit vielenAnbauteilen (DEVX, siehe Seite 91).

• Mit der trockenen Kondensation (Seite 91) kön-nen auch Fluide korrekt in ein mechanischesModell integriert werden, ohne Druckfreiheits-grade direkt mitzunehmen (z.B. bei der Ölwan-ne).

• Eine Bewertung der Luftschallemission kannüber Oberflächenschnellen erfolgen.

Um den Übergang von einer statischen Analyse mitKontakt zu einer dynamischen Berechnung zu un-terstützen, können die aktiven Kontakte eingefrorenwerden (auch Contact Locking genannt, siehe Sei-te 82). Zusätzlich kann das Einfrieren von einemSchwellenwert für den Kontaktdruck abhängig ge-macht werden, um z.B. dynamische Rechenergeb-nisse mit experimentellen Daten abzugleichen.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Bauteilverbindungen

Die Modellierung von Bauteilverbindungen be-stimmt wesentlich die Qualität der Simulationser-gebnisse. Andererseits ist die Abbildung von Verbin-dungsdetails aufwändig und man sucht daher nachvereinfachten Verbindungsmodellen mit ausreichen-der Genauigkeit. Bauteilverbindungen befinden sichalso im Spannungsfeld zwischen Modellierungsauf-wand und Ergebnisgüte.

Man kann zwei Klassen von Bauteilverbindungenunterscheiden, die nachfolgend beschrieben wer-den:

• Strukturverbindungen,• Verbindungselemente.

Strukturverbindungen

Bauteile können über ihre Oberflächen auf verschie-dene Arten gekoppelt werden:

• zur Kopplung von z.B. zwei zylindrischen Teilen,wo das innere Teil einen etwas größeren Durch-messer hat als der Innendurchmesser des äu-ßeren Teils, eignet sich eine Pressverbindung,welche das Übermaß direkt verwendet und oh-ne Kontakt auskommt. Diese Verbindung bleibtallerdings unter allen Lasten erhalten.

• über eine feste Kopplung (d.h. die Kopplungbleibt während der Belastung stets erhalten).Dies wird typischerweise durch kinematischeZwangsbedingungen erreicht (siehe Seite 62).

• über Kontakt (d.h. die Verbindung kann währendder Belastung öffnen und schließen). Dies wirdmit Hilfe der Kontaktanalyse gelöst (siehe Seite78).

In allen Fällen können die gekoppelten Flächenkompatibel oder inkompatibel vernetzt sein (siehedazu die Bauteilkopplung auf Seite 60). Letztereshilft, den Modellierungsaufwand zu reduzieren, weildie Teile unabhängig voneinander vernetzt werdenkönnen.

Die feste Kopplung kann mit allen Berechnungsar-ten (wie Statik und Dynamik) verwendet werden.Aber beim Kontakt benötigt z.B. eine nachfolgen-de dynamische Berechnung einen zusätzlichen Be-rechnungsschritt. Dazu gehört zunächst eine Kon-taktanalyse und ein nachfolgendes Einfrieren deraktiven Kontakte (auch Contact Locking genannt,siehe Seite 82). Auf diese Weise wird eine Li-nearisierung des nichtlinearen Kontaktproblems er-

Abbildung 32: Dynamische Berechnungeines Motors unter Schraubenvorspannung

reicht. Abb. 32 beschreibt den Prozess der dynami-schen Analyse eines vorgespannten Motors. Solan-ge keine Schraubenvorspannung aufgebracht wird,schwingen Motorblock und Zylinderkopf unabhän-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

gig voneinander. Aber nach Aufbringen der Schrau-benvorspannung schwingt der gesamte Motor wieein Festkörper. Dies wird durch das Einfrieren jenerKontakte erreicht, die bei der Kontaktanalyse auchtatsächlich im Kontakt waren. Alle anderen Bereichebleiben ungekoppelt.

Wenn die Kontakte einmal eingefroren sind, dannkönnen Eigenwerte oder Frequenzgänge berechnetwerden. Selbst die Optimierung von Frequenzgän-gen ist möglich, um z.B. die Schallabstrahlung desMotors zu reduzieren. Abb. 33 zeigt die Wirkung vonbewegliche Rippen auf der Oberfläche des Motor-blocks und die Wirkung einer Dickenänderung derRippen auf die abgestrahlte Schallleistung. Die Rip-pen werden inkompatibel gegenüber dem Motor-block vernetzt. Dann können Sie auf der Oberflächeverschoben werden, ohne Rippen oder Motorblockneu vernetzen zu müssen. Dies wird von der Form-optimierung genutzt.

Verbindungselemente

Folgende Modellierungen können als Verbindungs-elemente betrachtet werden:

• Schraubverbindungen :Diese werden in der Regel unter Vorspannungverwendet. Deshalb wird die Kontaktanalyseverwendet, um vorgespannte Schrauben zu mo-dellieren und zu berechnen (siehe Seite 80 fürweitere Details).Die Möglichkeit, Schrauben mit dem Gewindean die Struktur zu koppeln ist dabei besondersfür kurze Schrauben interessant (siehe Abb. 34),weil ihr Schaftquerschnitt sich unter Vorspan-nung verwölbt.

• Schweißpunktverbindungen :Die typische Modellierungsweise von Schweiß-punkten umfasst ein Element an der Stel-le des Schweißpunkts, welches die zusätzli-che Schweißpunktsteifigkeit darstellt, und eineMPC-Bedingung, welche die Einkopplung derElementkräfte in die beteiligten Flansche be-werkstelligt. Dabei sind die Flansche üblicher-weise inkompatibel vernetzt (auf Seite 61 mehrzur automatischen Schweißpunktgenerierung).Ein spezielles Schweißpunktmodell ist ebenfallsverfügbar, das eine verbesserte Darstellung derSteifigkeit erlaubt und zugleich weniger sensitivgegenüber unterschiedlichen Netzfeinheiten derFlansche ist (siehe Seite 30).

• Dichtungsverbindungen :

Abbildung 33: Optimierung der Rippendickeund der Rippenposition, um die Schallabstrahlung durch

die Oberfläche des Motorblocks zu reduzieren

Um Dichtungen einfach zu beschreiben, stehenDichtungselemente zur Verfügung, welche dasnichtlineare Verhalten in einer ausgezeichnetenRichtung über Kraft-Verschiebungskurvenbeschreiben.Diese Dichtungselemente werden in derKontaktanalyse berücksichtigt, wo die Kraft-Verschiebungskurven als interne Kontakteabgebildet werden.In der Dynamik muss oft die frequenzabhängigeSteifigkeit und Dämpfung einer Dichtung be-rücksichtigt werden. Dazu werden Dichtungenin der Regel als Feder-Dämpfer-Systememodelliert (siehe Abb. 133).

• Feder-Dämpfer-Verbindungen :In der Dynamik verhalten sich viele Fügestel-

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len hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung abhän-gig von der Frequenz. Diese Stellen werden oftals Feder-Dämpfer-Systeme modelliert, welcheauch die Frequenzabhängigkeit berücksichtigen(siehe Abb. 133).

Abbildung 34: Kurze Schraube unter Vorspannung

Bremsenquietschen

Bremsenquietschen gibt es, seit es Bremsen gibt,und trotz intensiver Forschung seit vielen Jahrzehn-ten kommen immer noch neue Autos auf den Markt,deren Bremsen so quietschen, dass für die Herstel-ler daraus teure Gewährleistungsfälle entstehen.Aber das betrifft nicht nur Pkw sondern ebenso alleArten von Nutzfahrzeugen, desgleichen bei Eisen-bahnwagen, Flugzeugbremsen oder gar Fahrrad-bremsen. Ebenso sind nicht nur Scheibenbremsenbetroffen, sondern auch Trommelbremsen.

Es fehlt nicht an numerischen Ansätzen, das Brem-senquietschen einer Berechnung zugänglich zu ma-chen, aber bislang hat die Komplexität des Phä-nomens verhindert, dass wegen der damit verbun-denen großen Rechenzeiten massiv Berechnungeneingesetzt werden konnten. Solange ein einzelnerParametersatz für eine Bremse viele Stunden Re-chenzeit erfordert, solange bleibt es praktisch un-möglich auch noch Geometrieänderungen durch-zuführen, um eine Konfiguration zu ermitteln, wel-che in den typischen Betriebszuständen kein Quiet-schen zeigt.

Das Bremsenquietschen wird weitgehend als rei-bungsinduzierte dynamische Instabilität interpre-tiert. Deshalb gibt es grundsätzlich zwei verschie-dene Berechnungsmöglichkeiten: Transiente Analy-sen oder komplexe Eigenwertanalysen. Wegen des

Abbildung 35: Bremsenmodellmit freundlicher Genehmigung der Dr. Ing. h.c. F.

Porsche AG in Stuttgart, Deutschland.

Abbildung 36: Einfaches Bremsenmodell (1)mit einem instabilen Biegemode (m=2, n=1), der ab 2,54

U/s auftritt

großen Zeitaufwands einer transienten Analyse liegtes nahe, die Stabilitätsuntersuchungen über eineBestimmung der komplexen Moden durchzuführen.

Die Berechnung kann in folgende Schritte zerlegtwerden:

• Eine linear statische Analyse mit Kontakt undReibung unter Bremsdruck und Rotation. Dabei

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Abbildung 37: Einfaches Bremsenmodell (2)mit einem instabilen Biegemode (m=3, n=1), der ab 3,98

U/s auftritt

kann das Gleiten zwischen Scheibe und Brems-belag über eine Starrkörperbewegung beschrie-ben werden, um die Gleitgeschwindigkeit zu er-mitteln.

• Eine reelle Eigenwertanalyse unter dem zuvorermittelten Kontaktzustand. Dazu wird der Kon-taktzustand eingefroren.

• Eine komplexe Eigenwertanalyse mit zusätzli-chen Reibungs- und Rotationsanteilen. Dazuwerden Kreisel- und Steifigkeitsterme hinzuge-fügt, welche die Bremsscheibe als elastischeStruktur im Inertialsystem berücksichtigen. Au-ßerdem werden noch weitere Steifigkeits- undDämpfungsterme ermittelt, die sich aus demReibungszustand ergeben, welcher durch dieKontaktanalyse zuvor berechnet wurde.

Wie üblich werden die Instabilitäten bei der komple-xen Eigenwertanalyse dadurch sichtbar, dass derRealteil der komplexen Eigenfrequenz positiv bzw.die effektive Dämpfung negativ wird.

Die komplexe Eigenwertanalyse wird in einemLauf für den gesamten Bereich der interessieren-den Drehgeschwindigkeiten durchgeführt. Mit die-sem Durchlauf erhält man für einen Parametersatzwie Reibungskoeffizient oder Materialwert für denBremsbelag alle relevanten Instabilitätsstellen. Mitweiteren Berechnungen werden Parameteruntersu-chungen durchgeführt, um eine Stabilitätskarte für

Abbildung 38: Einfaches Bremsenmodell (3)mit einem instabilen Biegemode (m=2, n=1), der in

Abhängigkeit vom Reibkoeffizienten bei

unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten instabil wird.

alle zu untersuchenden Einflüsse zu erhalten.

Als Beispiel wird eine einfache Bremse verwendet,die verschiedene Instabilitäten bei verschiedenenDrehgeschwindigkeiten zeigt (siehe Abb. 36 andAbb. 37). Die gezeigten Graphen wurden jeweils ineinem einzigen PERMAS-Lauf erzeugt.

Zur Untersuchung der Stabilität bei verschiede-nen Reibkoeffizienten zwischen Bremsbelag undBremsscheibe wird die Analyse mehrfach wieder-holt (siehe Abb. 38).

Eine ähnliche Untersuchung kann auch für den E-Modul des Bremsbelages durchgeführt werden. DieAbbildung 39 zeigt dazu ein Beispiel.

Um die Rechenzeiten für diese Analysen zu illu-strieren, sei folgendes große Industrie-Beispiel an-geführt:

300 000 Elemente500 000 Knoten1.5 Mio. Unbekannte

158 Reelle Eigenwerte316 Komplexe Eigenwerte

80 Drehgeschwindigkeiten

Für dieses Beispiel beträgt die gesamte Rechenzeit(elapsed) mit PERMAS Version 12 bei 1 Std. 10 Min.auf einer 4-CPU Itanium-Maschine mit 8 GB Memo-

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Abbildung 39: Einfaches Bremsenmodell (4)mit einem instabilen Biegemode (m=3, n=1), der in

Abhängigkeit vom E-Modul des Bremsbelages bei

unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten instabil wird.

ry. Der benötigte Plattenplatz liegt bei 90 GB.

Auf einer 4-CPU Quad-Core-Maschine konnte dieseRechenzeit auf 19 Min. reduziert werden.

Mit solchen Rechenzeiten ist eine umfangreicheParameteruntersuchung einer Bremse in kurzenZeiträumen möglich.

Abbildung 40: Stabilitätskarte einer Bremsefür 7110 Parametersätze aus Drehgeschwindigkeit,

E-Modul der Scheibe und Reibkoeffizient zwischen

Scheibe und Bremsbelag. Die Gesamtrechenzeit betrug

dafür 5 Std. 12 Min..

Eine solche Parameteruntersuchung kann z.B. da-für verwendet werden, um eine Stabilitätskarte einerBremse zu erstellen (siehe Abb. 40). Dabei werden

alle instabilen Moden, wie sie sich aus einer kom-plexen Eigenwertanalyse ergeben, für eine großeAnzahl verschiedener Parametersätze zusammen-gestellt. Dadurch werden die besonders gefährde-ten Moden sichtbar gemacht. Die damit verfügba-ren Informationen erlauben die Ermittlung der Bau-teile einer Bremse, die für eine Verbesserung desQuietschverhaltens verändert werden sollten.

Abbildung 41: Campbell-Diagrammfür die Auswertung in der Rotordynamik

Rotierende Systeme

Die verfügbaren statischen und dynamischenBerechnungsmöglichkeiten erlauben die Analyserotierender Systeme, welche besonderen Randbe-dingungen unterworfen sind.

Abb. 42 gibt einen Überblick über die Berechnungs-möglichkeiten von rotierenden Systemen. Sowohlmitdrehende als auch inertiale Bezugssysteme kön-nen verwendet werden.

Statik

In einer quasistatischen Berechnung, die z.B. auchden Kontakt im Nabenbereich berücksichtigt, wer-den die Zentrifugalkräfte aufgrund der Drehung be-rücksichtigt. Dabei ist das Bezugssystem ein mit-rotierendes Relativsystem oder das Inertialsystem(bei axialsymmetrischem Rotor). Die statische Be-rechnung ist auf den unterkritischen Betrieb be-schränkt.

In einer linearen Berechnung werden dieZentrifugalfeldsteifigkeit und die geometrischeSteifigkeit jeweils bei der angegebenen Drehzahlberücksichtigt. Bei einer geometrisch nichtlinearen

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Abbildung 42: Berechnungen in der Rotordynamik

Berechnung erfolgt eine Korrektur der Zentrifugal-kräfte.

Dynamik

Um den Verlauf der Eigenfrequenzen über der Dreh-zahl zu ermitteln steht ein automatisches Verfahrenzur Verfügung (siehe Abb. 41 und Seite 92), mit demein Campbell-Diagramm direkt erstellt werden kann.

In der Dynamik rotierender Systeme geht man vonden allgemeinen Voraussetzungen einer linearisier-ten Bewegungsgleichung mit konstanten Koeffizi-enten aus. Das Bezugssystem kann ein mitrotie-rendes Relativsystem oder das Inertialsystem sein.Die Drehgeschwindigkeit wird als konstant voraus-gesetzt.

Bei einer Kopplung von rotierenden und nicht-rotierenden Teilen im mitdrehenden Bezugssy-stem muss man für den rotierenden Teil keinerleiEinschränkung berücksichtigen, während die nicht-rotierenden Teile eine isotrope Lagerung für den Ro-tor darstellen müssen.

Für diese Konfiguration können die direkten undmodalen Methoden im Zeit- und Frequenzbereicheingesetzt werden. Dabei wird auch die jeweiligeCoriolis-Matrix bei der Lösung berücksichtigt.

Bei einer Dynamik im Inertialsystem hat man für

die nicht-rotierende Struktur keine weiteren Ein-schränkungen zu berücksichtigen, aber die rotieren-de Struktur muss axialsymmetrisch sein.

Auch für diese Konfiguration können die direktenund modalen Methoden im Zeit- und Frequenzbe-reich unter Berücksichtigung der Kreiselmatrix ein-gesetzt werden. Dabei bleiben die modalen Metho-den zur Ermittlung der dynamischen Antwort auchim überkritischen Bereich einsetzbar.

Um die kritische Drehgeschwindigkeit zu ermitteln,kann ein Campbell-Diagramm verwendet werden.Im mitdrehenden Bezugssystem wird ein Eigenwertbei der kritischen Geschwindigkeit einen Nullwertzeigen.

Eine drehzahlabhängige Steifigkeit und viskoseDämpfung von Rotorlagern kann in einer komple-xen Eigenwertanalyse und bei der Erstellung ei-nes Campbell-Diagramms berücksichtigt werden.Das wird mit einem speziellen Element erreicht (d.i.CONTROL6-Element, siehe Abb. 130).

Von speziellem Interesse bei der Dynamik ist diestationäre Antwort im Modalraum. Dabei werdenzunächst die statischen Spannungen unter Zentri-fugallast ermittelt. Dann werden geometrische undZentrifugalfeldsteifigkeit einbezogen und die Ver-schiebungen für den konstanten Lastanteil berech-net. Nach einer Eigenwertanalyse werden im Mo-dalraum dann Frequenzgänge für jede Harmoni-sche ermittelt, welche dann nach einer Rücktrans-formation in den physikalischen Raum mit den sta-tischen Verschiebungen im Zeitbereich überlagertwerden (siehe Seite 94).

Berechnung von Werkzeugmaschinen

Bei der Entwicklung von Werkzeugmaschinen spieltdas dynamische Verhalten des Gesamtsystems fürdie Effizienz und Präzision der Maschinen die ent-scheidende Rolle. Das Gesamtsystem besteht da-bei aus den Strukturteilen, den Antrieben der ver-schiedenen Achsen und ihrer Regelung. Bei der Be-arbeitung des Werkstücks durch das Werkzeug ent-stehen Kräfte, welche die Maschine zu Schwingun-gen anregen können, die durch die Systemkompo-nenten ausreichend gedämpft werden müssen. AmEnde soll die Maschine bei hoher Geschwindigkeitein Höchstmaß an Genauigkeit erreichen.

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Alle verfügbaren dynamischen Analysemethodenkönnen auch für die Berechnung von Werkzeugma-schinen verwendet werden, wie die Eigenwert- undFrequenzganganalyse, die komplexe Eigenwertbe-rechnung und die Zeitintegration. Außerdem stehenOptimierungsverfahren zur Verfügung, um Modell-änderungen zu ermitteln, welche die Eigenschafteneiner Werkzeugmaschine bezüglich Gewicht undunter statischer dynamischer Belastung verbessernkönnen.

Abbildung 43: Vereinfachtes Modelleiner Drehmaschine auf Vorschlag des WZL in Aachen

und unterstützt durch INDEX, Esslingen für eine sinnvolle

Parametereinstellung

Als Beispiel für eine Drehmaschine wurde vom WZLin Aachen das Modell in Abb. 43 vorgeschlagen. DieSystemparameter wurden dazu in Abstimmung mitINDEX-Werke GmbH & Co. KG in Esslingen festge-legt.

Die folgenden typischen Maschinenteile wurden fürdas Modell herangezogen:

• Bauteile :Maschinenbett, Schlitten und Spindelstock sindals Volumenmodell erstellt worden (siehe Abb.43).

• Führungen :Diese sind Bestandteil der Struktur, aber diepassende Modellierung der Verbíndung ge-schieht über Feder-Dämpfer-Systeme, wobeidie Feder- und Dämpferkräfte mit den verbun-denen Volumenstrukturen über geeignete MPC-Bedingungen unter Berücksichtigung von in-kompatiblen Netzen gekoppelt werden.

• Kugelgewindetriebe :Diese werden mit Balkenelementen modelliert.Ihre Funktion besteht darin, die Drehbewegungdes Antriebs in eine translatorische Bewegung

Abbildung 44: Blockdiagramm des Reglersund die entsprechende Darstellung als finites Element

des Schlittens umzusetzen. Diese Transforma-tion wird mit Hilfe einer MPC-Bedingung reali-siert, welche den Durchmesser des Gewindesund seine Steigung berücksichtigt.

• Spindel mit Werkstück :Spindel und Werkstück werden wieder als Volu-menmodelle realisiert. Die Kopplung zum Spin-delstock erfolgt über ein spezielles Element undwieder mit einer geeigneten MPC-Bedingung.Das spezielle Element wird benötigt, um Stei-figkeit und Dämpfung der Spindel-Lagerung ab-hängig von der Drehgeschwindigkeit zu gestal-ten (siehe Abb. 130).

• Regelung :Um die Regelung im Modell zu berücksichtigen,wurde ein finites Element entwickelt, das einensog. Kaskadenregler darstellt (wie in Abb. 44).Dieser Kaskadenregler enthält Positions- undGeschwindigkeitsregler zusammen mit Filternund einem Stromregler. Dieser Regler enthältalle typischen Regelungsanteile, wie sie für dieRegelung von Werkzeugmaschinen gebraucht

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Abbildung 45: Frequenzgang zwischen Werkzeugund Werkstück aufgrund einer Anregung in z-Richtung

für die ungeregelte (oben) und die geregelte (unten)

Maschine

werden und er wurde in Kooperation mit Herstel-lern von Werkzeugmaschinen entwickelt.Die Aktuatorkraft wird als Moment in den Kugel-gewindetrieb beider angetriebener Achsen ein-gespeist (Z-Achse und X-Achse). Die Senso-ren für die relativen Positionsänderungen befin-den sich zwischen dem Maschinenbett und demZ-Schlitten bzw. zwischen dem Z-Schlitten unddem X-Schlitten. Die Sensoren für die relativeGeschwindigkeit (mit Hilfe von Drehratensenso-ren) befinden sich an den Kugelgewindetrieben.Die Parameter des Reglers müssen den tat-sächlichen Regler wiedergeben, wie er in derMaschine verbaut wird. Deshalb sind die Pa-rameter dem Berechnungsingenieur als Ein-gangswerte zur Verfügung zu stellen (wie auchandere Werte, z.B. fürs Material). Damit ist derBerechnungsingenieur in der Lage, die Entwick-lung der Maschine mit einer vollen Systemsimu-

lation zu unterstützen.Im Beispielmodell befinden sich zwei Regler, ei-ner für die translatorische Bewegung parallel zurSpindelachse (Z-Achse) und einer für die radialeBewegung (der Werkzeugzustellung, X-Achse).Die Reglerparameter sind in beiden Fällen die-selben mit Ausnahme des Parameters m, derein Maß für die bewegte Masse in dieser Achs-richtung darstellt. Dies führt zu einem höherenWert für die Z-Achse als für die X-Achse.

Abbildung 46: Zeitintegration nach einer Anregungin z-Richtung für einen plötzlichen Positionssprung

(oben) und eine glatte Positionsänderung (unten) der

geregelten Maschine

Typische Methoden zur dynamischen Berechnungvon Werkzeugmaschinen sind:

• Eigenwertanalyse :Modale Methoden haben den Vorteil, dass siewegen der Modellreduktion deutlich effizientersind. Trotzdem stehen auch direkte Verfahrenzur Verfügung.

• Modale Frequenzganganalyse :Abb. 45 zeigt den Frequenzgang für Amplitudeund Phase zwischen Werkzeug und Werkstückbei einer Anregung in Z-Richtung unter ungere-

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gelten (oben) und geregelten (unten) Bedingun-gen.

• Modale Zeitintegration :Abb. 46 zeigt die Antwort auf eine Positionsän-derung des Werkzeugs in Z-Richtung. Einmalist die Positionsänderung sprunghaft (oben) undzum anderen ein glatter Übergang (wie eine Si-nusfunktion, Abb. unten). Dabei wird auch dieRotation der Spindel bei 2000 U/min berücksich-tigt.Zusätzlich ist es wichtig zu erwähnen, dass dienichtlinearen Lagerbedingungen der Spindel inder modalen Zeitintegration verwendet werdenkönnen.

• Komplexe Eigenwertanalyse :Die Wirkung der Systemdämpfung (wie in denFührungen und im Spindellager) sowie diedämpfende Wirkung der Regelung auf die Verla-gerung der Eigenfrequenzen kann mit der kom-plexen Eigenwertanalyse ermittelt werden (un-ter Berücksichtigung der Kreiseleffekte). Damitist auch eine Stabilitätsbetrachtung des Reglersmöglich.

• Stabilitätsanalyse des Prozesses :Für die Entwicklung einer Werkzeugmaschineist es besonders wichtig, schon früh eine Aus-sage über auftretende Instabilitäten machen zukönnen. Es ist das Ziel der Entwicklung, eineMaschine zu bekommen, die stabil mit hoherGenauigkeit bei hoher Geschwindigkeit arbeitet.Die Quelle von Instabilitäten liegt in der Interak-tion zwischen Werkzeug und Werkstück, wobeidie Energie der selbsterregten Schwingungenaus der rotierenden Spindel kommt.Um den nichtlinearen Drehprozess berechenbarzu machen, wurde ein Schnittkraftmodell ent-wickelt. Dieses hängt von der Schnittgeschwin-digkeit, der Schnitttiefe und der Zustellung proUmdrehung ab. Das Schnittkraftmodell erforderteine Reihe von Koeffizienten, die sich auf dieKombination eines bestimmten Werkzeugs miteinem bestimmten Material des Werkstücks be-ziehen. Diese Koeffizienten müssen über eini-ge Experimente mit dieser Kombination ermitteltund kalibriert werden.Damit können eine Stabilitätskarte erstellt unddie zugehörigen Ratterfrequenzen ermittelt wer-den (siehe Abb. 47). Dabei kann ein beson-ders wichtiger Effekt der Spindeldrehung be-obachtet werden. Die Stabilität hängt von derDrehrichtung der Spindel ab. Hier erlaubt die

Abbildung 47: Stabilitätskarte fürs Längsdrehenmit stabilem und instabilem Verhalten bei Links- bzw.

Rechtslauf.

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Links-Drehung (gegen den Uhrzeigersinn) hö-here Schnitttiefen als die Rechts-Drehung (imUhrzeigersinn) der Spindel.Abb. 47 zeigt auch die Ergebnisse einer Zeitin-tegration für einen Arbeitspunkt (siehe den rotenPunkt bei 1300 U/min), der ein stabiles Verhal-ten bei Linksdrehung und ein instabiles Verhal-ten bei Rechtsdrehung aufweist.

Einige Anwendungsbeispiele für den Einsatz derOptimierung können noch ergänzt werden:

• Die Topologie-Optimierung kann verwendetwerden, um leichtere Werkzeugmschinen zu er-halten. Dabei können Regler und weitere dy-namische Bedingungen berücksichtigt werden(wie Eigenfrequenzen, Frequenzgang).

• Formoptimierung, um die richtigen Aufstands-punkte der Maschine zu ermitteln.

• Optimierung der Reglerparameter, um Eigenfre-quenzen zu verschieben und den Frequenzgangzu verbessern.

Abbildung 48: Schema der gekoppelten Analysemit Regelung

Aktiv geregelte Systeme

In der Vergangenheit wurde die Auslegung von Ma-schinenstrukturen und Regelung getrennt durchge-führt. Bedingt durch die wesentlich höhere Dynamikder Antriebe kann diese Trennung nicht mehr auf-rechterhalten werden, da beide Bereiche einer star-ken Kopplung unterliegen. Dadurch wird die gekop-pelte Simulation von Strukturdynamik und Regelungzur notwendigen Voraussetzung für eine erfolgrei-che Gesamtauslegung.

Leichtbaustrukturen zeigen häufig eine höhereEmpfindlichkeit gegenüber Schwingungen. Dage-gen kann z.B. eine aktiven Dämpfung einge-

setzt werden (siehe das Beispiel eines Laminat-Hohlkastens in Abb. 49). Eine dynamische Analysemit aktiver Dämpfung erbringt viele wertvolle Infor-mationen für den Leichtbauentwurf, wie die erfor-derlichen Dämpfungskräfte oder die dabei benötigteLeistung.

Abbildung 49: Aktive Dämpfungeines Laminat-Hohlkastens

Für die Berechnung aktiv geregelter Strukturen be-stehen folgende Möglichkeiten:

• Lineare Regelelemente:– PID-Regler,– Verschiedene Kaskadenregler.Diese Regelelemente verbinden einen dyna-mischen Schwingungszustand (abgegriffen amSensor) über klassische lineare Regelparame-ter mit einer Antriebskraft.Lineare Regelelemente werden wie andere Ele-mente auch behandelt, d.h. sie sind über ihreTopologie (Knoten und Koordinaten) und ihre Ei-

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

genschaften definiert. Natürlich können beliebigviele Regelelemente in einem Modell verwendetwerden.Ein zusätzliches Regelelement mit acht Knotensteht als programmierbares Element zur Verfü-gung, wobei der Anwender die Elementsteifig-keit und die viskose Dämpfungsmatrix über einUnterprogramm spezifiziert.

• Lösungsverfahren:Lineare Regelelemente können allein in dyna-mischen Analysen verwendet werden, wobeiinsbesondere folgende Verfahren in Betrachtkommen:– Direkte Antwortverfahren im Zeit- und Fre-

quenzbereich.– Modale Antwortverfahren im Zeit- und Fre-

quenzbereich, wobei die modale Basisdurch statische Verschiebungsformen erwei-tert wird, welche die regler-internen Zu-standsvariablen abbilden.

– Komplexe Eigenwertanalyse zur Bewertungder Wirkung von Reglerelementen auf dieDynamik des Systems.

• Zusätzliche statische Verschiebungsformen:Neben der Einbeziehung von regler-internenZuständen können statische Verschiebungsfor-men auch dazu verwendet werden, die Genau-igkeit der Ergebnisse einer modalen Antwortbe-rechnung zu verbessern (siehe Seite 95).

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Dis

plac

emen

t

Time

Active Suspension

N5, WN10, WN20, W

Abbildung 50: Gesteuerter Kraftgeberu∗

aktiv zwischen Rad M1 und Aufbau M2 als Funktion

f(x0, x1, x2, x1, x2) mit harmonischer

Fußpunktanregung. Der Aufbau zeigt keine

Amplitudenerhöhung.

• Nichtlineare Regelelemente:Zusätzlich können nichtlineare Regelelementeverwendet werden, die eine allgemeine Funk-tion erlauben, um die Abhängigkeit der Reg-lerkraft vom Schwingungszustand des Modellszu beschreiben (z.B. als FORTRAN- oder C-

Subroutine). Wegen der Nichtlinearitäten kön-nen diese Elemente ausschließlich im Zeitbe-reich verwendet werden, d.h. in einer direktenoder modalen Zeitintegration.

X

Y

Z

Abbildung 51: Optimierung eines Wasserkastensmit 18 Entwurfsvariablen und 19 stochastischen

Basisvariablen

Basis Optimiert EinschrittMasse: M 4.09 · 10

−43.15 · 10

−43.21 · 10

−4

Versagenswahr-scheinlichkeit: Pf 4.78 · 10

−66.80 · 10

−31.55 · 10

−6

Ausfallrate(eines von): 209205 147 645161

Robustes Optimum

Um einen robusten Entwurf zu bekommen, genügtes nicht, nur eine einfache Optimierung durchzufüh-ren:

• Optimierung führt oftmals zu reduzierten Sicher-heitmargen.

• Der optimierte Entwurf kann andere kritischeParameter haben als der Ausgangsentwurf.

• Ein „zuverlässiges“ Optimum kann sich von ei-nem deterministischen unterscheiden.

Die vorgeschlagene Lösung besteht in einer Kombi-nation von Optimierung und Zuverlässigkeitsanaly-se. Für diese Kombination gibt es zwei verschiede-ne Vorgehensweisen:

• Zweischrittverfahren– Ausgangszustand

* FE-Analyse (z.B. Statik),

* Zuverlässigkeitsanalyse.

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

– Optimierung unter Berücksichtigung der Zu-verlässigkeit

* Optimierung,

* Zuverlässigkeitsanalyse des optimiertenZustands,

* Wenn nicht befriedigend:· Änderung des Designmodells auf

Grund der Zuverlässigkeitsergeb-nisse,

· Wiederholen von Optimierung undZuverlässigkeitsanalyse.

• Einschrittverfahren– Kombinierte Optimierungs- und Zuverlässig-

keitsanalyse,– Zuverlässigkeit als Randbedingung in der

Optimierung.

Für das Einschrittverfahren ist das Zusammenspielvon Entwurfsvariablen in der Optimierung und Ba-sisvariablen in der Zuverlässigkeitsanalyse wie folgt:

• Entwurfsvariable– legen den Entwurfszustand fest,– können bei der Optimierung geändert wer-

den,– können von einem der folgenden Typen sein:

* Deterministische Entwurfsvariable,

* Deterministischer Mittelwert einer sto-chastischen Entwurfsvariable.

• Basisvariable– Basisvariable definieren die stochastischen

Eigenschaften des Problems,– Folgende Typen von Basisvariablen sind

möglich:

* Stochastische Eigenschaften der Struk-tur,

* Stochastische Entwurfsvariable mit de-terministischem Mittelwert,

* Lastfaktoren,

* Parameter der Versagensfunktion,

* Parameter einer anderen Basisvariable.

Beim Einschrittverfahren gehören zu jedem Ent-wurfsschritt zwei verschiedene Zustände:

• Entwurfszustand,• Grenzzustand.

Für jeden Zustand ist eine FE-Analyse notwendig.Damit müssen in jedem Schritt während der Iterati-on mindestens zwei FE-Analysen durchgeführt wer-den.

Der Entwurfszustand ist der aktuelle Stand der Op-

timierung. Er ist gegeben durch:

• Aktuelle Werte der Entwurfsvariablen,• Mittelwerte der Basisvariablen.

Die Zielfunktion wird für den Entwurfszustand aus-gewertet. Die Randbedingungen der Optimierungwerden für den Entwurfszustand überprüft. Der end-gültige Entwurfszustand muss diese Randbedin-gungen erfüllen.

Abbildung 52: Optimierung PROTEUS Satellitmit 28 Entwurfsvariablen und 30 stochastischen

Basisvariablen (Alcatel Space S.A.)

Basis Optimiert EinschrittMasse: M 324.8 308.9 312.5

Maximale Spannung: σ 9.6 · 107

1.2 · 108

5.5 · 106

Versagenswahr-scheinlichkeit: Pf 8.2 · 10

−74.2 · 10

−51.0 · 10

−6

Ausfallrate(eines von) 1.2 Mio 23809 1 Mio.

Der Grenzzustand beschreibt für einen gegebenenEntwurfszustand den zugehörigen Versagensfall. Erist gegeben durch:

• Aktuelle Werte der Entwurfsvariablen,• Aktuelle Werte der Basisvariablen.

Die Versagensfunktion wird für den Grenzzustandausgewertet. Die Randbedingungen der Optimie-rung sind für den Grenzzustand bedeutungslos, i.a.sind die Grenzwerte für die Versagensfunktion unddie Grenzwerte für die Optimierung unterschiedlich.

Die kombinierte Vorgehensweise liefert folgende Er-gebnisse:

• Endgültiger Entwurfszustand– Wert der Zielfunktion,– Werte der Entwurfsvariablen,– Elastizitäten der Entwurfsvariablen bezüglich

der Zielfunktion,

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

– Versagenswahrscheinlichkeit,– Werte der aktiven Restriktionen.

• Endgültiger Grenzzustand– Werte der Basisvariablen,– Parameterempfindlichkeit der Versagens-

funktion.• Immer verfügbar:

– Ausgewählte Daten für jede Iteration.

Experimentelle Modal-Analyse

Für Strukturen unter dynamischer Belastung wer-den Simulationen und Experimente häufig neben-einander eingesetzt. Dies kann zu beiderseitigemNutzen führen. Zunächst erlaubt die Simulation, je-ne Strukturpunkte zu identifizieren, an denen vor-zugsweise gemessen werden sollte. Mit den Ergeb-nissen der Messung können dann Unterschiede imSimulationsmodell gefunden werden, welche eineAnpassung des Modells an die getestete Strukturerlauben.

Ein wichtiger Vergleich zwischen experimentellerModalanalyse (EMA) und dynamischer Eigenwert-analyse (PERMAS-Modul DEV) ist der zwischenden gemessenen und gerechneten Eigenfrequen-zen und zwischen den gemessenen und gerech-neten Eigenschwingungsformen. Während die Ei-genfrequenzen direkt numerisch verglichen werdenkönnen, hat sich für den Vergleich der Eigenschwin-gungsformen die MAC-Matrix (MAC - Modal Ass-urance Criterion) etabliert (siehe auch Seite ). Dabeiwird jede Schwingungsform des Experiments mit je-der Schwingungsform der Berechnung verglichenund umgekehrt. Die Werte der MAC-Matrix liegenzwischen Null und Eins. Werte nahe Eins zeigeneine starke Ähnlichkeit der Schwingungsformen an,während kleine Werte verschiedene Schwingungs-formen anzeigen.

PERMAS kann zunächst das Modell und die Er-gebnisse des Experiments (über einen Universal-File) einlesen und anschließend mit den berechne-ten Schwingungsformen direkt die MAC-Matrix er-mitteln und ausgeben.

Abb. 53 zeigt ein Beispiel, das uns dankenswerterWeise von Herrn Prof. Dr.-Ing. Jörg Bienert von derTechnischen Hochschule Ingolstadt zur Verfügunggestellt wurde. Er hatte die Versuchsergebnisse für

Abbildung 53: Beispiel für EMAEin Leiterrahmen mit gemessenen und gerechneten

Eigenfrequenzen und Eigenschwingformen. Die

MAC-Matrix zeigt eine gute Korrelation für fünf

Eigenformen.

die Leiterrahmenstruktur ermittelt, während die Be-rechnung und der Vergleich von INTES durchge-führt wurde. Die Messpunkte stimmten dabei nichtmit Knotenpunkten des FEM-Modells überein. Des-halb werden Interpolationsgebiete verwendet, umdie Messpunkte mit den benachbarten Knoten desFEM-Modells zu verbinden. Dadurch stehen an denMesspunkten sowohl die Mess- als auch die Be-rechnungsergebnisse zur Verfügung und die beidenErgebnissätze lassen sich unmittelbar miteinandervergleichen und die entsprechende MAC-Matrix er-stellen.

Für die ersten drei Moden sind die gemessenen undberechneten Eigenfrequenzen und Eigenschwin-gungsformen dargestellt. Aus der MAC-Matrix ist fürdie höheren Moden vier bis sieben zu erkennen,

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

dass diese nicht im Experiment festgestellt wurden.Dort wurden eindimensionale Sensoren verwendet,welche die Schwingungen normal zum Leiterrah-men messen können. Die berechneten Moden vierbis sieben sind aber Moden in der Ebene des Leiter-rahmens und daher für die Sensoren nicht sichtbar.

Weitere Informationen zur Berechnung von dynami-schen Eigenwerten findet man auf Seite 90.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

VisPER

Abbildung 54: Das Logo von VisPER

Zur Vorgeschichte von VisPER

PERMAS als Software für numerische Berechnun-gen hält viele Funktionalitäten bereit, die durchdie verfügbaren Preprozessoren nicht ausreichendunterstützt werden. Deshalb haben die PERMAS-Entwickler seit Jahren nach einer grafischen Benut-zerschnittstelle (GUI) gesucht, welche PERMAS sogut wie möglich unterstützt und die Modellbeschrei-bung effektiver gestaltet.

Nach drei Jahren Entwicklungszeit wurde auf derPERMAS-Anwendertagung in Stuttgart Anfang April2008 die neue grafische Benutzerschnittstelle Vis-PER (für Visual PERMAS) angekündigt. Die ak-tuelle Version ist VisPER Version 6, welche mitPERMAS Version 17 verfügbar ist.

VisPER – Eine kurze Einführung

VisPER (Visual PERMAS) ist ein grafisch basier-ter Modell-Editor. Er wird verwendet, um PERMAS-Modelle für spezifische Anwendungen zu vervoll-ständigen. Damit schließt VisPER die Lücke zwi-schen FE-Modellen, wie Sie von verschiedenen Ver-netzern erstellt werden, und lauffähigen PERMAS-Modellen (see Abb. 55).

VisPER kann auch als Postprozessor für PERMASverwendet werden. Vor allem solche Funktionenkönnen auch ausgewertet werden, für die VisPERauch als Modell-Editor einsetzbar ist.

Um das Potential eines erweiterten Modell-Editorsaufzuzeigen, unterstützt VisPER eine Reihe spezi-eller Anwendungsfälle:

• Berechnung des Bremsenquietschens,

Abbildung 55: VisPER als Modell-Editor

• Bauteiltausch,• Entwurf durch Simulation,• Topologie-Optimierung,• Dimensionsoptimierung,• Formoptimierung (mit Freiformoptimierung),• Sickengenerierung,• Sampling,• Fluid-Struktur-Kopplung,• Kontaktanalyse (mit Schraubenvorspannung),• Pressverbindungen.

Die Anwendung von VisPER empfiehlt sich, wenn

• ein FE-Modell für eine vom Modell-Editor unter-stützte Anwendung ergänzt werden soll und einNetz bereits vorhanden ist,

• ein bestehendes FE-Modell überprüft werdensoll (z.B. Lasten und Randbedingungen),

• ein Teilstruktur-Modell generiert und verifiziertwerden soll,

• Ergebnisse einer FE-Berechnung mit PERMASausgewertet werden sollen.

Mit VisPER sind eine ganze Reihe von Vorteilen ver-bunden:

• VisPER stellt einen einfachen und schnellenWeg bereit, Modelle zu vervollständigen.

• Modelle werden vervollständigt in einer Wei-se, welche die logische Struktur der PERMAS-Eingabe abbildet. Das ermöglicht eine zuverläs-sige und syntaktisch fehlerfreie Beschreibungder zu ergänzenden Modellteile und verkürztden Weg zu einem korrekten Modell.

• Die Möglichkeit, Operationsfolgen aufzuzeich-nen, und die Verfügbarkeit einer integrier-ten Skriptsprache (Python) machen VisPERin hohem Maße an Kundenanforderungen an-passbar.

• Die in VisPER neu erzeugten Modelldaten kön-nen separat exportiert werden und in PERMASmit den bereits vorhandenen Modelldaten ge-meinsam eingelesen und verwendet werden.

• VisPER benutzt die PERMAS-Datenstrukturen

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und -Leseroutinen. Damit sind Modelle in bei-den Programmen gleich, ohne Übersetzung undohne Interpretation.

Abbildung 56: Hauptfenster von VisPER

Die Abb. 56 zeigt das Hauptfenster von VisPER.Jede Funktion ist über Pulldown-Menüs erreichbar.Tastaturbefehle stehen für viele Funktionen zur Ver-fügung, die jederzeit geändert oder erweitert wer-den können. Die Werkzeugleiste ermöglicht denschnellen Zugriff auf häufig verwendete Funktio-nen. Kommandoleisten ermöglichen den Aufruf ei-ner Reihe von Befehlen zu ausgewählten Datenele-menten. Das Bedienfeld zeigt die Reaktionen vonVisPER auf die Eingaben des Benutzers (wie Kom-mentare oder Fehlermeldungen). Das Bedienfeldund Kommandoleisten können ausgeblendet wer-den, um das Grafikfenster zu vergrößern. Zusätzlichkönnen Sie aus dem Grafikfenster herausgezogenwerden, um sie ständig sichtbar zu halten.

VisPER-BAS – Basismodul

Dieses Modul umfasst die VisPER-Infrastruktur, diegrafische Benutzerschnittstelle und alle Basisfunk-tionen für das Pre- und Postprozessing.

Die Infrastruktur umfasst:

• die Konfiguration von VisPER bezüglich Stand-ort und Benutzer sowie der Integration benutzer-eigener Dokumentation (wie Tooltipps),

• Import und Export von Dateien (wie für Modell-daten und Ergebnisse),

• die Erzeugung und Verwendung von Makros,

• die Erzeugung und Verwendung von Dateien zurPERMAS-Ablaufsteuerung (d.i. UCI).

Abbildung 57: VisPER-Menümit allen Einstiegspunkten.

Die grafische Benutzerschnittstelle umfasst:

• die Menü-Elemente wie Menüleiste, Werkzeug-leiste, Dialogleiste, Wizards, Eingabefeld und In-formationsfeld,

• die Festlegung von Farben, die Animation überSchieberegler und die Auswahl von Schriftarten,

• die Steuerung der Maus, von SpaceMouse,

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Auswahl von Ansichten und Kameraeinstellun-gen,

• die interaktive Verwendung der Maus,• die Abstandsmessung zwischen Knoten und

Elementen,• die Festlegung und Verwendung von Tastatur-

befehlen.

Fig. 57 zeigt alle Haupteinstiegspunkte ins VisPER-Menü. Dies gibt einen guten Überblick über die fürPERMAS unterstützten Funktionen und Modelldefi-nitionen.

Die folgenden Wizards sind Teil des Basismoduls:

• Add&Replace Wizard,• Brake Squeal Wizard,• Design Wizard,• Pressfit Wizard,• Sampling Wizard.

Im weiteren werden diese Wizards im einzelnen er-läutert:

Der Add&Replace Wizard unterstützt die folgendenzwei Operationen:

• Hinzufügen eines neuen Teils zu einem beste-henden Modell:– Automatisches Umnummerieren von mehrfa-

chen Knoten- und Elementnummern,– Optionale Positionierung, um falsche Position

oder Ausrichtung sowie einen unterschiedli-chen Koordinatenursprung zu korrigieren,

– Herstellen der Verbindungen zwischen be-stehendem Modell und dem neuen Teil, wieMPC, Kontakt, Vorspannung, Pressverbin-dung, etc..

• Austauschen eines bestehenden Modellteilsdurch einen neuen (siehe Abb. 20):– Wiederverwendung bestehender Verbindun-

gen und Sets,– Anpassen der Oberflächen an die neue Geo-

metrie,– Umnummerieren von Knoten- und Element-

nummern,– Gleichzeitiges Verwalten von altem und neu-

em Teil,– Erhaltung eines regelkonformen Modells.

Der Brake Squeal Wizard für die Vorbereitung einerBerechnung des Bremsenquietschens erlaubt dieeinfache Beschreibung solcher komplexen Model-le gemäß der verfügbaren PERMAS-Technologie.

Abbildung 58: Kinematische Randbedingungenan Knoten

(siehe Abb. 60). Die wichtigsten Funktionen des Wi-zards für eine Standardisierung solcher Modelle unddie Erreichung der Prozessstabilität sind:

• Schnelle Vorbereitung einer Bremsenberech-nung,

• Geführte Beschreibung dynamischer Eigen-schaften des Modells,

• Überprüfung der dynamischen Eigenschaften

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Abbildung 59: Grafikeigenschaften von Partsund Elementgruppen (wähle S=Sichtbar, C=Farbe,

W=Gitter, A=Aktiv).

des Modells und Ihrer Verträglichkeit,• Erzeugung einer UCI-Datei zur Absteuerung der

Bremsenberechnung.

Der Design Wizard unterstützt einen simulations-getriebenen Entwurf (siehe Abb. 21) durch Gene-rieren und Glätten der Hülle des Ergebnisses ei-ner Topologie-Optimierung, Reparieren des Net-

zes auf der Hülle, Hinzufügen und Prüfen vonHerstell-Randbedingungen sowie das Generiereneines TET-Netzes innerhalb der Hülle:

• Topologie-Optimierung hat ein großes Potentialneue Design-Ideen zu erhalten,

• Dafür ist die klare Trennung von Bereichen mitund ohne Material essentiell, um einen automa-tisierten Prozess zur Geometrieauswahl zu er-halten,

• Für den gefundenen Entwurf müssen zusätzli-che Anforderungen erfüllt werden (z.B. durch ei-ne Formoptimierung),

• Daher muss der Simulationsprozess so aufge-setzt werden, dass alle Anforderungen best-möglich erfüllt werden,

• Die Simulationskette überbrückt die Lücke zwi-schen Topologie- und Formoptimierung,

• Das Ziel ist der digitale Prototyp, der eineleistungsbasierte Entwurfsentscheidung ermög-licht.

Der Sampling Wizard unterstützt die Eingabe füreine Berechnung mit Sampling durch Vorbereitender Sampling-Situation, Zuweisung der ausgewähl-ten Variablen, Festlegung des Wertebereichs derVariablen sowie Angabe des Ergebnisses, das fürdie Variablen ausgewertet werden soll (siehe auchSeite 77).

Der Pressfit Wizard unterstützt die Eingabe für einePressverbindung durch Auswahl der Verbindungs-partner, Beschreibung der zugehörigen Parameterund Lasten sowie die Beschreibung einer Lastge-schichte, falls nötig.

Ein RBM-Assistent (Rigid-Body-Mode Assistent)stellt einen effizienten Prozess zur Erzeugung ge-eigneter elastischer Lagerungen für Statikmodellezur Verfügung. Insbesondere können damit bequemdie Kompensationsfedern für Kontaktmodelle gene-riert werden (siehe Seite 81).

VisPER stellt eine Reihe von Werkzeugen zur Ver-fügung, um die Zusammenarbeit mit PERMAS zuunterstützen, z.B.:

• Die Diagnosemeldungen von PERMAS in derProtokoll-Datei können in VisPER mit Hilfe einesspeziellen Dialogs (sog. Message Tree) ausge-wertet und die betroffenen Modellteile direkt an-gezeigt werden.

• Informationen zum Modell können als Baum füralle eingelesenen Dateien dargestellt werden.

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Abbildung 60: Preprozessing von Bremsenmodellen

• VisPER kann so konfiguriert werden, dass einBatchjob von PERMAS gestartet wird.

• Importierte Ergebnisse und das Modell fürsPostprozessing können auch aus VisPER her-aus in anderen Formaten ausgegeben werden(wie MEDINA und HyperView).

VisPER-TOP – Topologie-Optimierung

Dieses Modul stellt einen Assistenten (Wizard)für die Erstellung eines Modells zur Topologie-Optimierung bereit. Weitere Details zur Topologie-Optimierung sind auf Seite 104 zu finden.

Der Assistent führt den Anwender durch die folgen-den Schritte der Modellierung:

Abbildung 61: Materialbezugssystemfür aisotropes Material

1. Zunächst wird der Entwurfsraum festgelegt unddie zugehörigen Entwurfselemente spezifiziert.Für den Füllungsgrad können zusätzliche Be-dingungen zum Anfangswert, zu Unter- undObergrenzen sowie zur Änderungsbegrenzungspezifiziert werden.

2. Bedingungen des Herstellprozesses (Herstell-randbedingungen) werden definiert, wie Aus-formrichtungen, Symmetriebedingungen undFilter für minimale und maximale Wandstärken(als Beispiel siehe Abb. 62). Bei entgegenge-setzten Ausformrichtungen kann eine Teilungs-ebene angegeben werden.

3. Zielfunktion und Nebenbedingungen werdenabhängig von der Analyseart auf der Basis vonErgebniswerten definiert (wie Nachgiebigkeit,Gewicht, Verschiebung, Eigenfrequenz).

Zusätzlich können die Ergebnisse der Topologie-Optimierung mit VisPER auch ausgewertet werden.Vor allem kann die Hüllengenerierung mit Glättungund Polygon-Reduktion interaktiv durchgeführt wer-den, um einen passenden Entwurf zu erhalten. Die

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 62: Topologie-Opt. eines ZahnradsZyklische Symmetrie und Auszugsrichtungen, max.

Spannung am Übergang zum Zahnkranz,

Gewichtsreduktion und minimale Nachgiebigkeit als

Zielfunktion (mit freundlicher Genehmigung der Daimler

AG, Stuttgart).

geglättete Hülle kann anschließend exportiert wer-den. Auf Seite 107 sind nähere Informationen dazuzu finden. Abb. 62 zeigt die geglättete Hülle eineroptimierten Zahnradscheibe.

Abbildung 63: Form-Optimierung eines ZahnradsZyklische Symmetrie, max. Spannung, minimales

Gewicht als Zielfunktion (mit freundlicher Genehmigung

der Daimler AG, Stuttgart).

VisPER-OPT – Entwurfsoptimierung

Dieses Modul bietet drei Assistenten (Wizard) zurErstellung von Optimierungsmodellen für die Ent-wurfsoptimierung, einen für die parametrische For-moptimierung, einen für die Dimensionsoptimie-rung, und einen für die nichtparametrische Freiform-Optimierung. Details zur Entwurfsoptimierung sindauf Seite 100 zu finden.

Die Entwurfsoptimierung umfasst folgende Aufga-benstellungen:

• Dimensionierung zur Optimierung von Element-eigenschaften (wie Querschnittsdaten oderMaterialeigenschaften).

• Formoptimierung zur Änderung der Knotenkoor-dinaten über einen parametrischen Ansatz.

• Sickengenerierung, bei der für ein Schalenmo-dell geeignete Sicken erzeugt werden (durchÄnderung von Knotenkoordinaten), um die ge-wünschten Versteifungseffekte zu erreichen.

• Freiform-Optimierung zur Änderung der Kno-tenkoordinaten über einen nicht-parametrischenAnsatz.

Für die Dimensionsoptimierung stellt ein Assistentfolgende Schritte zur Erstellung des Optimierungs-modells zur Verfügung:

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1. Zunächst werden die zu optimierenden Eigen-schaften der Elemente global ausgewählt undmit Grenzen versehen, zwischen denen das Op-timum gesucht wird. Diese Eigenschaften wer-den mit den Entwurfselemente verknüpft, wel-che über Elementsets beschrieben werden.

2. Festgelegt werden der Entwurfsraum und diezugehörigen Entwurfselemente.

3. Die zu optimierenden Elementeigenschfatenkönnen dann bei Bedarf auch noch lokal für jedeEntwurfsvariable geändert werden.

4. Zielfunktion und Nebenbedingungen werdenabhängig von den verwendeten Berechnungsar-ten auf den Ergebnisgrößen spezifiziert (wie aufNachgiebigkeit, Gewicht, Verschiebung, EIgen-frequenz, Temperatur, Kontaktdruck).

Für die Formoptimierung und Sickengenerierungunterstützt ein weiterer Assistent die Optimierungs-modellierung in folgenden Schritten:

1. Zunächst werden Entwurfsraum und zugehörigeEntwurfselemente beschrieben.

2. Dann werden die Bedingungen für die ge-wünschte Formänderung beschrieben, z.B.Symmetriebedingungen oder Anschlussbedin-gungen.

3. Die Entwurfsvariablen beschreiben die Ände-rungsmöglichkeiten der gegebenen Form unddie zugehörigen Form-Basisvektoren (oder Sha-pe Basis Vectors, SBV) werden durch Unter-und Obergrenzen, Anfangswerte und Ände-rungsschrittweiten näher spezifiziert. Die Form-Basisvektoren werden mit PERMAS ermitteltund können direkt visualisiert werden. Abb. 64zeigt ein Beispiel für die Definition und Visuali-sierung von Form-Basisvektoren.

4. Zielfunktion und Nebenbedingungen werdenabhängig von den verwendeten Berechnungs-arten auf den Ergebnisgrößen spezifiziert (wieauf Nachgiebigkeit, Gewicht, Verschiebung, Ei-genfrequenz, Temperatur, Kontaktdruck).

Ein Wizard für die Freiform-Optimierung ist verfüg-bar, um diese Funktion von PERMAS zu unterstüt-zen (siehe Abb. 65).

Auch das Postprozessing der Ergebnisse einer Op-timierung kann mit VisPER durchgeführt werden:

Abbildung 64: Definition von Shape-Basis-Vektorenfür den Schweller eines Fahrzeugs. Die Formänderungen

können durch die Bewegung des Schiebereglers sichtbar

gemacht werden.

• Die verschiedenen Parameter des Optimie-rungsverlaufes stehen als xy-Daten für die Aus-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 65: Pre- und Postprozessingfür eine Freiform-Optimierung:

• Anfangsform mit zu hohen Spannungen

• Definition eines Knotensets auf der Oberfläche zurAngabe des Entwurfsbereiches

• Automatische Bestimmung des Entwurfsraums inDickenrichtung

• Neue Form nach einer Freiform-Optimierung mit re-duzierten Spannungen

wertung zur Verfügung, wie der Verlauf derZielfunktion, der Nebenbedingungen, der Ent-wurfsvariablen und der maximalen Verletzungder Nebenbedingungen. Bei der Visualisierungder Verläufe erfolgt als direkter Bezug zwischenxy-Daten und Modell eine Hervorhebung derbetroffenen Strukturbereiche. So werden z.B.bei der Darstellung von Verläufen der Entwick-lung von Entwurfsvariablen während der Opti-mierung die entsprechenden Entwurfselementemarkiert.

• Veränderte Schalendicken können ausgewertetwerden.

• Formänderungen werden durch eine Darstel-lung der Struktur mit den neuen Koordinatensichtbar gemacht.

• Eine Hüllengenerierung kann auch für die Er-gebnisse einer Formoptimierung durchgeführtwerden.

VisPER-FS – Fluid-Struktur-Kopplung

Dieses Modul stellt einen Assistenten (Wizard) zurVerfügung, um eine weitgehend automatische Er-stellung von Fluid-Netzen in Hohlräumen zu erstel-len, für die das umgebende Strukturmodell bereitsvorliegt. Der Assistent unterstützt dabei die folgen-den Schritte, wobei die Ziffern mit denen in Abb. 66und 67 übereinstimmen:

1. Eine empfohlene Maschenweite für das Fluid-netz wird auf der Basis eines gegebenen Fre-quenzbereiches ermittelt.

2. Löcher im Strukturmodell werden automatischgefunden, und zwar nur solche, welche grö-ßer sind als eine zuvor festgelegte Mindest-Maschenweite des Fluidnetzes (Lochdetektion).

3. In schwierigen topologischen Situationen kön-nen manche Löcher nicht automatisch gefundenwerden. In solchen Fällen können die Löcherauch direkt angegeben werden.

4. Die Löcher werden dann vernetzt, und zwar mitElementen, die keine Steifigkeit oder Masse ein-tragen (wie Plotelemente). Sie werden nur be-nötigt, um der nachfolgenden Vernetzung desHohlraums eine Begrenzung zu bieten.

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5. Definition eines Saatpunktes, an dem die Ver-netzung des Hohlraumes beginnt.

6. Der Hohlraum wird automatisch vernetzt.Die eingesetzte Voxel-Technik sorgt für einhexaeder-dominantes Netz, das eine mög-lichst geringe Anzahl von Knoten (und damitDruckfreiheitsgraden) im Hohlraum erzeugt undweniger richtungsabhängig ist (im Vergleich zuTetraedernetzen).

7. Nach diesem Vernetzungsschritt durchdringeneinige der Fluidelemente die Hülle des Hohl-raums und müssen in einem separaten (auto-matischen) Relaxationsschritt auf die Hülle zu-rückgeschoben werden.

8. Der letzte Schritt ist die (automatische) Erzeu-gung der Kopplung zwischen Fluid und Strukturmit Kopplungselementen, die sowohl die Druck-freiheitsgrade des Fluids als auch die Verschie-bungsfreiheitsgrade der Hülle haben.

Abbildung 66: Schritte 1 bis 4 im FS-Wizard

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Abbildung 67: Schritte 5 bis 8 im FS-Wizard

Weitere Details zur Fluid-Struktur-Kopplung sind aufder Seite 97 zu finden.

VisPER-CA – Kontaktanalyse

Dieses Modul stellt zwei Assistenten (Wizard) für dieErstellung von Kontaktmodellen und für die Schrau-benvorspannung zur Verfügung. Details zur Kon-taktanalyse sind auf Seite 78 zu finden.

Der Kontakt-Wizard führt den Anwender durch al-le wichtigen Schritte zur Kontaktmodellierung unddient zur grafischen Kontrolle von vorhandenenKontaktdefinitionen:

• Definition der Kontakttopologie mit Knoten-zu-Knoten Zuordnung oder auch Fläche-zu-Knotenoder Fläche-zu-Fläche Zuordnung (letztere wer-den für inkompatible Netze im Kontakt verwen-det).

• Definition von Kontakteigenschaften wie An-fangsspaltbreite und Reibkoeffizienten. DieseInformationen werden als lastfall-abhängige Da-ten spezifiziert.

• Definition einer Lastgeschichte, welche die Ak-tivierung und Deaktivierung von Lastfällen wäh-rend der Kontaktanalyse (oder auch allgemeinfür eine statische Analyse) beschreibt. Die Abb.68 zeigt dazu ein Beispiel.

• Kontrolle der Kontaktdefinitionen über eine gra-fische Hervorhebung bei gleichzeitiger Darstel-lung des Modells durch Konturlinien.

Ein Vorspannungs-Wizard für die Beschreibungder Schraubenvorspannung gestattet die einfacheEingabe komplexer Schraubverbindungen entspre-chend der von PERMAS bereitgestellten Möglich-keiten:

• Schrauben werden automatisch gefunden undgemäß ihrer Länge und Ausrichtung gruppiert.

• Die Partner für die Vorspannung im Gewindebe-reich werden vorgeschlagen und können nacheiner visuellen Kontrolle angepasst oder bestä-tigt werden.

• Der Wizard kann Löcher für die Schrauben inder Struktur automatisch finden.

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Abbildung 68: KontaktmodellierungKontakttopologie und Definition der Lastgeschichte

Abbildung 69: Navigieren im Komponentenbaumeines Teilstrukturmodells

Abbildung 70: Darstellung einzelner Komponenteneines Teilstrukturmodells

Teilstrukturen

Ein Teilstruktur-Wizard wurde entwickelt, um denAufbau von Teilstrukturmodellen zu erleichtern. Die-se Funktion ist Teil des Moduls VBAS (siehe Seite

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44).

Abbildung 71: Darstellung der Koppelknoteneines Teilstrukturmodells

Da VisPER die PERMAS-Datenstrukturen nutzt,können Teilstrukturmodelle direkt eingelesen wer-den. Die Teilstrukturtechnik selbst ist auf Seite 57näher beschrieben.

Die Überprüfung von Teilstrukturmodellen umfasstfolgende Punkte:

• Die Navigation durch den Baum der Komponen-ten (wie in Abb. 69).

• Die Darstellung einzelner Komponenten (wie inAbb. 70).

• Die Darstellung der Koppelknoten (wie in Abb.71).

• Die Prüfung der Elementeigenschaften (wie inAbb. 72).

• Die Darstellung von Eigenschwingungsformen(wie in Abb. 73).

Abbildung 72: Prüfung von Elementeigenschaftenin einem Teilstrukturmodell

Abbildung 73: Darstellung von Schwingungsformeneines Teilstrukturmodells

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Schweißpunktauswertung

Für die Auswertung von Schweißpunktkräften stelltVisPER spezielle Funktionen zur Verfügung. DieseFunktionen sind Teil des Moduls VBAS (siehe Seite44).

Über Ampelfarben können die kritischen und un-kritischen Werte für Normal- oder Schubkraft auchbei großen Modellen rasch sichtbar gemacht wer-den. Zusammen mit den zugehörigen Spannun-gen im Blech können die Schweißpunktverbindun-gen komplett bewertet werden. Dabei können dieSchweißpunktkräfte als Halbkugeln mit proportiona-ler Größe dargestellt werden (siehe Abb. 74) oderauch als Vektoren normal zum Blech. Eine automa-tische Erkennung kritischer Regionen ermöglicht ei-ne schnelle Navigation im Modell.

Abbildung 74: Auswertung der Schweißpunktkräftezusammen mit Elementspannungen

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PERMAS Basisfunktionen

Teilstrukturtechnik

In PERMAS kann ein FE-Modell in beliebige Teil-strukturen – sogenannte Komponenten – zerlegtwerden. Diese Komponenten lassen sich, ähnlichwie einzelne Elemente, zu einer übergeordnetenStruktur – der Konfiguration – zusammenfügen.

• Die Anzahl der Komponenten ist nicht be-schränkt und jede Komponente kann beliebiggroß bzw. komplex sein.

• Komponenten- und Konfigurationsnamen sindfrei wählbar.

• Jede Komponente besitzt ihren eigenen Na-mensraum für Element-, Knotenpunkt-IDs usw.

• Eine Konfiguration kann über beliebig viele Stu-fen zusammengebaut werden. Jede Stufe kanneigene Elemente, Lasten, Randbedingungenenthalten. Durch die Angabe der zu koppeln-den Freiheitsgrade in jeder Komponente (densogenannten ’externen’ Freiheitsgraden) kannder Zusammenbau der gesamten Konfigurationautomatisch erfolgen. Dabei wird jeweils eineKondensation der Komponenten auf die exter-nen Freiheitsgrade durchgeführt (statische Kon-densation, Guyan’s Reduction).

• Zusätzlich zur statischen Kondensation nachGuyan ist auch eine dynamische Kondensati-on nach der Craig-Bampton-Methode oder derCraig-Bampton-Methode mit gemischten Rand-bedingungen möglich.

• Spezielle Reorderingkonzepte sowie expliziteund iterative Kondensationsmethoden mit auto-matischer Selektion der Algorithmen garantie-ren höchste Effizienz .

• Die Datenbasis kann eine unbeschränkte An-zahl von Konfigurationen enthalten.

• Verschiedene Konfigurationen können sich ein-zelne oder mehrere Komponenten teilen.

• Einzelne Teilstrukturen können archiviert undspäter mit anderen Teilstrukturen kombiniertwerden. Die Archivierung kann dabei sowohl inForm der Modellbeschreibung selbst als auch inForm der kondensierten Matrizen erfolgen (sie-he Kapitel Matrixmodelle auf Seite 72).

• An Stelle der tatsächlichen Geometrie könnenso Matrixmodelle an Zulieferer und Kunden wei-tergegeben werden.

Top-Komponente

COMP_4

COMP_1

COMP_6

COMP_3

COMP_5

Komponentenzusammengesetzte

Komponenten

Basis-

COMP_2

Konfiguration

Abbildung 75: Teilstrukturtechnik in PERMAS

• Die Teilstrukturtechnik erlaubt die getrennte Mo-dellierung und Verifikation aller Strukturteile vordem Zusammenbau.

• Einzelmodelle aus unterschiedlichsten Quellenlassen sich in Form von Komponenten einfachzusammenfügen.

• Bereiche mit rechenintensiven Modelleigen-schaften (Nichtlinearitäten, lokale Netzverfeine-rungen, Geometrieänderungen) können zu ei-genständigen Komponenten zusammengefasstund die Gesamtstruktur damit besonders effizi-ent untersucht werden.

Abbildung 76: Submodell-Technik (Spannungslupe)in der Statik

Submodell-Technik

Ergebnisse, die auf einem groben (globalen) Netzberechnet wurden, können als Randbedingungenfür einen feiner vernetzten Teil des Modells heran-

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gezogen werden. Das erlaubt eine genauere Nach-berechnung z.B. von Spannungen (siehe Abb. 76).

Im Falle einer statischen Analyse werden die Rand-verschiebungen des feiner vernetzten Ausschnittsaus der Vorrechnung übernommen und festgehal-ten.

Abbildung 77: Mapping von Temperaturfeldern

Für Temperaturfelder erfolgt die Interpolation für dasfeine Netz in 3D (siehe Abb. 77).

Manchmal müssen Temperaturfelder auch extrapo-liert werden, und zwar auf Knoten, die nicht bei derTemperaturfeldberechnung vorhanden waren (wiefür Dichtungselemente oder Schrauben bei der Mo-torberechnung). Die Extrapolation kann durch dasMapping erledigt werden oder durch eine weite-re Temperaturfeldberechnung (oder beides, wie imBeispiel der Abb. 78 gezeigt).

Abbildung 78: Mapping mit Extrapolationbei Temperaturfeldern

Variantenanalyse

Die Berechnung und der Vergleich von Modellvari-anten ist in PERMAS sehr einfach. Variable Modell-eigenschaften werden dabei in sogenannten Vari-anten abgelegt:

• Systemvariante:– Materialzuordnung der Elemente,– Elementeigenschaften (Dicke, Querschnitt

etc.),– Lokale Elementkoordinatensysteme.

• Randbedingungsvariante:– Unterdrückte Freiheitsgrade,– Vorgeschriebene Freiheitsgrade,– Kontaktdefinitionen,– Koeffizienten allgemeiner kinematischer

Zwangsbedingungen,– Lokale Koordinatensysteme für die Freiheits-

grade am jeweiligen Knotenpunkt.• Lastvariante:

– Dynamische Last oder eine beliebige Anzahlstatischer Lastfälle bzw. Kombinationen hier-von.

• Ergebnisvariante:– Zur näheren Beschreibung der gewünschten

Ergebnisse, wie

* die Überlagerungsvorschriften für eineLastfallkombination,

* die Liste der Anregungsfrequenzen beieiner Frequenzganganalyse,

* die Liste von Lastschritten, an denen Er-gebnisse vorliegen sollen.

• Modifikationsvariante:– Beschreibung des Entwurfsmodells für Sen-

sitivitätsberechnung und Optimierung.

SPC_5

Last-

Situation

Ergebnis-System-dingungen

Randbe-

SV_1LOAD_4

EV_2

varianten varianten varianten

Abbildung 79: Varianten in PERMAS

Basiseigenschaften, wie Knotenpunktskoordinaten,Elementtopologie und globale Koordinatensystemebleiben bei der Variantenbildung unverändert.

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Einzelne Varianten können ausgewählt und zusam-men als sogenannte Situation untersucht werden.

• Varianten- und Situationsnamen sind frei wähl-bar.

• Die Zahl der Varianten und der Berechnungs-situationen unterliegt keiner Beschränkung.

• Die Variantenrechnung läßt sich mit der Teil-strukturtechnik beliebig kombinieren.

• Für jede Teilstruktur können eigene System-,Randbedingungs-, Last-, Ergebnis- undModifikationsvarianten ausgewählt werden(z.B. Modelle mit Symmetrie/Antisymmetrie).

• PERMAS führt über alle bereits abgeschlosse-nen Berechnungsschritte Buch. Dadurch wirdbei mehrfacher Verwendung einzelner Varian-ten die mehrfache Berechnung identischer Teil-ergebnisse automatisch vermieden.

Abbildung 80: Zyklische Symmetrie eines LüftersBehr GmbH & Co., Stuttgart.

Zyklische Symmetrie

Zyklisch-symmetrische Strukturen wie in Abb. 80sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einerAnzahl identischer Sektoren aufgebaut sind, die umein mehrfaches des Sektorwinkels um die Drehach-se gedreht sind und so eine geschlossene Strukturbilden.

Zyklisch-symmetrische Strukturen können für stati-sche Berechnungen unter entsprechend zyklischenBelastungen und für reelle Eigenwertberechnungen(siehe Module LS und DEV auf Seite 78 bzw. 90)verwendet werden. Dabei wird die Analyse der Ge-samtstruktur durch eine Reihe von Analysen eineseinzelnen Sektors unter wechselnden Randbedin-gungen ersetzt. Dazu wird die Anzahl der Knoten-durchmesser vorgegeben, welche die Anzahl derWellen über den Umfang beschreibt.

Die Teilstrukturtechnik kann eingesetzt werden,um den Sektor zu beschreiben. Die Berechnungder zyklischen Symmetrie wird dann in der Top-Komponente durchgeführt.

Bei der Topologie-Optimierung (siehe Modul TOPOauf Seite 104) kann durch entsprechende Rand-bedingungen das Ergebnis so beeinflusst werden,dass zyklisch-symmetrische Strukturen entstehen.

Die Coleman-Transformation oder Multi-BladeCoordinate Transformation (MBC-Transformationsteht für die Berechnung rotierender zklisch-symmetrischer Rotoren zur Verfügung. Eine reelleEigenwertanalyse auf der Basis einer statischenBerechnung wird eingesetzt, um anschließend einekomplexe Eigenwertanalyse zur Bewertung derStabilität des Rotors mit anisotroper elastischerLagerung durchzuführen.

Abbildung 81: Inkompatible NetzeGelenkwellen-Modell im Schnitt

(Voith Turbo GmbH & Co. KG)

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Flächen- und Linienbeschreibung

Die Beschreibung von Oberflächen in PERMASdient zunächst zur Spezifikation von Stellen, an de-nen Bauteile automatisch verbunden werden sollen(siehe nächster Abschnitt). Die Beschreibung erfolgtauf eine der folgenden Weisen:

• Angabe von Elementflächen, z.B. für ein Set vonVolumenelementen (Sets siehe Seite 68),

• Verwendung von Geometrieelementen (sieheElementbibliothek Seite 64).

Für Oberflächen werden häufig sehr genaue Koor-dinaten benötigt (z.B. bei Kontakt mit inkompatiblenNetzen), die aber über den Preprozessor nicht zurVerfügung stehen. Solche Oberflächen können in-tern nachträglich geglättet werden, um durch Kor-rektur von Ausreißern sehr präzise Oberflächen zuerzielen, die somit auch genauere Berechnungser-gebnisse erlauben.

Bei Oberflächendefinitionen über quadratische Ele-mente kann eine Linearisierung erfolgen, so dassdie Seitenmitten-Knoten linear abhängig von denEckknoten geführt werden. Werden diese Oberflä-chen in Kontaktdefinitionen verwendet, dann kannauch der Kontaktdruck auf diesen Flächen darge-stellt werden. Alle Oberflächendefinitionen könnenüber ein spezielles Exportobjekt ausgegeben undvisualisiert werden. Definition und Visualisierungvon Oberflächen werden durch VisPER unterstützt.

In derselben Weise dient die Beschreibung von Li-nien zunächst zur Spezifikation von Stellen, an de-nen Bauteile entlang von Linien automatisch ver-bunden werden sollen (siehe nächster Abschnitt).Die Beschreibung erfolgt auf eine der folgendenWeisen:

• Angabe von Elementkanten, z.B. für ein Set vonFlächenelementen (Sets siehe Seite 68),

• Verwendung von Geometrieelementen (sieheElementbibliothek Seite 64).

Abbildung 82: Inkompatible NetzeÜbergang zwischen verschiedenen Elementtypen

(HEXE8/TET10)

Automatisierte Bauteilkopplung

Die automatisierte Kopplung von inkompatibel ver-netzten Bauteilen bringt eine Reihe von Vorteilen:

• Sie erlaubt eine wesentlich flexiblere Modellbil-dung, in der Einzelteile auf einfache Weise ver-waltet und ausgetauscht werden können.

• Damit wird ein schnellerer Änderungszyklus fürden virtuellen Prototypen ermöglicht.

• Numerisch gute Netzübergänge sind möglichohne schlechte Elemente.

• Damit werden auch Schweißpunktverbindungenund Flächenkontakt wesentlich leichter model-lierbar.

Abbildung 83: Rippenvariantenohne Neuvernetzung

(links: kompatibel vernetzt;

rechts: Rippen unabhängig vernetzt)

Die Bauteile lassen sich wie folgt koppeln:

• Definition einer führenden Fläche und der zu

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

koppelnden Freiheitsgrade• Definition einer abhängigen Fläche oder eines

Knotensets

XY

Z

Abbildung 84: Anwendung lokaler Netzverfeinerung

Die Ermittlung der Nachbarschaftsbeziehungenund die Verbindung der Bauteile durch MPC-Bedingungen erfolgt automatisch. Zu Verifikations-zwecken werden die ermittelten Nachbarschaftsbe-ziehungen dem Postprocessing zur Verfügung ge-stellt.

Die Kopplungsdefinition ist eine allgemeine Funk-tion, die auch in gekoppelten Analysen eingesetztwerden kann, wo häufig unterschiedliche Netzfein-heiten aufgrund der modellierten Physik auftreten.Ein Beispiel ist eine gekoppelte Fluid-Struktur Aku-stikberechnung, in der das Akustiknetz gröber alsdas Mechaniknetz modelliert werden kann.

Abbildung 85: Ergebnisse bei Zusammenbaumit kompatiblem (links) und inkompatiblem (rechts) Netz

Inkompatible Netze in Verbindung mit der Formop-timierung haben einen entscheidenden Vorteil: sieerlauben die Position von Schrauben oder Rippenzu optimieren ohne dass dazu eine Änderung desElementnetzes nötig wäre. Abb. 86 zeigt ein Bei-spiel, bei dem die Ausgangs- und Endlage dreier

Schrauben sehr verschieden ist. Trotzdem findet dieOptimierung nach einigen Iterationen eine Lage derSchrauben, die symmetrisch ist und gleiche Schrau-benkräfte aufweist.

Abbildung 86: Formoptimierungmit inkompatiblen Netzen, um die kleinsten relativen

Verschiebungen zwischen oben und unten miteinheitlichen Schraubenkräften zu erreichen

(oben: Ausgangskonfiguration;unten: optimierte Schraubenpositionen;

dazwischen: Schraubenkräfte über den Iterationen)

Abbildung 87: Einbindung der Schweißpunktkräfte

Automatisierte Schweißpunktmodellie-rung

Zur automatisierten Modellierung von Schweiß-punkten lassen sich benachbarte Flächen über vor-gegebene Punkte miteinander verbinden:

• Angabe der Schweißpunktpositionen

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• Angabe der (inkompatiblen) Verbindungsflä-chen

• Angabe der Schweißpunktsteifigkeit und optio-nal der Aufstandsfläche

Abbildung 88: Federelement am Schweißpunkt

Die Schweißpunktsteifigkeit wird über eine Federabgebildet, die über MPC-Bedingungen an die be-nachbarten Bauteile angebunden wird (siehe Abb.88). Als Ergebnisse stehen somit sowohl die Fe-derkräfte als auch die Kräfte an den Einknüpfungs-punkten der Aufstandsfläche zur Verfügung.

Abbildung 89: Schweißpunkteund inkompatible Netze

Zur Verifikation der generierten Schweißpunktver-bindungen können die Topologie und die ermitteltenVerbindungsvektoren für die grafische Auswertungausgegeben werden (siehe Abb. 90).

Abbildung 90: Verifikationder Schweißpunktverbindung

Eine Weiterentwicklung der Schweißpunktmodellie-rung wurde mit dem Modul WLDS (siehe Seite 62)

realisiert, um bei einfachster Modellierung bestmög-liche Ergebnisse zu erzielen.

Lokale Koordinatensysteme

Lokale Koordinatensysteme dienen als Bezugssy-stem für Knotenkoordinaten und andere Koordina-tensysteme, um die Modellbeschreibung zu erleich-tern. Auch Rotated Basis, Lasten oder anisotropeMaterialeigenschaften können über lokale Koordi-natensysteme einfacher beschrieben werden. Dieverschiedenen Typen von lokalen Koordinatensyste-men sind aus Abb. 91 ersichtlich. Lokale Koordi-natensysteme können visuell unterstützt in VisPERdefiniert werden.

Kinematische Zwangsbedingungen

Für die Beschreibung einfacher (absoluter) kine-matischer Zwangsbedingungen stehen unterdrück-te Freiheitsgrade (Verschiebung ist null) und vor-geschriebene Freiheitsgrade (Verschiebung ist un-gleich null) zur Verfügung.

Für die Beschreibung von multilinearen (relati-ven) kinematischen Zwangsbedingungen zwischenverschiedenen Freiheitsgraden werden sog. Multi-Point-Constraints (MPCs) eingesetzt.

PERMAS bietet eine ganze Reihe verschiedenerMPCs an, welche eine komfortable Modellbeschrei-bung unterstützen:

• Durch einfache Zuordnung lassen sich glei-che Werte für mehrere Freiheitsgrade erzwin-gen (zur Modellierung von Gelenken und Gleit-flächen sowie für den Randanschluss bei zykli-scher Symmetrie).

• Starrkörper zur Modellierung starrer Modell-teile und zur Lasteinleitung. Die Führung desStarrkörpers kann dabei durch einen oder meh-rere Freiheitsgrade erfolgen. Auch die Anzahlder abhängigen Freiheitsgrade ist frei konfigu-rierbar.

• Interpolationsgebiete dienen u.a. der Netzver-feinerung, der Kopplung inkompatibler Netze,der Lasteinleitung oder der Vermittlung von Er-gebnissen zwischen verschiedenen Netzen:

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Abbildung 91: Lokale Koordinatensystemein VisPER

– Linien mit 2 oder 3 führenden Knotenpunk-ten,

– Dreiecks- und Vierecksflächen mit 3 oder 6bzw. 4, 8 oder 9 führenden Knotenpunkten,

– Volumenbereiche als Hexaeder (mit 8, 20oder 27 Knoten), Pentaeder (mit 6, 15 oder18 Knoten), Tetraeder (mit 4 oder 10 Knoten)und Pyramide (mit 5 Knoten).

• Kopplung mit Flächen dient der flächenhaftenKopplung inkompatibler Netze. Alle Freiheits-grade an allen Knoten eines abhängigen Kno-tensets, einer abhängigen Fläche oder einemabhängigen Flächenset erhalten die Verschie-bungen (oder Temperaturen etc.), welche übereine Interpolation der entsprechenden Knoten-werte einer führenden Fläche oder eines füh-

renden Flächensets ermittelt werden. DieseKopplung kann auch verwendet werden, umeinen Volumen-Schale-Anschluss zu realisie-ren, d.h. zum Übergang von mit Volumenele-menten modellierten Bauteilbereichen auf scha-lenartige Bauteilbereiche (siehe Abb. 92). Wenndie abhängigen Knoten nicht auf der führendenFläche liegen, dann werden entweder die ab-hängigen Knoten auf die führende Fläche pro-jiziert oder ein starrer Hebelarm generiert, umdie Kinematik korrekt abzubilden.

Abbildung 92: Beispiel für MPCVolumen-Schale-Anschluss

• Kopplung mit Volumen dienen der volumen-mäßigen Kopplung inkompatibler Netze. AlleFreiheitsgrade an allen Knoten eines abhän-gigen Knotensets erhalten die Verschiebungen(oder Temperaturen etc.), welche über eine In-terpolation der entsprechenden Knotenwerte ei-nes führenden Volumens ermittelt werden, dasüber referenzierte Elemente bestimmt ist.

• Pressverbindung zur bequenmen Modellie-rung von z.B. Welle-Nabe-Verbindungen, wobeider Außendurchmesser der Welle größer als derInnendurchmesser der Nabe ist. Häufig werdensolche Verbindungen durch eine Kontaktbedin-gung abgebildet. Aber wenn eine Änderung desKontaktzustands während einer Belastung nichterwartet wird, dann ist es wesentlich effizien-ter, die Verbindung als lineare MPC-Verbindungdarzustellen. Bei entsprechenden Modellen sinddie Ergebnisse von Kontakt und MPCs bei die-ser Verbindung identisch (siehe Abb. 93). Einspezielles Kommando für Pressverbindungenerlaubt die automatisierte Generierung der be-nötigten MPC-Definitionen.

• Allgemeine MPCs mit beliebiger Linearkombi-nation der beteiligten Freiheitsgrade.

Die Anzahl der jeweils abhängigen Freiheitsgradeist nicht beschränkt. Auch mehrstufige Zwangsbe-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 93: Presspassung von Welle und NabeIdentische Spannungsergebnisse von MPC-Modellierung

und Kontaktanalyse.

dingungen (hierarchische MPCs) können definiertwerden.

Für die Beschreibung der Kopplung einzelner Kom-ponenten im Rahmen der Teilstrukturtechnik wer-den ’externe Freiheitsgrade’ verwendet. Diese ex-ternen Freiheitsgrade können dann in der dar-überliegenden Komponente wieder Bestandteil ei-ner einfachen oder multilinearen Zwangsbedingungsein.

Behandlung von Singularitäten

Bei statischen Berechnungen werden zwei Artenvon Singularitäten automatisch erkannt und demAnwender in geeigneter Weise mitgeteilt:

• Bei redundanten Freiheitsgraden, die keine Stei-figkeit im Modell besitzen (z.B. senkrecht zu Stä-ben oder Membranen), erhält der Anwender ei-ne Liste auf dem Ergebnisfile.

• Bei Starrkörper-Freiheitsgraden werden die Be-wegungsformen für das Postprocessing aufbe-reitet und ausgegeben. Sie können unmittelbarbetrachtet werden, um direkt fehlende Lagerun-gen oder sonstige Modellfehler zu erkennen.

VisPER stellt einen RBM-Assistenten zur Verfügung(siehe Seite 46), der die Starrkörpermoden vor derersten Berechnung beseitigen hilft.

In dynamischen Eigenwertanalysen werden dieStarrkörper-Modes automatisch ermittelt und abge-spalten.

Bei der Berechnung des dynamischen Antwortver-haltens im Frequenz- und Zeitbereich werden für ei-ne absolute Response-Analyse der elastische undder Starrkörper-Anteil automatisch überlagert.

Elementbibliothek

Die PERMAS Elemente sind für alle Typen von phy-sikalischen Freiheitsgraden (wie Verschiebungen,Temperatur, elektromagnetisches Potential, usw.)anwendbar, neben einigen speziellen, anwendungs-spezifischen Elementen. Momentan stehen folgen-de Elemente bereit (siehe auch Abb. 94):

• Volumenelemente :– Tetraeder mit 4 bzw. 10 Knotenpunkten mit

geraden bzw. gekrümmten Kanten,– Pyramidenelement mit 5 Knotenpunkten,– Pentaeder mit 6, 15 oder 18 Knotenpunkten

mit geraden bzw. gekrümmten Kanten,– Hexaeder mit 8, 20 oder 27 Knotenpunkten

mit geraden bzw. gekrümmten Rändern.– Hexaeder mit 8, 20 oder 27 Knoten, Penta-

eder mit 6, 15 oder 18 Knoten, Tetraeder mit4 oder 10 Knoten sowie Pyramide mit 5 Kno-ten als Fluidelemente.

– Zwei verschiedene Hexaeder-Elemente mit 8Knoten für die dynamische visko-elastischeBerechnung (siehe Seite 96).

• Stab- und Membranelemente :– Stabelemente mit 2 bzw. 3 Knotenpunkten,– Dreieckselemente mit 3 oder 6 Knotenpunk-

ten und geraden oder gekrümmten Kanten,– Viereckselemente mit 4, 8 oder 9 Knoten-

punkten und geraden bzw. gekrümmten Rän-dern,

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– Schubelement mit 4 Knotenpunkten.• Balkenelemente mit 2 Knotenpunkten, wahl-

weise jeweils mit oder ohne zusätzliche Hebel-arme (Offset am Balkenende):– Balken mit beliebigem Vollquerschnitt,– Dünnwandige Profile mit offenem oder ge-

schlossenem Querschnitt,– Dünnwandige offene oder geschlossene Pro-

file mit sich verjüngendem Querschnitt,– Flüssigkeitsgefüllte bzw. von Flüssigkeit um-

gebene Rohrelemente, gerade oder alsKreisbogen.

• Platten und Schalen :– Dreiecks- bzw. Viereckselement für dün-

ne und mäßig dicke Platten und Schalenmit homogenem Querschnitt.

– Dreiecks- bzw. Viereckselement für Sand-wichschalen.

– Ein dünnwandiges Dreieckselement nach derKirchhoff’schen Plattentheorie.

– Dreiecks- (mit 3 oder 6 Knoten) bzw. Vier-eckselement (mit 4, 8 oder 9 Knoten) mit ei-ner dreidimensionalen Schalenformulierungfür lineare und nichtlineare Berechnungen.

– Dreiecks- und Viereckselement für mehr-schichtige Verbundwerkstoffe (Laminate).

• Diskrete Elemente :– Lineare und nichtlineare Federelemente,– verschiedene Massenelemente,– lineare und nichtlineare Dämpferelemente,– Regelelemente,– Elemente mit direktem Matrixinput.

• Elemente für die Kontaktanalyse :– Dichtungselemente, die über eine nichtli-

neare Druck-Verschluss-Kurve definiert sind.Diese Kurve kann auch einen Spalt enthal-ten, der zum nächsten Bauteil in der unbela-steten Ausgangskonfiguration besteht.

– Kompensationsfedern gegen Grund oderzwischen 2 Knoten mit 3 Translationsfrei-heitsgraden, oder zwischen 2 Knoten mit 1Translationsfreiheitsgrad.

• Skalare Elemente :– Federelemente zwischen 2 Freiheitsgraden

oder zur Abstützung eines Freiheitsgradesgegen Grund,

– Dämpferelemente zwischen 2 Freiheitsgra-den oder für einen Freiheitsgrad gegenGrund,

– Skalare Massen für 1 oder 2 Knotenpunkte,

Abbildung 94: Übersicht zu den Elementtypen

– Skalare Mobilität für Fluidnetze.• Lastelemente für Dreiecks- bzw. Vierecksflä-

chen zur Lasteinleitung und Spannungsauswer-tung.

• Plotelemente für Punkte, Linien, Dreiecks- bzw.

© INTES GmbH Stuttgart Seite 65

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Vierecksflächen zur Ergebnisdarstellung.• Geometrieelemente für Linien und Dreiecks-

bzw. Vierecksflächen zur Beschreibung von Li-nien und Flächen.

• Wärmeübergangselemente zur Modellierungfreier Oberflächen mit Wärmeübergang undStrahlung bei der Temperaturfeldanalyse

• Fluid-Struktur Kopplungselemente für gekop-pelte Akustik und Oberflächenabsorption.

• Oberflächenwellenelemente für akustischeBerechnungen.

• Halbunendliche Elemente für akustische undelektromagnetische Feldberechnungen.

• Abstrahl-Randbedingungselemente für dieModellierung des Abstrahlverhaltens bei akusti-schen Berechnungen.

• Axialsymmetrische Elemente für Struktur,Wärmeleitung, Akustik, Elektromagnetik.

Standard-Balkenquerschnitte

Für folgende Balkenquerschnitte werden einfacheStandard-Geometrien unterstützt (siehe auch Abb.95):

• Allgemeiner offener dünnwandiger Querschnitt,• Dünnwandiger Kreisquerschnitt,• Dünnwandiger Rechteckquerschnitt,• Voller Kreisquerschnitt,• Voller Rechteckquerschnitt.

Mit diesen Querschnitten kann man auch Span-nungsergebnisse an ausgewählten Punkten derQuerschnitte erhalten.

Die Querschnittsparameter können direkt als Ent-wurfsvariable in einer Optimierungsberechnung ver-wendet werden (siehe Seite 100).

Entwurfselemente für die Optimierung

Für die Zwecke der Entwurfsoptimierung (siehe Sei-te 100) werden die zu modifizierenden Modelltei-le sogenannten Entwurfselementen (Design Ele-ments) zugewiesen. Sie werden benutzt, um dieEntwurfsänderungen für alle jene finiten Elemen-ten gleichzeitig umzusetzen, die zu den Entwurfs-

Abbildung 95: Standard-Balkenquerschnitte

elementen gehören.

Zur einfachen Beschreibung von Formoptimierungs-aufgaben stehen eine Reihe von Entwurfselemen-ten zur Verfügung, um einzelne Elemente zu Ent-wurfsbereichen zusammenzufassen. Alle Arten vonFiniten Elementen können dazu Teil dieser Ent-wurfselemente werden:

• Entwurfselement für die Formoptimierung mit ei-ner ausgleichenden Veränderung der Element-größen,

• Entwurfselement für die Sickengenerierung,• Entwurfselement für eine Freiform-Optimierung,• Entwurfselement für die Topologie-Optimierung.

SPR Spannungen und Fehlerindikator

Die Elementgröße in Finite-Elemente-Netzen hateinen Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse(insbesondere auch auf die Spannungsergebnisse).Dabei ist aber die ’richtige’ Elementgröße eine lo-kale Eigenschaft und hängt vom Kraftfluss und sei-

Seite 66 © INTES GmbH Stuttgart

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

nen Gradienten ab. Insbesondere in Kerben sind dieSpannungen sehr stark abhängig von der Element-größe.

Die SPR-Spannungen wurden neu implemen-tiert, um diese alternative Spannungsberechnungzu verbessern und auszubauen. Die Standard-Spannungsberechnung wurde dabei nicht verän-dert. Die Smooth Patch Recovery Methode wurdevon Zienkiewicz angegeben. Diese Methode hat ge-nauere Spannungen zum Ziel durch Einbeziehungmehrerer benachbarter Elemente statt jeweils nureines Elements (siehe Abb. 96). SPR-Spannungensind für Elementknoten (von Volumenelementen,Stabelementen, Membranelementen und Schalen-elementen) und für Knotenpunkte verfügbar. Dasschließt Hauptspannungen ein.

Zusätzlich zu den SPR-Spannungen werden Span-nungsgradienten normal zu gegebenen Oberflä-chen berechnet. Diese Werte eignen sich auch fürdie Verwendung in Lebensdaueranalysen.

Zusätzlich zu den SPR-Spannungen gibt es nuneinen Absoluten Fehlerindikator (Absolute Error In-dicator, AEI), der die Differenz zwischen den klassi-schen Spannungen und den SPR-Spannungen an-gibt. Die Werte sind absolut, weil sie keine relativeAbweichung angeben, sondern den direkten Diffe-renzbetrag. Deshalb haben diese Werte auch die-selbe Maßeinheit wie die Spannungen.

Abbildung 96: Elementspannungen,geglättete Elementspannungen und absoluter

Fehlerindikator

Materialeigenschaften

Die Beschreibung des Materials erfolgt unabhängigvom übrigen Modell. Dadurch können in der Formeiner Materialbibliothek die notwendigen Parame-ter einfach aus bestehenden Datenbeständen über-nommen werden.

Neben der Isotropie können alle Arten von Anisotro-pie in einfacher und geeigneter Weise angegebenwerden: transvers-isotrop, orthotrop, monoklin, all-gemein (triklin).

Bedingt durch die verschiedenen Einsatzgebiete fürPERMAS können sehr unterschiedliche Material-werte angegeben werden wie Elastizität, Dichte,Kompressibilität, Dämpfung, Wärmeausdehnung,Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Absorption,Strömungswiderstand, elektrische Leitfähigkeit, Di-elektrizität, magnetische Permeabilität. Dabei wer-den nur jeweils die benötigten Daten auch verwen-det. Die Angabe weiterer Daten ist unschädlich.

Bei nichtlinearem Materialverhalten sind zusätzlicheEingabemöglichkeiten vorgesehen wie Spannungs-Dehnungs-Verlauf, Fließgrenze, Kriechverhalten.

Fast alle Materialwerte können temperaturabhängigdefiniert werden. Bei Vorgabe einer Temperaturver-teilung werden die entsprechenden Materialwertedurch Interpolation aus dem angegebenen Verlaufbestimmt.

Bei der Definition der Dämpfung kann eine Fre-quenzabhängigkeit angegeben werden.

Geschichtete Verbundwerkstoffe (Laminate) könnenüber die Beschreibung des Schichtaufbaus aus un-terschiedlichen Materialien (wie Faserwerkstoffen)zusammengesetzt werden (siehe Seite 111).

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 97: Eigenform eines Reaktors

Sets

Für eine einfache und übersichtliche Modellbe-schreibung können Knoten- und Element-Sets de-finiert und verwendet werden. Solche Sets könnenauch aus anderen Sets durch Anwendung logischerOperationen zusammengesetzt werden. Darüber-hinaus lassen sich mehrere Sets unter einem Ober-begriff zusammenfassen und mit einem Namen an-sprechen.

Neben der Modellbeschreibung werden solche Setsauch für die Spezifikation der Ausgabe von Ergeb-nissen verwendet. Sowohl für die Druckausgabe derErgebnisse als auch für die Ausgabe zu den ange-schlossenen Postprozessoren kann die Menge derauszugebenden Daten durch Sets auf die jeweilswesentlichen Daten eingeschränkt werden, was ins-besondere bei zeit- oder frequenzabhängigen Be-rechnungen die Laufzeit und den benötigten Plat-tenplatz erheblich reduzieren kann.

Alle Schnittstellen bewahren die Sets und ihre Iden-tifikatoren vom Preprocessing über den Löser biszum Postprozessor. Ein begleitender Text erleichtertdabei die nähere Bezeichnung eines Sets.

Mathematische Funktionen

Für die Beschreibung komplexer Abhängigkeitensteht eine Bibliothek von mathematischen Funktio-nen bereit: Polynome, trigonometrische Funktionen,

exponentielle Funktionen, diskrete Funktionen. Da-mit werden z.B. zeitliche Belastungsverläufe odertemperaturabhängige Belastungen beschrieben.

Neben den Bibliotheksfunktionen können auch ta-bellarische Funktionen oder Benutzerfunktionen(über Fortran- oder C-Unterprogramme) definiertund verwendet werden.

Auf all diesen Funktionen sind Summen- oder Pro-duktbildung sowie Verkettung definierbar, um zu-sammengesetzte Funktionen zu beschreiben.

In VisPER ist ein Funktionsdialog verfügbar, mitdem Funktionen erstellt, verändert und dargestelltwerden können (siehe Abb. 98).

Zusätzlich steht eine Funktion zur Ermittlung derFourier-Koeffizienten eines Zeitsignals zur Verfü-gung. Damit können zeitabhängige Anregungenüber eine Fourier-Transformation in frequenzab-hängige Anregungskoeffizienten gewandelt werden,welche in einer Frequenzganganalyse verarbeitetwerden (siehe Abb. 99).

Abbildung 98: Funktionserstellung mit VisPER

Lasten

Für statische Berechnungen können die folgendenmechanischen Lasten verwendet werden:

• Globale Lasten:– Trägheitslasten,– Inertia Relief (quasistatische Beschleuni-

gung).• Knotenlasten:

– Punktlasten,

Seite 68 © INTES GmbH Stuttgart

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

– verteilte Lasten,– vorgeschriebene Verschiebungen,– Temperaturlasten,– Kontaktparameter.

• Elementlasten:– verteilte Lasten,– Anfangsdehnungen.

• Flächenlasten:– verteilte Lasten,– hydrostatischer Druck.

Für verteilte Oberflächenlasten, die z.B. nicht anden Knoten eines Netzes spezifiziert sind, sonderneinem gröberen Raster folgen, können spezielle La-stelemente (siehe Seite 65) verwendet werden, diedann über Interpolation (siehe Seite 62) mit derHauptstruktur verbunden werden.

Für Temperaturfeld-Berechnungen können die fol-genden thermischen Lasten verwendet werden:

• Knotenlasten:– Punktwärmeflüsse,– verteilte Wärmeflüsse,– vorgeschriebene Temperaturen.

• Elementlasten:– verteilte Wärmeflüsse.

Temperaturverteilungen können direkt aus den Er-gebnissen einer vorherigen Wärmeleitungsberech-nung übernommen werden. Dabei kann angegebenwerden, welche Temperaturverteilung für die Tem-peraturabhängigkeit des Materials verwendet wirdund welche Temperaturverteilung für die Berech-nung von Anfangsdehnungen bzw. als Anfangsbe-dingung einer instationären thermischen Berech-nung eingesetzt wird.

Alle verteilten Elementlasten können ortsabhängigdefiniert werden.

Lastfallkombinationen können auf existierende Last-verteilungen angewandt werden.

Zeitabhängige Lasten werden auf einfache Weiseals Produkt einer statischen oder thermischen Lastmit einer zeitabhängigen Funktion beschrieben. Zu-sätzlich können Anfangsbedingungen für zeitabhän-gige mechanische oder thermische Berechnungenbeschrieben werden. Diese lassen sich einfach ausvorhergehenden Berechnungen übernehmen.

Für frequenzabhängige dynamische Lasten gilt,dass sie als Produkt einer statischen Last mit ei-

nem Amplituden- und Phasen-Spektrum gebildetwerden.

Zeitabhängige Lasten eines periodischen Prozes-ses können durch eine Fourieranalyse automatischauf frequenzabhängige Lasten transformiert wer-den (siehe Abb. 99). Damit lassen sich dann einoder mehrere Frequenzganganalysen durchführen.Durch eine Überlagerung der Ergebnisse im Zeit-bereich kommt man dann wieder zu periodischenAntworten.

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Load

[N]

Time [s]

Load

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Am

plitu

de [N

]

Frequency [Hz]

Amplitude

Abbildung 99: Beispiel für Fourieranalyseeiner periodischen Last (oben im Zeitbereich,

unten im Frequenzbereich)

Verifikation von Modellen

Mit steigender Komplexität der Modelle wächst dieNotwendigkeit, die Richtigkeit der Modelle zu verifi-zieren. PERMAS stellt daher verschiedene Modell-parameter in einer Form zur Verfügung, dass siewie ein Ergebnis in einem Postprozessor dargestelltwerden können.

Ganz allgemein ist es ein wichtiges Arbeitsprinzip,

© INTES GmbH Stuttgart Seite 69

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

dass alle Modelldaten, die man beschreibt auch ve-rifizieren kann, sei es durch Visualisierung oder an-dere Prüfungsmöglichkeiten. Das gilt um so mehrfür automatisch generierte Modelldaten, welche dieModellbeschreibung deutlich erleichtern können.

Mit VisPER wird die Verifikation von Modellen sehrvereinfacht. Man kann sich das Modell und einzel-ne Eigenschaften genau ansehen und man kann dieverschiedenen Daten, die PERMAS für die Verifika-tion ausgibt, entsprechend visualisieren (siehe dienachfolgenden Beispiele). Für PERMAS-Modelle istVisPER das empfehlenswerte Werkzeug zur Verifi-kation.

Die nachfolgende Liste enthält einige Beispiele fürVerifikationshilfen:• Das Ergebnis der Elementtests wird exportiert,

um fehlerhafte Elemente zu identifizieren.• Die mittlere Elementdicke an den Knoten kann

ausgegeben werden, um die Dickenverteilung ineiner Schalenstruktur zu überprüfen.

• Starrkörper-Verschiebungsformen, die bei einerstatischen Analyse gefunden werden, werdenausgegeben und können zur Verifikation der La-gerbedingungen verwendet werden.

• Für Interpolationsgebiete (siehe MPCs auf Seite62) werden die Abstandsvektoren ausgegeben,um das Ergebnis der automatischen Interpolati-on zu verifizieren.

• Für Schweißpunktverbindungen werden die au-tomatisch generierten Aufstandsvektoren aus-gegeben (siehe Abb. 90).

• VisPER kann für die Überprüfung von verteiltenLasten eingesetzt werden (sogar bei solchen,die eine ortsabhängige Funktion enthalten).

• Element-Temperaturlasten und verteilte Knoten-Temperaturlasten können wie ein Temperaturer-gebnis zur Visualisierung exportiert werden.

• Anfangsdehnungen stehen für die Darstellungebenfalls zur Verfügung.

• Für Kontaktmodelle stehen eine ganze Reihevon Größen zur Verifikation zur Verfügung, wiedie Kontaktbeschreibung, die Kontaktgeometrie,das Kontakt-Koordinatensystem, der Anfangs-kontaktzustand, die Anfangsspaltbreite (sieheAbb. 100).

• Für die Schraubenvorspannung werden ei-ne Reihe zusätzlicher Beschreibungsgrößenbereitgestellt, wie Vorspannungsbeschreibung,das Vorspann-Koordinatensystem, die Vektorenfür die Gewindevorspannung (Flankennormale,

Flankentangente und Steigungsrichtung).• In einer Wärmeleitungsberechnung mit Wärme-

austausch durch Strahlung kann die abstrah-lende Oberfläche automatisch vergröbert wer-den. Das vergröberte Oberflächennetz kann zurÜberprüfung ausgegeben werden.

• Bei der Fluid-Struktur-Kopplung können dieKopplungselemente und ihre Ausrichtung über-prüft werden.

• In der Optimierung können die Entwurfselemen-te mit VisPER überprüft werden (siehe Seiten47 und 48). Daneben kann auch die Zuweisungvon finiten Elementen zu den Entwurfselemen-ten verifiziert werden.

Für eine Reihe von Eingabedaten kann PERMASPostscript-Dateien mit gnuplot zur Visualisierung er-zeugen (wenn gnuplot auf der verwendeten Ma-schine verfügbar ist). Ansonsten werden gnuplot-Kommandodateien generiert und die Tabelle mitden xy-Werten wird auf einer Datei bereitgestellt.Diese Möglichkeit zur Visualisierung besteht fürdie Eingabe der Lastgeschichte (siehe Seite 80),für Spannungs-Dehnungs-Kurven und für transienteLastkurven einer Schwingungsberechnung im Zeit-bereich.

Schnittstellen

Die Integration des Solvers in die Pre- und Post-prozessorumgebung steht in der Schnittstellenent-wicklung an erster Stelle. Deshalb sind in PERMASdie Schnittstellen direkt und ohne Zusatzprogram-me integriert. Sie werden ’Doors’ genannt und er-möglichen einen möglichst direkten Zugriff zu denOriginaldaten. Über die Modellbeschreibung hinauswerden für bestimmte Schnittstellen auch Standard-Lösungen unterstützt, welche die Arbeitsumgebungnoch komfortabler gestalten.

Neben den eigenen Ein- und Ausgabeformaten bie-tet PERMAS Doors sowohl zu verschiedenen Pre-und Postprozessoren als auch zu Modelldaten frem-der FE-Programme:

• VisPER (Seite 43)• MEDINA (Seite 115)• PATRAN (Seite 115)• I-DEAS (Seite 115)• ADAMS (Seite 116)

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 100: Verifikation eines KontaktmodellsOben: Kontakt-NormalenvektorMitte: Flächen-Normalenvektor

Unten: Fußpunktsvektor

• SIMPACK (Seite 116)• EXCITE (Seite 116)• MOTIONSOLVE (Seite 116)• HYPERVIEW (Seite 117)• VAO (Seite 117)• Virtual.Lab (Seite 117)• ADSTEFAN (Seite 117)• MATLAB (Seite 117)• NASTRAN (Seite 117)

• ABAQUS (Seite 118)• MpCCI (Seite 119)

Außerdem ist eine wachsende Anzahl von weiterenSchnittstellen verfügbar, die von INTES oder Part-nerfirmen angeboten werden (siehe Seite 119).

Die hervorragende Anbindung an andere CAE-Produkte bietet besondere Vorteile für alle An-wender, die mit einer heterogenen Pre- undPostprozessor-Umgebung arbeiten müssen.

Auf der Eingabeseite werden die kompletten FE-Modelle als eigenständige PERMAS-Struktur einge-lesen. Einzelne Teile lassen sich bei Bedarf mittelseines zusätzlichen PERMAS Datenfiles kombinie-ren oder ergänzen.

Auf der Ausgabeseite können die Berechnungs-ergebnisse in verschiedener Form ausgegebenwerden (Listing, xy-Plotfiles, verschiedenePostprozessor-Formate). Darüber hinaus lässtsich auch das gesamte FE-Modell – unabhängigvon der Modelleingabe – als PERMAS Datenfileoder als Darstellungsmodell in den verschiedenstenPre- und Postprozessor-Formaten ausgeben.

Für den direkten Export von PERMAS-Modell und-Ergebnissen steht ein ASCII- und ein Binärformatzur Verfügung. Die exportierten Modelldaten und Er-gebnisse können dann mit VisPER zum Postprozes-sing gelesen werden, aber auch PERMAS selbstkann zumindest Modell und Primärergebnisse indiesen Formaten lesen.

Das ASCII-Format wird in einem (mit gzip) kom-primierten Format geschrieben. Für den Exportvon PERMAS-Ergebnissen im Binärformat wird dievielfach genutzte HDF5-Bibliothek verwendet (sie-he https://www.hdfgroup.org/HDF5/). Der Hauptef-fekt dieses Binärformats ist die Zeitersparnis beimExportieren der Ergebnisse. Außerdem reduziertsich auch die Dateigröße verglichen mit dem kom-primierten ASCII-Format.

Die Auswertung auch größter Modelle wird durchumfangreiche Selektionsmöglichkeiten beim Daten-export unterstützt. Neben der Auswahl von Lastfäl-len, Zeitschritten und Frequenzpunkten kann durchAngabe eines Knoten- oder Elementsets die Teil-menge der exportierten Daten spezifiziert werden.

Das hochstufige Door-Konzept bietet mehrere Vor-teile :

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

• Hoher Komfort:– Keine externen Wandler notwendig,– Gleichartige Absteuerung für alle Schnittstel-

len,– kein Zwischenformat notwendig.

• Der Übersetzungsvorgang ist sehr schnell.• Einfaches Mischen möglich :

– Mehrere Einzelmodelle können zu einemgroßen Gesamtmodell zusammengesetztwerden, unabhängig davon, durch welchesInput-Door die Modellfiles eingelesenwurden.

– Die Definition eines FE-Modells kann aufmehrere Files verteilt werden, um so alleMöglichkeiten verschiedener Eingabeformateauszunutzen.

• Eingaben anderer FE-Formate können auchdann umgesetzt werden, wenn das PERMAS-eigene DAT-Format keine direkte Entsprechungbietet.

Abbildung 101: Integration von PERMASim Pre- und Postprozessor

• Die Qualitätssicherung wird erleichtert:– Gemeinsame Konsolidierung der gesammel-

ten Eingabedaten (sorgfältige Modelltests).– Externe Identifikatoren bleiben über den gan-

zen PERMAS-Lauf erhalten.– Zusätzliche Eingaben können auf einem ei-

genen File angegeben werden – der Original-file bleibt unverändert.

– Durch das Mischen verschiedenartiger Fileskann der Benutzer für einzelne Definitionenjeweils das Eingabeformat verwenden, dasihm am besten geeignet erscheint. Normaler-weise ist dies auch diejenige Definitionsart,bei der Eingabefehler am besten vermeidbarsind.

• Da das Exportformat unabhängig vom Input-Door gewählt werden kann, ist PERMAS in derLage, jedes Preprozessor-Format in ein belie-biges anderes Postprozessor-Format umzuwan-deln.

Matrizenmodelle

PERMAS Datenobjekte wie Ergebnisse und Ma-trizen können auf verschiedene Weise binär oderim ASCII-Format auf externe Dateien geschriebenoder von dort eingelesen werden.

Diese Möglichkeit kann zum einen genutzt wer-den, um selbst einen Datenaustausch mit Drittpro-grammen zu organisieren. Zum anderen könnenauch z.B. Matrizen zu einem späteren Gebrauch inPERMAS selbst zwischengespeichert werden, umRechenzeiten zum Erstellen der Matrizen zu spa-ren.

Eine typische Anwendung ist die Zwischenspeiche-rung kondensierter Modelle. Dabei kann zusätzlichzu den kondensierten Matrizen auch das konden-sierte Modell erstellt und exportiert werden, um es ineinem späteren Lauf wiederzuverwenden. Für einedetaillierte Nachverarbeitung können die Ergebnis-se danach wieder auf die Modelle rücktransformiertwerden. Dabei können Matrizengrößen und Ergeb-nisumfänge im Voraus durch Sets eingeschränktwerden.

Kondensierte Matrizen für Teilstrukturen kommenz.B. neben statischen Analysen vor allem bei Eigen-wertanalysen und Schwingungsanalysen im Zeit-und Frequenzbereich zum Einsatz. Dort werden ne-ben Steifigkeits- und Massenmatrizen auch Eigen-werte, Eigenformen, Lasten und Dämpfungsmatri-zen bereitgestellt. Zusätzliche statische Verschie-bungsformen können ebenfalls berücksichtigt wer-den.

Eine weitere Anwendung besteht in der Generie-

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

rung von modalen Modellen (z.B. durch verallgemei-nerte modale Kondensation, siehe Seite 91). Die-se modalen Modelle können für eine Berechnungdes dynamischen Antwortverhaltens außerhalb vonPERMAS verwendet werden.

Alle Standard-ASCII-Ausgabedateien können alskomprimierte Dateien erzeugt werden (gzip) undsparen so Plattenplatz und Zeit (bei großen Datei-en). Da auch die Eingabe direkt von solchen kom-primierten Dateien erfolgen kann, müssen Ein- undAusgabedateien nicht mehr explizit in vollem ASCII-Format gespeichert werden.

Spezielle Formate für die Ausgabe von Matrizensind das MATLAB-Format und das Rutherford-Boeing-Format.

Kombination von Ergebnissen

Verschiedene Primär- und Sekundär-Ergebnissekönnen nach der Berechnung zu neuen Ergebnis-sen kombinert werden. Dafür stehen verschiedeneSummationsregeln oder mathematische Funktionen(siehe Seite 68) zur Verfügung. Die kombiniertenErgebnisse können dabei auch aus verschiedenenVariantenlösungen stammen.

Die erzeugten Ergebnisse können bestehende Er-gebnisse überschreiben oder neue generieren. DieAusgabe der neuen Ergebnisse ist genauso möglichwie diejenige der ursprünglichen Ergebnisse.

In VisPER sind eine Vielzahl von arithmetischenOperationen auf Ergebnis-Kombinationen möglich(wie die Differenz von kinetischer Energiedichteund Dehnungsenergiedichte). Jede einzelne Spal-te kann als Operand verwendet werden. AllePERMAS-Funktionen mit übereinstimmender An-zahl von Eingabedaten können ebenso verwendetwerden (wie die Logarithmusfunktion zur Auswer-tung von Schallpegeln).

Transformation von Ergebnissen

Alle Knotenergebnisse liegen nach der Berechnungim Koordinatensystem der jeweiligen Komponente

vor. Aus diesem System können folgende Transfor-mationen vorgenommen werden:

• In das Verschiebungs-Koordinatensystem desjeweiligen Knotens.

• In ein spezifisches Koordinatensystem für alleKnoten (kartesisch, zylindrisch, sphärisch).

• Mit einer speziellen Transformation für jedeneinzelnen Knoten.

Alle durchgeführten Transformationen lassen sichwieder in das Komponentensystem zurückführen.

Neben der Transformation reeller Ergebnisse kön-nen auch komplexe Ergebnisse einer Frequenz-ganganalyse in ein anderes Koordinatensystemtransformiert werden.

Vergleich von Ergebnissen

Für den Vergleich von Ergebnissen in der Dynamikstehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung:• MAC: Modal Assurance Criterion

Vergleicht zwei Eigenwertberechnungen mitgleicher Knotenzahl aus verschiedenen Situa-tionen auf Übereinstimmung der Eigenformen.MAC-Faktoren werden wie folgt berechnet:

MAC =(Xt

1X2)2

diag(Xt

1X1)diag(Xt

2X2)

• CoMAC: Coordinate Modal Assurance CriterionVergleicht zwei Eigenwertberechnungen mitgleicher Knotenzahl aus verschiedenen Situa-tionen auf Übereinstimmung der Eigenformen.CoMAC-Faktoren werden wie folgt berechnet:

COMAC =diag(

∑M

m=1|Xm

1 Xm

2 | )2

diag(∑

M

m=1X

m

1 )2 diag(∑

M

m=1X

m

2 )2

Das Ergebnis gibt ein Maß für die Übereinstim-mung der Vektorsätze in jeder Freiheitsgradrich-tung.

• COF: Cross Orthogonality FactorsVergleicht zwei Eigenvektorsätze mit gleicherAnzahl von Freiheitsgraden aus verschiedenenSituationen. COF-Faktoren werden wie folgt ge-rechnet:

COFM = Xt

1KX2; COF = COFMtCOFM.

Alle Vergleiche können zwischen zwei Varianten ei-nes Modells erfolgen, wobei für die zu vergleichen-den Modellteile entsprechende Knotensets ausge-wählt werden können.

© INTES GmbH Stuttgart Seite 73

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Eine mögliche Anwendung der MAC-Faktoren istder Vergleich von Ergebnissen einer Experimentel-len Modal-Analyse und einer FE-Berechnung. (sie-he Seite 41).

XY-Ergebnisdaten

Auf der Basis von Element- oder Knotensets könnendirekt xy-Daten erzeugt und auf den angeschlosse-nen Ausgabedateien zur grafischen Ausgabe bereit-gestellt werden.

Üblicherweise werden xy-Daten so erzeugt, daß dieAbszisse durch die Spalte gegeben ist (wie Lastfall,Iteration) und die Ordinate den jeweiligen Wert re-präsentiert. Sind die Spalten mit bestimmten Wer-ten (wie für Frequenzen, Zeit, Lastfaktoren) hinter-legt, werden diese Werte für die Abszisse verwen-det.

Als Sonderfall ist es für Knotenergebnisse auchmöglich, die Koordinatenwerte für die Abszisse zuverwenden (um z.B. die Steifigkeit eines Bauteils zubewerten). Dabei werden die Koordinaten der aus-gewählten Knoten in aufsteigender Reihenfolge an-geordnet. Ein lokales Koordinatensystem kann da-bei für die Auswahl der Richtung verwendet werden.

Abbildung 102: Ermittlung einer Biegelinieunter Torsion (Verschiebung für die markierten Knoten)

Für eine Reihe von Eingabedaten kann PERMAS

Postscript-Dateien mit gnuplot zur Visualisierung er-zeugen (wenn gnuplot auf der verwendeten Ma-schine verfügbar ist). Ansonsten werden gnuplot-Kommandodateien generiert und die Tabelle mitden xy-Werten wird auf einer Datei bereitgestellt.Diese Möglichkeit zur Visualisierung besteht fürdie Eingabe der Lastgeschichte (siehe Seite 80),für Spannungs-Dehnungs-Kurven und für transienteLastkurven einer Schwingungsberechnung im Zeit-bereich.

Innerhalb der PERMAS Tools können XY-Graphenmit PERMASgraph erstellt werden (siehe Seite123).

Schnittkräfte

Auf der Basis von Element- und Knoten-Sets kön-nen die Schnittkräfte in einem Bauteil an nahezubeliebiger Stelle ermittelt und für das Postproces-sing ausgegeben werden. Außerdem wird die Sum-me der Kräfte und Momente in bezug auf einen aus-gewählten Punkt berechnet und ausgegeben (sieheAbb. 103).

Abbildung 103: Ermittlung von Schnittkräften

Restart

Jede PERMAS-Berechnung legt eine Datenbasisan, welche für Folgeläufe verwendet werden kann.Dabei steht jeweils der zuletzt vorhandene Zustandnach dem Restart zur Verfügung. So sind auch al-le Zwischenergebnisse vorhanden, welche vielleichtnur sehr rechenintensiv zu erstellen waren.

Auf diese Weise können z.B. verschiedene Last-varianten in mehreren Folgeläufen bearbeitet wer-den, ohne dass die Steifigkeitsmatrix jedesmal neu

Seite 74 © INTES GmbH Stuttgart

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

erstellt und zerlegt werden muß.

Offenes Softwaresystem

PERMAS ist ein offenes System in dem Sinne, dassbenutzereigene Programme in jeden einzelnen Pro-grammablauf eingebunden und während des Laufsaufgerufen werden können.

Dies wird zum einen dazu verwendet, dem Benut-zer alle Freiheiten bei der Definition von Datenab-hängigkeiten zu geben, z.B. bei benutzerdefiniertenmathematischen Funktionen (siehe Seite 68).

Zum anderen kann PERMAS als Unterprogramm-Bibliothek verwendet werden, um eigene Lösungenoder Daten-Auswertungen zu programmieren. Die-se werden dann an der angegebenen Stelle desProgrammablaufs ausgeführt.

Als Programmiersprache steht auf jeden Fall Fortran77/90 und auf manchen Anlagen auch C zur Verfü-gung. Die PERMAS Bibliotheksroutinen liegen alsFortran-Programme vor.

Um unabhängig von einem Compiler zu sein, be-steht auch die Möglichkeit für bestimmte Operatio-nen Skripte auf der Basis von Python während einerBerechnung zu verwenden.

Abbildung 104: Kupplungselementstatische Verformung

Gekoppelte Analysen

PERMAS erlaubt verschiedene gekoppelte Analy-sen in einer Berechnung, z.B:

• Anfangswerte für eine zeitabhängige dynami-sche Analyse aus einer vorher durchgeführtenstatischen Analyse.

• Anfangswerte für eine transiente Wärme-leitungsberechnung aus einer vorhergehendenBerechnung gleicher Art.

• Eine Wärmespannungsberechnung auf derBasis einer zuvor durchgeführten Wärme-leitungsberechnung.

• Eine Wärmeleitungs- oder Mechanikrechnungnach einer elektromagnetischen Analyse.

• Eine (voll) gekoppelte Fluid-Strukturanalyse.• Alle Optimierungsberechnungen, wenn dabei

verschiedene Analysearten (wie Statik und Ei-genwerte) gleichzeitig einbezogen werden.

Für alle Arten von gekoppelten Analysen gilt, dassdie gleichen Elementtypen für alle Teilanalysen ver-wendet werden können. Soweit das sinnvoll ist,steht jedes Element für alle Analysetypen zur Ver-fügung.

Kopplung zu CFD

Eine Strukturmechanik-Fluiddynamik-Kopplungwurde im Rahmen des ESPRIT Projektes CISPARüber einen iterativen Kopplungsansatz realisiert.

Interpolation

Projection

CSM CFD

r,v,T

F,Q

MpCCI

Abbildung 105: Kopplung von CFD und CSM

Dazu wurde im Rahmen des Projektes vonFhG/SCAI eine Kopplungsbibliothek (COCOLIB)entwickelt, welche eine lose Kopplung einesStrukturmechanik-Programms (CSD) und einesFluiddynamik-Programms (CFD) ermöglicht. Dabeilaufen beide Software-Pakete gleichzeitig und un-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

abhängig voneinander, und der Datenaustausch ge-schieht zur Laufzeit nach vorher festgelegten Kri-terien und bestimmten Algorithmen (Gauss-Seidel,Jacobi). Diese Software wurde weiterentwickelt un-ter dem Namen MpCCI (mehr informationen unterwww.mpcci.org).

Die übertragenen Randbedingungen umfassenthermische und mechanische Größen (Kraft F bzw.Druck, Wärmestrom Q, Verschiebung r, Geschwin-digkeit v, Temperatur T). Dabei sorgt die Kopplungs-bibliothek für die notwendige Interpolation bzw. Pro-jektion dieser Werte bei in der Regel inkompatiblenNetzen für Struktur und Fluid.

Die Aufrufe zur MpCCI wurden in PERMAS inte-griert. Somit kann mit jedem CFD-Programm, dasan MpCCI angeschlossen ist, eine entsprechen-de CFD-Kopplung für rein mechanische, thermi-sche oder thermisch-mechanische Anwendungenerfolgen. Mit dem Modul PERMAS-CCL stehen al-le Funktionen zur Verfügung, um die CFD-Kopplungdurchzuführen.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

PERMAS Berechnungsmodule

PERMAS Paket TM /Thermo-Mechanik

PERMAS-MQA – Modell Qualitäts-sicherung

Das Basismodul PERMAS-MQA ist die Grundlagefür alle weiterführenden Programm-Module.

Dieser Systemkern enthält u.a. das Datenverwal-tungssystem, die Kommandosprache UCI, dieStandard-Ein/Ausgabe für PERMAS Daten- bzw.Ergebnisfiles, die Modellkonsolidierung, die Teil-strukturtechnik, zahlreiche Elementtypen sowie dasSampling für Parameterstudien.

Das besondere Merkmal von PERMAS-MQA sindjedoch die in ihm verwirklichten Konzepte und Werk-zeuge zur Qualitätssicherung des Berechnungs-prozesses und zur Untersuchung von Einflüssenverschiedener Modellparameter durch Sampling .

Der Qualitätssicherung kommt auch im Rahmenvon FE-Berechnungen eine immer größere Bedeu-tung zu.

• FE-Berechnungen werden heute vorwiegend inder Produktentwicklungsphase eingesetzt, umfrühzeitig verschiedene Entwurfsvarianten zubewerten und damit den Entwicklungsprozesszu beschleunigen.

• Der Benutzerkreis wandelt sich vom FEM-Experten hin zu Anwendern mit allgemeineremHintergrund.

• Die Anwendungen werden immer komplexer.

Unter Sampling (als Design Exploration) verstehtman dabei die wiederholte Ausführung von Analy-sen, wobei die zu untersuchenden Parameter ex-plizit vorgegeben werden. Ein Beipiel ist in Abb. 40zu sehen. Das Sampling kann wie die Optimierungoder die Zuverlässigkeitsanalyse verwendet wer-den. Alle möglichen Entwurfsvariablen (siehe Seite100) oder Basisvariablen (siehe Seite 109) könnenfür das Sampling verwendet und alle Berechnun-gen, die von der Optimierung (siehe Seite 100) oderder Zuverlässigkeitsanalyse (siehe Seite 109) un-terstützt werden, können beim Sampling eingesetztwerden. Für die gewünschten Ergebnisse sammelt

das Sampling alle Daten ein und bereitet die Aus-gabe von entsprechenden XY-Daten vor. Als Bei-spiele für geeignete Modellparameter kommen z.B.geometrische Parameter, E-Moduln für Steifigkeits-untersuchungen oder verschiedene Lastparameterin Frage. Um bei einer größeren Anzahl von Wer-ten mehrerer Parameter die Anzahl von Analysenso klein wie möglich zu halten, steht eine speziel-le Sampling-Methode (LHC Latin Hypercube Samp-ling) zur Verfügung.

Neben der Qualität der Software (siehe Seite 21)hängt die Zuverlässigkeit von FE-Ergebnissen auchvon folgenden Punkten ab:

• Modelltests mit VisPER:PERMAS-MQA ist auch das Basismodul vonVisPER, so dass alle Tests in diesem Modulauch mit VisPER verfügbar sind. Dort stehenaber zusätzlich Visualiserungsmöglichkeiten zurVerfügung, die das Verständnis der gemeldetenProbleme und ihre Behebung deutlich erleich-tern.

• Umfangreiche Modelltests:PERMAS führt sehr intensive Tests der Einga-bedaten durch. Mit mehreren Tausend verschie-dener Systemmeldungen im Klartext wird selbstauf komplexe Widersprüchlichkeiten reagiert.Insbesondere die automatische Ermittlung vonSingularitäten kann dem Anwender viel Zeitsparen (siehe Seite 64).

• Vermeidung von Berechnungsfehlern:Um Fehlläufe zu vermeiden besitzt PERMASeinen Task-Scanner :– Einzelne Berechnungsschritte werden grup-

piert und die Durchführbarkeit der Gesamt-rechnung wird vor Berechnungsstart über-prüft.

– Ressourcen (Rechenzeit und Plattenplatz)werden schon am Anfang abgeschätzt.

– Die eingelesenen Modelldaten und derenBezug zu den angeforderten Berechnungs-schritten werden auf Vollständigkeit und Ver-träglichkeit überprüft.

– Mit dem Task-Scanner können Absteue-rung und Dateneingabe auch von solchenPERMAS-Modulen getestet werden, welcheauf der aktuell genutzten Plattform nicht lizen-ziert sind.

– Die Modellprüfungen können in interaktiverArbeitsweise ergänzend zu den Tests im Pre-prozessor durchgeführt werden.

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

• Entlastung des Benutzers:Die komfortablen Eingabemöglichkeiten, direkteSchnittstellen und die genannten Testwerkzeu-ge nehmen lästige Routinearbeit ab und verbes-sern die Übersichtlichkeit. Dadurch kann sichder Anwender vermehrt auf sein eigentlichesBerechnungsziel und die Ergebnisauswertungkonzentrieren.Insbesondere die komfortablen Schnittstellensorgen für eine reibungslose Datenübernahmeaus dem Preprocessing (siehe Seite 70).

Für eine verbesserte Kommunikation mit SDM- (Si-mulation Data Management)-Systemen gibt es dieMöglichkeit, jede Größe der Modellbeschreibung inbeliebiger Ausführlichkeit zu erläutern. Die Textewerden so entweder direkt Teil der Modell-Dateienoder sie können mit externen Dateien verknüpft sein(auch mit XML-Dokumenten).

Abbildung 106: VorderachsmodellPorsche AG, Weissach

PERMAS-LS – Lineare Statik

Dieses Modul erlaubt alle linearen elasto-statischenBerechnungen unter der Voraussetzung von kleinenDehnungen und linearem Materialverhalten (isotropoder anisotrop). Es bildet daher meist den Einstiegin die FE-Anwendungen.• Für die Definition von kinematischen Randbe-

dingungen werden unterschieden:– unterdrückte Freiheitsgrade,

– vorgeschriebene Verschiebungen und– lineare Zwangsbedingungen (MPCs) (siehe

Seite 62).• Für freie oder nur teilweise gelagerte Strukturen

kann eine quasistatische Analyse durchgeführtwerden (Inertia Relief). Dabei werden auf derBasis einer Starrkörper-Entkopplung jene Mas-senkräfte ermittelt, welche den aufgebrachtenLasten das Gleichgewicht halten. Anschließendwird eine statische Berechnung unter der Wir-kung der aufgebrachten Lasten und der Mas-senkräfte durchgeführt.

• Für die Modellierung statischer Lasten stehenvielfältige Möglichkeiten zur Verfügung (sieheSeite 68).

• Als Primärergebnisse werden berechnet:– Verschiebungen,– Masse und Trägheitsmomente.

• Daraus lassen sich weitere Ergebnisse ableiten:– Reaktionskräfte,– Spannungen bzw. Schnittgrößen,– Dehnungen,– Residuen,– Dehnungsenergiedichte, d.h. massen- oder

volumenbezogene Dehnungsenergie.

Abbildung 107: Getriebegehäuse ZF AG

PERMAS-CA – Kontaktanalyse

Dieses Funktionsmodul wird zur Untersuchung vonstatischen Aufgabenstellungen unter Berücksichti-gung nichtlinearer Randbedingungen (Kontaktbe-dingungen) eingesetzt.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Kontaktrandbedingungen sind zwischen elastischenTeilkörpern oder zwischen elastischen Teilkörpernund starrem Grund möglich. Dabei können die Teil-körper sich auch nichtlinear verhalten.

Zusätzlich wird auch Selbstkontakt von der Kontakt-analyse unterstützt (siehe Abb. 116). Dabei han-delt es sich um Kontaktmodelle, wo eine Oberflächemit sich selbst in Kontakt kommt, z.B. durch Verzugoder eine andere Art großer Deformation, wobei kei-ne Voraussage über die voraussichtlichen Kontakt-zonen möglich ist.

Die Modellierung der Kontaktbedingungen kann er-folgen über:

• die Zuordnung der einzelnen Knotenpaare.• die Zuordnung von Knotensets (die einzelnen

Paare werden aus der Geometrie ermittelt).• die Zuordnung von Knoten/Knotensets zu Flä-

chen (inkompatible Netze).• den generellen Fläche-zu-Fläche-Kontakt (in-

kompatible Netze).

Mit der Möglichkeit, Kontakt auch mit inkompati-blen Netzen durchzuführen, können die Kontakt-partner unabhängig voneinander vernetzt werden.Damit wird die Modellierung komplexer Kontaktflä-chen (wie bei Zahneingriffen in Getrieben) wesent-lich vereinfacht.

Bei einem Kontakt Fläche-zu-Fläche werden mehrKontakte berücksichtigt als bei einem KontaktFläche-zu-Knoten. Mehr Kontakte heißt genaueresErgebnis und mehr Rechenzeit. Weniger Kontaktemuss nicht heißen, dass die Ergebnisse ungenausind, aber es ist möglich, z.B. bei grob vernetztenKontaktflächen. Um nun das Beste aus einer Kon-taktberechnung herauszuholen und dabei nur mo-derat mehr Rechenzeit zu investieren, wurde einwählbarer Automatismus (Option COMPLEMENT)entwickelt, der beim Kontakt Fläche-zu-Fläche dieAnzahl der Kontakte so reduziert, dass die Genau-igkeit erhalten bleibt (siehe Abb. 108).

Die Kontaktrichtung und die Anfangsspaltbreitekann explizit vorgegeben oder automatisch ausder Geometrie ermittelt werden. Pressverbindungenwerden einfach durch Eingabe des entsprechendenÜbermaßes modelliert. Eine gegebene Spaltbreitekann mit einer benutzerdefinierten Funktion skaliertwerden, eine sog. Kontaktspaltfunktion. Diese Funk-tion kann von der Position im Raum und auch vontopologischen Gegebenheiten abhängen.

Abbildung 108: Flächenkontaktmit Option COMPLEMENT: Bester Kompromiss

zwischen Genauigkeit und Rechenzeit (gezeigt sind die

von Mises Spannung an den Knoten). Die angegebenen

Werte beziehen sich auf einen industriellen

Anwendungsfall.

Abbildung 109: Kontakt mit inkompatiblen Netzen

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Die Modellierung einer Pressverbindung kann alter-nativ auch mit MPC-Bedingungen durchgeführt wer-den, wenn das Öffnen eines Spalts während der Be-lastung nicht zu erwarten ist (siehe Seite 63).

Die Kontaktanalyse berechnet isotrope und aniso-trope Haft- und Gleitreibung nach dem Coulomb-schen Reibgesetz .

Für große Kontaktprobleme und für komplexere Rei-bungsaufgaben steht mit dem Modul PERMAS-CAXeine geeignete Erweiterung zur Verfügung (sie-he nächster Abschnitt). Beide Module zusammendecken einen breiten Einsatzbereich der Kontakt-analyse ab. Zusätzlich ergänzt wird diese Kombina-tion durch das Modul PERMAS-CAU (siehe über-nächster Abschnitt), welches große Relativverschie-bungen im Kontakt berücksichtigt.

Abbildung 110: Darstellung der Lastgeschichte

Die Angabe einer Lastgeschichte erlaubt das kor-rekte Nachfahren jeder Kontaktsituation mit Gleit-und Haftreibung unter Montage und Betriebslasten.Dies ermöglicht die komfortable Untersuchung sol-cher Situationen als quasistatische Berechnung. Ei-ne Postscript-Datei kann ausgegeben werden, umdie Lastgeschichte auch grafisch darzustellen (sie-he Abb. 110).

Die Lastgeschichte kann durch Vorspannungen er-gänzt werden (z.B. in Schrauben), wobei die Kon-taktanalyse verwendet wird, um die Vorspannungeinzustellen. So wird auch das Schraubenanzugs-moment über eine bekannte Kontaktkraft im Schrau-benschaft abgebildet.

Ein verallgemeinertes Konzept für die Schrauben-vorspannung ist verfügbar. Neben dem klassi-schen Weg, den Schaft durchzuschneiden und dieVorspannung senkrecht dazu vorzugeben, ist einneuartiger Weg möglich, bei dem die Vorspannung

Abbildung 111: SchraubenvorspannungKnotenspannungen und Vorspannkräfte

für eine mittelgroße Schraube mit Mutter:(1) mit Schnittebene im Schaft

(2) mit radial gekoppeltem Gewinde(3) mit Gewinde ohne radiale Kopplung

(4) mit Gewindeflanke aber ohne Steigung(5) mit Gewindeflanke und Steigung (Standard M10)

(6) mit Linksgewinde, Steigung, aber ohne Flankenwinkel

direkt über die Kopplung am zylindrischen Gewindein axialer Richtung vorgeschrieben wird. Dieser sehrinnovative Weg ermöglicht eine bequeme Beschrei-bung selbst detaillierter Effekte wie radiale Boh-rungsaufweitung und axiale Verdrillung durch Ge-

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windeflanken und Gewindesteigung, und zwar ohnedass das Gewinde über finite Elemente abgebildetwerden müsste (siehe Abb. 111).

Bauteile in Kontakt sind oft nur durch Kontaktkräf-te gehalten. Um ihnen eine elastische Bettung zugeben, kann eine Familie von Kompensationsfedern(auch Nullkraftfedern genannt) verwendet werden,wobei die Federkraft durch zusätzliche Kontaktkräf-te kompensiert wird (siehe Abb. 112). Dadurch wirdes möglich, kraftgeführte Kontakte zu verwenden.Zusätzlich erleichtert der RBM-Assistent in VisPERdie Platzierung und Definition dieser Elemente (sie-he Seite 46).

Abbildung 112: Kraftgeführter Kontaktmit Hilfe von Kompensationsfedern

Für die Kontrolle der Kontaktmodelle gibt es um-fangreiche Verifikationsmöglichkeiten zur Art desKontakts, seiner Geometrie (wie Spalt und Fuß-punktsvektor, siehe auch Fig. 100) sowie derNormalen- und Reibrichtung. Außerdem stehen füralle Iterationen die zugehörigen Kontaktzustände fürPrüfungszwecke zur Verfügung.

Für Reibkontakte ist die Qualität der Oberflä-chen von entscheidender Bedeutung. Daher erlaubtPERMAS die Glättung von Kontaktflächen, was einewesentliche Verbesserung des Reibverhaltens be-wirkt.

Das verwendete Lösungsverfahren basiert auf derFlexibilität der potentiell beteiligten Kontaktfreiheits-grade. Dies birgt klare Vorteile:

• Die durchgeführte Iteration auf dieser Flexibilitätist sehr effizient und deshalb selbst für größteModelle geeignet.

Abbildung 113: Kontaktdruck und Schubvektoren

• Die Kondition der Steifigkeitsmatrix bleibt erhal-ten, da der Kontakt nicht über künstliche Steifig-keitsänderungen erfasst wird.

Die Berechnung kann für beliebig viele Lastfälledurchgeführt werden, wobei sich für jeden Lastfalldie Kontaktparameter (Spaltbreite und Reibungsko-effizienten) ändern können. Die Kontaktbedingun-gen werden im statischen Lösungsschritt automa-tisch berücksichtigt, so dass sich die Steuerbefehlefür die Kontaktrechnung von denen einer linearenoder nichtlinearen statischen Analyse nicht unter-scheiden.

Für eine noch effizientere Berechnung von auf-einander folgenden Kontaktvarianten stehenKontaktstatus-Dateien zur Verfügung, die so-wohl das Wiederaufsetzen von Kontaktanalysenerleichtern als auch die Rechenzeiten beträchtlichverkürzen.

Neben den Ergebnissen der statischen Analyse ste-hen hier der Kontaktstatus, die Kontaktkräfte, derKontaktdruck (Pressung, siehe Abb. 113), die Spalt-breite und die Relativverschiebung als zusätzlicheErgebnisse zur Verfügung.

Für jede Kontaktbeschreibung, bei der die Summeder Kontaktkräfte nicht Null ist, existiert eine Wir-kungsrichtung (Line of Action) mit dem kleinstenTorsionsmoment aus den wirkenden Normal- undReibungskräften. Der Punkt auf der Wirkungslinie,der am nächsten zu einem gegebenen Schwerpunktliegt (z.B. dem Schwerpunkt der Koordinaten derKontaktknoten), wird als der Druckmittelpunkt (Cen-ter of Pressure, COP) bezeichnet. Die Koordinatendes COP sowie die Summe der Kräfte und Momentewerden auf Anforderung auf der Ergebnisdatei aus-

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gegeben. Dieses Ergebnis ist für alle Lastschritte ei-ner linearen oder nichtlinearen Kontaktberechnungverfügbar.

Abbildung 114: Temperaturverteilungin zwei Bauteilen bei Kontakt

Der Kontaktzustand kann eingefroren werden, umnachfolgende Analysen zu ermöglichen. DiesesEinfrieren (Contact Locking) geschieht durch auto-matische Umwandlung der aktiven Kontakte in kine-matische Zwangsbedingungen (MPCs). Damit wer-den nachfolgende Berechnungen von Eigenwerten,zur Wärmeleitung (siehe Abb. 114) oder zur Teil-modellanalyse (Spannungslupe) möglich.

PERMAS-CAX – Erweiterte Kontaktana-lyse

Dieses Modul wurde entwickelt, um neue Lösungs-verfahren für kritische Reibungsfälle und die Ana-lyse sehr großer Kontaktmodelle (mehr als 10000Kontaktknotenpaare) anzubieten und dabei die Re-chenzeit nochmals deutlich zu reduzieren (um we-nigstens einen Faktor 3). Das Modul wird als Er-gänzung zu PERMAS-CA eingesetzt (siehe vorigerAbschnitt).

Folgende Funktionen sind enthalten:

• Iterative Hochleistungsalgorithmen zur Be-schleunigung von Kontaktanalysen mit Normal-und Reibungskontakt.

• Eine zusätzliche Iterationsmethode für kritischeReibungsprobleme (wenn alle Kontakte ins Glei-ten geraten, siehe Abb. 115).

Dichtungselemente werden nun standardmäßig mitder Methode der kontakt-gesteuerten nichtlinea-

ren Dichtungsberechnung (CCNG-Analyse - Con-tact Controlled Nonlinear Gasket Analyse) berech-net. Dies führt zu erheblichen Rechenzeitvorteilenverglichen mit der klassischen Berechnungsmetho-de mit nichtlinearem Materialverhalten. Besondershoch wird der Rechenzeitvorteil, wenn Kontakt undDichtungselemente die einzigen Nichtlinearitäten ineinem Modell sind. Eine immer noch signifikanteReduktion der Rechenzeit kann man bei weiterenzusätzlichen Nichtlinearitäten erwarten.

Abbildung 115: Kegel-Pressverbindung(Gleitreibungskräfte nach Montage)

Die Gleitreibung zwischen bewegten Teilen kannüber ein Geschwindigkeitsfeld beschrieben werden,um es bei einer quasi-statischen Kontaktanalyse zuberücksichtigen (siehe Kapitel Bremsenquietschenaus Seite 31).

PERMAS-CAU – Update der Kontaktgeo-metrie

Dieses Modul bietet einen neuen Kontaktalgorith-mus, der es erlaubt, wesentliche Änderungen derKontaktgeometrie während der Belastung zu be-rücksichtigen. Dazu gehören Änderungen der Kon-taktfußpunkte (d.s. die Projektionen der Kontaktkno-ten einer Seite auf die gegenüberliegende Kontakt-fläche) und Änderungen der Kontaktnormalen (d.i.die Normale auf der Kontaktfläche an jedem Kon-taktknoten). Damit lassen sich folgende Anwendun-gen berechnen:

• Wenn es zu großen Relativverschiebungenzweier Körper in Kontakt kommt, dann berück-sichtigt der Update diese Änderung der geän-derten Position im Kontakt (siehe Abb. 117 undAbb. 118).

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 116: Selbstkontakt eines Balgs

• Wenn sehr präzise Kontaktergebnisse benötigtwerden, dann werden durch den Update derKontaktgeometrie selbst kleine Änderungen imKontakt berücksichtigt und so genaue Ergeb-nisse erzielt für Kontaktkräfte, Verschiebungen,Spannungen, usw..

Das Modul hat die folgenden Eigenschaften:

• Eine spezielle Modellierung ist nicht erforder-lich. Weil aber der Update die Partnernetzegegeneinander verschiebt, muss die Kontakt-geometrie über Flächen definieren werden (wieFläche-zu-Fläche oder Fläche-zu-Knoten). So-mit werden Knoten-zu-Knoten-Kontakt und Kon-takt gegen Grund durch den Update nicht geän-dert.

• Der Kontakt-Update geht mit und ohne Reibung.• Der Kontakt-Update geht mit linearer und nicht-

linearer statischer Analyse.

Abbildung 117: Kontakt-Update eines ClipsGroße Relativverschiebungen: Bild 1 zeigt das Modell;

Bild 2 zeigt den Kontaktdruck (oben) und den Reibschub

(unten) mit Knotenspannungen vor der Engstelle; Bild 3

zeigt den Kontaktdruck (oben) und die Reibschub (unten)

mit Knotenspannungen nach der Engstelle.

Der Update der Kontaktgeometrie ist in Abb. 119prinzipiell erklärt. Die Schritte 1 und 2 zeigen dietypische Vorgehensweise beim Kontakt und dieSchritte 3 und 4 zeigen die erste Iteration desUpdate-Prozesses, der solange wiederholt wird biseine vorgegebene Anzahl von Iterationen erreicht istoder eine vorgegebene Genauigkeit erzielt wurde.

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Abbildung 118: Angetriebenes Zahnradpaar

PERMAS-NLS – Nichtlineare Statik

Geometrisch nichtlineares Verhalten

Dieser Modulteil erlaubt die geometrisch nichtlinea-re Berechnung von Modellen im Rahmen der Co-Rotational Methode. Unter der Annahme kleinerDehnungen (linearer Verzerrungstensor) ist die Be-trachtung von großen Verschiebungen und Rotatio-nen möglich. Zur effizienten Lösung des nichtlinea-ren Gleichungssystems wird das Newton-RaphsonVerfahren mit einem Line Search kombiniert. DieLastschrittsteuerung kann dabei manuell oder au-tomatisch erfolgen. Die nichtlineare Charakteristikdes Lösungspfads kann durch xy-Darstellungen vonLast vs. Verschiebung verdeutlicht werden.

Für nichtlineare Beulprobleme steht außerdem einBogenlängenverfahren zur Verfügung, welches dieBestimmung des Lösungspfads über Beul- oder

Abbildung 119: Erste Schritte beim Kontakt-Update

Verzweigungspunkte hinaus ermöglicht. Auch hierbietet PERMAS eine Schrittweitensteuerung, wel-che kritische Bereiche automatisch erkennt und soeine effiziente Lösung erlaubt. Beispiele für elasti-sches Beulen zeigen Abb. 120 und Abb. 156, wäh-rend elastoplastisches Beulen in Abb. 121 zu sehenist. Um kritische Punkte und Beulmoden zu identi-fizieren, ist es außerdem möglich nach jedem kon-vergierten Lastschritt der nichtlinearen Analyse einelineare Beulanalyse durchzuführen, welche auf deraktuellen Steifigkeit basiert.

Lineares aber temperaturabhängiges Material-verhalten

Wenn sich die Temperatur in einer nichtlinearenLastgeschichte ändert, dann verlangt der notwen-dige Update von Steifigkeit und Last eine nichtli-neare Lösung. Wenn aber geometrische und Mate-rialnichtlinearitäten vernachlässigt werden können,dann steht ein spezieller Algorithmus zur Verfügung,der ein hohes Potential zur Verkürzung der Rechen-zeit hat. Dieser Algorithmus kann auch mit der nicht-linearen Dichtungsberechnung der CCNG-Analysekombiniert werden (siehe Seite 82), um speziell einesehr effiziente Berechnung von Verbrennungsmoto-

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 120: Nichtlinearer NAFEMS-Test

ren zu ermöglichen (siehe Motorbeispiel in Abb. 9.

Nichtlineares Materialverhalten

Dieser Modulteil ermöglicht die Analyse nichtlinea-ren Materialverhaltens unter der Annahme kleinerDehnungen bei isotropem Material:

• Nichtlinear elastisches Material (Cauchy-Typ)• Plastizität (von Mises, Tresca, Drucker-Prager,

Mohr-Coulomb)• Viskoplastisches Material mit einem Potenzge-

setz auf der Basis der von Mises-Fließregel.• Kriechen mit

– nichtlinearer Elastizität oder– Plastizität

Dabei kann das Material temperaturabhängig seinin Bezug auf den Elastizitätsmodul, die Fließgren-ze und die Spannungs-Dehnungs-Beziehung. BeimKriechen kommt noch eine zeitabhängige Charak-teristik hinzu. Bei der Plastizität kann eine isotropeoder kinematische Verfestigung oder auch eine ge-mischte Verfestigung berücksichtigt werden.

Speziell für den Einsatz bei nichtlinearem Material-verhalten wurde eine Familie von Schalenelemen-ten mit einer dreidimensionalen Formulierung ent-wickelt, die sich auch für lineare Analysen eignet.Diese Elementfamilie (Dreiecke und Vierecke mit li-

Abbildung 121: Plastisches Beulenmit Nachbeulverhalten

nearen und quadratischen Ansatzfunktionen) eignetsich für den Einsatz bei bestehenden Schalenmo-dellen, für die zu einer linearen Analyse auch einenichtlineare Aussage gefragt ist.

Für die Modellierung von Dichtungen steht eine Fa-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

milie von Dichtungselementen (Gasket-Elemente)zur Verfügung. Dabei wird das nichtlineare Element-verhalten in einer Vorzugsrichtung direkt mit dergemessenen Kraft-Verschiebungskurve der realenDichtung beschrieben.

Die verwendete inkrementelle und iterative Lö-sungsstrategie basiert auf Newton-Raphson, Modi-fied Newton-Raphson und Thomas. Außerdem isteine automatische Lastschrittsteuerung implemen-tiert, für die Anfangslastschritte und aufzubringendeGesamtlast (oder Zeit) zusätzlich spezifiziert wer-den können. Die Materialgesetze können in tabella-rischer Form oder als Unterprogramm (Fortran oderC) definiert werden.

Anwendungen mit Inertia Relief (siehe Seite 78)können ebenfalls mit nichtlinearem Materialverhal-ten durchgeführt werden.

Das Strukturverhalten kann auch durch eine Vor-behandlung (wie Gießen oder Walzen) beeinflusstwerden. Die zugehörigen Anfangsdehnungen kön-nen als Anfangsbedingung (verschiebungsfrei) ver-wendet werden.

Benutzerdefiniertes Materialverhalten ist möglich.Dazu sind benutzereigene Programme vorgesehen.Diese Unterprogramme stellen Spannungen undDehnungen bereit, sowie die jeweilige mit dem Ma-terialgesetz assoziierte Tangentenmatrix.

Abbildung 122: Druck in einer Zylinderkopfdichtung

Kombination von nichtlinearem Materialverhal-ten mit geometrischen Nichtlinearitäten

Bei Berechnungen mit nichtlinearem Materialverhal-ten kann auch der geometrisch nichtlineare Effekt

mit berücksichtigt werden. Hierbei werden auch Fol-gelasten wie Druck, Temperatur und Trägheitslastenberücksichtigt.

Ein Anwendungsbeispiel ist das Nachbeulverhaltenvon gewölbten Schalen, d.h. eine statische Analy-se kann auch nach einem plastischen Beulen weiterbelastet werden (siehe Abb. 121 und Abb. 156). Zu-sätzlich kann nach der nichtlinearen Analyse einelineare Beulanalyse durchgeführt werden, um alleBeulmöglichkeiten an diesem Belastungspunkt zuuntersuchen (siehe Modul BA auf Seite 87).

Allgemein

Falls bei der nichtlinearen Berechnung Kontaktbe-dingungen modelliert wurden, werden auch dieseautomatisch im Rahmen einer nichtlinearen Kon-taktanalyse berücksichtigt.

Ein Anfangszustand, wie er sich z.B. bei rotieren-den Strukturen ergibt, kann bei nichtlinearen Be-rechnungen mit berücksichtigt werden.

Die Nichtlinearitäten können als Ausgangszustandfür nachfolgende Analysen (z.B. einer Eigenwert-analyse) verwendet werden.

In vielen Fällen ist der größere Teil eines Modells li-near. Das ist eine ideale Voraussetzung, um die Teil-strukturtechnik einzusetzen (siehe Seite 57). Da-bei werden die linearen Teile in Unterkomponen-ten gelegt und die nichtlinearen Teile in die Top-Komponente. Dieses Vorgehen führt bei großen li-nearen Anteilen zu einer deutlichen Reduktion derRechenzeit.

Falls mehrere Lastzyklen für relalistische Model-le berechnet werden sollen (z.B. mit Kriechen beiMotormodellen), dann ist es empfehlenswert, dieSubmodell-Technik zu verwenden, um das Modellauf den interessanten Bereich einzuschränken. DieErgebnisse des globalen Modells werden durchMapping auf das Submodell übertragen (siehe denAbschnitt über Submodell-Technik auf Seite 57).Dann kann die nichtlineare Analyse für das Submo-dell alleine durchgeführt werden. Verkürzungen derLaufzeit hängen dabei von der Reduktion des Mo-dells ab. Der Zeitgewinn kann entsprechend für auf-wändige nichtlineare Analysen im Submodell ver-wendet werden.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 123: Einschlagtest einer Aluminiumfelgemit bleibender plastischer Dehnung.

PERMAS-NLSMAT – Weitere Materialge-setze

Dieses Modul fasst eine Reihe von zusätzlichen Ma-terialgesetzen zusammen, welche die in NLS stan-dardmäßig vorhandenen Materialgesetze ergänzen:

• Es ist ein Materialgesetz für Gussmaterial ver-fügbar, welches das unterschiedliche Verhaltenunter Zug und Druck berücksichtigt (siehe Abb.124).

• Des weiteren ist ein Materialgesetz für nicht-lineare kinematische Verfestigung vorhanden(nach Armstrong-Frederik), mit dem vor allemzyklisch-belastete Bauteile berechnet werdenkönnen.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01

yiel

d st

ress

effective plastic strain

Cast Iron : Uniaxial Test Data

compressiontension

Abbildung 124: Einachsige Testdatenfür ein Gusseisen-Material

PERMAS-BA – Lineare Beulanalyse

Auf der Basis einer linearen statischen Berech-nung können unter der aufgebrachten Last die Beul-Lastfaktoren und die Beulformen ermittelt werden.

Über die Berechnung modaler Anteilsfaktoren er-folgt auch eine Bewertung der Nichtlinearität desVorbeulverhaltens.

Lastfaktoren und Beulformen stehen als Ergebnis-se einer Eigenwertanalyse für das Postprocessingzur Verfügung. Für die Lastfaktoren kann ein Limitoder ein Interval vorgegeben werden. Für die Eigen-wertanalyse mit der klassischen Unterraumiterationsteht auch eine Shift-Methode zur Verfügung.

PERMAS-HT – Wärmeleitung

Für die Untersuchung von Temperaturfeldern ste-hen die Module PERMAS-HT und PERMAS-NLHT(siehe nachfolgenden Abschnitt) zur Verfügung.

• Die Temperaturfelder können stationär oder in-stationär sein.

• Nichtlineare Werkstoffkennwerte für Wärmeleit-fähigkeit und Wärmekapazität werden über einetabellarische Eingabe spezifiziert.

• Temperatur- und ortsabhängige Wärmeüber-gangszahlen werden ganz allgemein über Funk-tionen beschrieben (siehe Seite 68).

Für den Wärmeübergang an der Oberfläche stehtein vollständiger Satz an Wärmeübergangselemen-ten zur Verfügung. Diese erlauben auch die Berech-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

nung der Oberfläche eines Elementsets und damitdie Bestimmung des Wärmeübergangs durch einebestimmte Teiloberfläche. Außerdem besitzen die-se Elemente eine optionale Filmdicke, so dass eineeventuell vorhandene Grenzschicht näherungswei-se abgebildet werden kann. Der Grenzschicht kannauch eine Wärmekapazität zugewiesen werden.

Alle finiten Elemente der statischen Analyse sindauch für Temperaturfeldberechnungen vorhanden.Für Schalenelemente ist ein Temperaturgradientzwischen Schalenunter- und oberseite möglich.

Die Kopplung zur statischen Analyse ist vollständigvollzogen, d.h. die Berechnung von Verschiebungenund davon abgeleitet Dehnungen und Spannungenaufgrund eines Temperaturfeldes ist in einfachsterWeise möglich. Dabei können die Werkstoffdatenfür die statische Analyse (Elastizitätsdaten und Da-ten zum thermischen Ausdehnungsverhalten) eben-falls temperaturabhängig sein.

Zusätzlich können mit PERMAS-CCL thermischeRandbedingungen aus einer CFD-Analyse über-nommen bzw. gekoppelte Berechnungen durchge-führt werden (siehe Seite 75).

Transiente Analysen können sehr einfach durch di-rekte Kopplung zu den Ergebnissen des Vorlaufsfortgesetzt werden. Dadurch lassen sich ganzeWärmebehandlungszyklen, selbst mit unterschied-lichen Umgebungsmedien, im gleichen Berech-nungslauf durchführen.

Eine Modalanalyse erlaubt die Berechnung von Ei-genwerten und Eigenformen für Temperaturfeldpro-bleme.

Abbildung 125: Temperaturverlauf an Knotenüber der Zeit

Für die Randbedingungen gilt:

• Als stationäre ’Lasten’ können sowohl punktför-mige Wärmeflüsse als auch linienförmig, flächigoder übers Volumen verteilte Wärmeflüsse defi-niert werden.

• Transiente ’Lasten’ entstehen bequem durch dieKombination von stationären ’Lastverteilungen’mit zeitabhängigen Funktionen (siehe Seite 68).

• Als weitere Randbedingungen lassen sich vor-geschriebene Temperaturen angeben. Zusätz-lich ist bei den Wärmeübergangselementen dieUmgebungstemperatur zu spezifizieren.

Primärergebisse einer Temperaturfeldanalyse sinddas Temperaturfeld und der Wärmefluss an Knotenund Elementen. Als abgeleitete Ergebnisse stehenzur Verfügung:

• das Gradientenfeld der Temperaturverteilung,• der Wärmefluss durch eine beliebige innere Flä-

che,• mittels beliebig zusammenstellbaren Element-

sets lassen sich die flächenbezogenen oder ab-soluten Wärmeflüsse durch eine bestimmte Teil-oberfläche ermitteln.

Bei transienten Analysen können primäre und ab-geleitete Ergebnisse zur Erstellung von xy-Graphenausgegeben werden.

PERMAS-NLHT – Nichtlineare Wärmelei-tung

Die mit PERMAS-HT möglichen nichtlinearen Be-rechnungen finden bei stärkeren Nichtlinearitätenhier ihre Ergänzung. Eine Reihe moderner Algorith-men unterstützt dabei stationäre und instationäreBerechnungen.

Im Unterschied zu den im vorigen Abschnitt be-schriebenen Methoden wird im stationären Fall einautomatisches Lastschrittverfahren verwendet undim transienten Fall ein automatisches Zeitschrittver-fahren. Zusätzlich können dabei explizite Zeitpunkte(bzw. Lastniveaus) vorgegeben werden.

Zeitpunkte und Lastschritte, an denen die Ergebnis-se ausgegeben werden, können explizit vorgegebenwerden.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 126: Berechnung eines Kühlkörpersmit Strahlung

Strahlung mit Wärmeaustausch

Wärmeübertragung durch Strahlung wird maßge-bend mit steigender Temperatur für Bauteile mitHohlräumen und Selbstabschattung wie in Brems-anlagen, Verbrennungsmotoren und Kühlkörpern.Ziel ist die Berechnung des Wärmetransports durchStrahlung und Konvektion an der Bauteiloberfläche,gekoppelt mit der Wärmeleitung der Struktur.

Die hier zu beachtenden Annahmen sind, dassder Wärmeaustausch zwischen Oberflächen erfolgt(keine Strahlung aus dem Inneren von Körpern),dass die Strahlung von grauen Körpern ausgeht(keine Abhängigkeit von der Wellenlänge), und dassdie Abstrahlung diffus erfolgt (keine Abhängigkeitvon der Abstrahlungsrichtung).

Die Strahlungsberechnung hat folgende Eigen-schaften:

• Die Strahlung ist in der Berechnung der Wärme-übertragung integriert.

• Die Konvektionselemente wurden erweitert umdamit strahlende Oberflächen zu modellieren,d.h. alle Oberflächenelemente, die bei derStrahlung berücksichtigt werden sollen, müssenmit Konvektionselementen belegt werden.

• Die Sichtbarkeitsfaktoren werden direkt über die

qn

et

[T4−

T4

∞]

Uncoarsed10%5%

x/l

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

φ

x

z

l

0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

Abbildung 127: Wärmestrahlungzwischen angewinkelten Platten

beteiligten Oberflächenelemente integriert undnicht über Mittelwerte berücksichtigt.

• Um bei einer sehr großen Anzahl von Oberflä-chenelementen die Rechenzeit für die Sichtbe-arkeitsfaktoren zu reduzieren, steht eine auto-matische (und wählbare) Vergröberungsfunkti-on zu Verfügung, welche die Anzahl der Ober-flächenelemente reduziert.

• Um die Effizienz der Berechnung zu erhalten,wird auch die Parallelisierung eingesetzt.

• Die gekoppelte Lösung der nichtlinearen Wär-metransportgleichung mit Strahlungsrandbedin-gungen wird in ein paar Iterationen ermittelt, so-wohl stationär als auch transient.

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

PERMAS Paket VA /Vibro-Akustik

Abbildung 128: Halbmodell einer TurbineHalbmodell einer Turbine, achte Eigenform bei

antisymmetrischen Randbedingungen

PERMAS-DEV – Dynamik (Eigenwerte)

Das Modul PERMAS-DEV (Dynamik Eigenwerteund -vektoren) ermöglicht die Berechnung von reel-len Eigenwerten und Eigenformen der Struktur (Mo-dalanalyse). Zur Eingrenzung des berechneten Fre-quenzbereichs kann eine Anzahl von Eigenformenoder eine untere und obere Frequenzschranke an-gegeben werden. Der hierfür verwendete, sehr ef-fiziente Algorithmus zur Unterraumiteration ist zurLösung selbst größter Eigenwertaufgaben geeignet.Starrkörpereigenformen werden automatisch gefun-den oder können auch explizit definiert werden. Injedem Fall werden sie vor der Eigenwertanalyseentkoppelt.

Mit steigender Anzahl von Moden beobachtet maneine überproportionale Zunahme der Rechenzeit fürdie Eigenwertanalyse, weil die letzten Moden mehrZeit benötigen als die ersten. Deshalb wurde eineShift-Methode eingeführt, um den Frequenzbereichin mehrere Teile aufzuteilen und jeden Teil für sichzu lösen. Damit können die letzten Moden genau-so schnell ermittelt werden wie die ersten, was ins-

gesamt zu einer Laufzeitreduktion führt. Die Shift-Methode wird automatisch verwendet, wenn einegroße Anzahl von Moden gesucht wird (> 5000)oder wenn die Standardmethode zu lange für dasErreichen der Konvergenz benötigt. Außerdem sorgtdie Shift-Methode für eine verbesserte Genauigkeitder Eigenformen.

Die Steifigkeitsmatrix kann vor einer Eigenwertbe-rechnung durch zusätzliche Effekte modifiziert wer-den:

• Geometrische Steifigkeit für beliebige Belastun-gen,

• Zentrifugalfeldsteifigkeit für rotierende Bauteileunter konstanter Drehgeschwindigkeit in einemmitrotierenden Bezugssystem,

• Konvektive Steifigkeit für rotierende Bauteile un-ter konstanter Drehgeschwindigkeit in einem In-ertialsystem,

• Drucksteifigkeit für Schalenelemente und flüs-sigkeitsgefüllte Rohrelemente unter Druckbela-stung.

Abbildung 129: Analyse der Dehnungsenergiein Elementsets für mehrere Moden

Für die weitere Bearbeitung von Eigenformen ste-hen zusätzliche Hilfsmittel zur Verfügung:

• Aus den Verschiebungsformen der Eigenformenkönnen modale Spannungen abgeleitet werden.

• Außerdem können modale potentielle und ki-netische Energien berechnet und ausgegebenwerden (siehe Abb. 129).

• Zur Bewertung der Eigenformen z.B. hinsichtlichlokaler oder globaler Eigenformen können Ener-giebilanzen über alle Sets einer Struktur ermit-telt und ausgegeben werden.

• Zum Vergleich der Eigenformen aus verschiede-nen Eigenwertanalysen können MAC-Faktoren

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

(Modal Assurance Criterion) und weitere Fakto-ren berechnet und ausgegeben werden (sieheSeite 73).

• Zur Beurteilung der Vollständigkeit eines moda-len Modells eignen sich effektive Massen, die ingeeigneter Weise auf der Ergebnis-Datei ausge-geben werden.

Eine verallgemeinerte modale Kondensation er-möglicht den Aufbau aller erforderlichen Systemma-trizen im Modalraum, um die Berechnung außerhalbvon PERMAS durchzuführen. Der Export dieser Ma-trizen wird entweder durch spezielle Schnittstellen(z.B. zu MKS-Systemen) durchgeführt oder durchexplizite Angabe der auszugebenden Matrizen.

PERMAS-DEVX – Erweiterte Eigenwert-analyse

Dieses Modul umfaßt zusätzliche Methoden für dieErmittlung dynamischer Eigenwerte und -formen:

• Dynamische Kondensation• Komplexe Eigenwertberechnung• Eigenwertverlauf über Drehzahlbereich für dre-

hende Systeme

Dynamische Kondensation

Zwei Verfahren stehen für die dynamische Konden-sation zur Verfügung:

• Verfahren nach Craig-Bampton (CB-Kondensation),

• Verfahren nach Craig-Bampton mit gemischtenRandbedingungen (MBCB-Kondensation).

Craig-Bampton-Verfahren:Das Verfahren von Craig-Bampton verwendet dieEigenschwingungsformen von Teilstrukturen beifestgehaltenem Rand und zusätzliche statischeVerschiebungsformen aufgrund von Einheitsver-schiebungen am Rand der Teilstrukturen (CB-Kondensation). Wie für die statische Kondensationstehen auch hier explizite und iterative Verfahren fürdie Kondensation zur Verfügung, um kurze Rechen-zeiten sicherzustellen (vergleiche auch Seite 57).

Die bereitgestellte Funktionalität läßt sich wie folgtbeschreiben:

• Einsatzgebiete– Strukturdynamik

– Akustik– gekoppelte Fluid-Struktur Akustik

Zwei Optionen stehen für die Kondensation bei dergekoppelten Fluid-Struktur Akustik zur Verfügung(siehe auch Seite 97):

• „ Trockene“ Kopplung– Lösung des gekoppelten Eigenwertproblems

für eine Teilkomponente, d.h. das Fluid wirdvon der Teilkomponente eingeschlossen undkeine Druckfreiheitsgrade koppeln nach au-ßen. Somit sind die externen Moden der Teil-komponente selbst gekoppelte Moden.

– Die Gesamtlösung kann damit eine reineStrukturschwingungsanalyse sein.

• „Benetzte“ Kopplung– Die mechanischen und akustischen Moden

werden in getrennten Teilkomponenten be-rechnet.

– Die Gesamtlösung ist somit selbst eine ge-koppelte Fluid-Struktur-Berechnung.

– Dies erfordert eine zusätzliche Kondensati-on der Koppelelemente zwischen Fluid undStruktur.

Craig-Bampton-Verfahren mit gemischten Rand-bedingungen:Das Craig-Bampton-Verfahren mit gemischtenRandbedingungen erlaubt auch freie (oder ge-mischte) Randbedingungen zur Ermittlung derSchwingungsmoden (Mixed-Boundary Craig-Bampton, MBCB-Kondensation). Die entsprechen-den statischen Verschiebungen werden über einequasistatische Analyse (d.h. Inertia Relief) ermittelt.Dieses Verfahren hat Vorteile für Strukturen, diefreie Randbedingungen haben, weil die Kondensati-on mit entsprechenden Randbedingungen arbeitenkann. Dabei können weniger Moden zu einerhöheren Genauigkeit des kondensierten Systemsführen verglichen mit dem klassischen Verfahren.

The oben beschriebene „trockene“ Kondensationvon Teilen mit eingeschlossenen Fluiden kann auchmit dem Craig-Bampton-Verfahren mit gemischtenRandbedingungen durchgeführt werden.

Komplexe Eigenwertanalyse

Dies umfasst die Berechnung komplexer Eigenwer-te und Eigenvektoren im Modalraum. Das verwen-dete Verfahren basiert auf einer zuvor durchgeführ-ten Berechnung der reellen Eigenwerte.

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 130: Rotormit drehzahlabhängigen Lagern

Die damit ermittelten Ergebnisse sind wie folgt:

• Frequenzen• Komplexe Eigenwerte• Komplexe Eigenfrequenzen (jede mit Kreisfre-

quenz und Dämpfung)• Äquivalente viskose Dämpfungsverhältnisse• Komplexe Eigenformen in physikalischer und

modaler Darstellung. Die modalen Verschiebun-gen der komplexen Eigenformen stellen die mo-dalen Anteile der zu Grunde liegenden reellenEigenformen dar.

Mit einem geeigneten Postprozessor (wie VisPER)können die komplexen Eigenformen auch animiertdargestellt werden.

Eigenwerte rotierender Systeme

Für rotierende Systeme (siehe auch Seite 33) stelltsich oft die Aufgabe, den Verlauf der Eigenfrequen-zen über der Drehzahl darzustellen (in einem Camp-bell-Diagramm). Dieser Verlauf lässt sich in einemeinzigen Rechenlauf automatisch erstellen. Damitkönnen die interessanten Punkte für eine nachfol-gende Frequenzgangberechnung einfach ermitteltwerden.

Für rotierende Strukturen kann eine beliebige An-zahl von Drehgeschwindigkeiten in einer eige-nen Eingabe spezifiziert werden. Eine Referenzge-schwindigkeit wird in einem statischen Vorlauf ver-wendet, um die erforderlichen Zusatzmatrizen zuermitteln. Diese werden dann mit jeweiligen Dreh-geschwindigkeiten skaliert. Damit wird die Erstel-lung von Campbell-Diagrammen sehr effizient unddie Berechnung des Antwortverhaltens drehenderStrukturen erleichtert.

PERMAS-MLDR – Eigenwerte mit MLDR

Die Ermittlung von Eigenwerten mit den ModulenDEV (Seite 90) und DEVX (Seite 91) wird durch ei-ne weitere Methode ergänzt. Diese Methode kannauch bei der Ermittlung von gekoppelten Fluid-Struktur-Moden verwendet werden.

Die Anwendung dieser Methode ist vorteilhaft, wenndie Laufzeiten einer Eigenwertanalyse hauptsäch-lich durch I/O bestimmt werden. Dies ist vor allembei großen Modellen der Fall, für die auch einegroße Anzahl von Moden gerechnet werden muss.Je größer die Modelle werden und je größer die An-zahl der Moden wird, um so größer wird auch derRechenzeitvorteil durch die Anwendung der MLDR-Methode.

Seite 92 © INTES GmbH Stuttgart

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 131: Modell der Ariane 5 Trägerraketevon ASTRIUM Space Transportation, Les Mureaux

Dieser Laufzeitvorteil kann sich noch erheblich stei-gern, wenn der Eigenwertanalyse eine dynamischeSimulation folgt, bei der es auf Frequenzgänge oderZeitverläufe nur einiger relativ weniger Knoten an-kommt. In diesen Fällen kann die Ermittlung derglobalen Moden für alle Freiheitsgrade unterbleiben,was einen erheblichen Rechenzeitgewinn bedeutet.

Die MLDR-Methode basiert darauf, dass das Mo-dell automatisch in Teile aufgespalten wird, die ei-ne gewisse vorgegebene Größe nicht überschrei-ten. Dabei wird auf eine geringe Kopplung dieserTeile untereinander geachtet. Diese Teile werdendann als Teilstrukturen durch Anwendung der dy-namischen Kondensation (siehe TeilstrukturtechnikSeite 57 und Modul DEVX Seite 91) gruppenwei-se zusammengefasst. Dieses Verfahren wird hier-archisch solange fortgesetzt wird, bis die Gesamt-struktur in einer Komponente repräsentiert ist. Da-bei verbleiben lediglich eine Reihe von Knoten undElementen in der Hauptkomponente und das dy-

namische Verhalten wird vor allem durch die vonden Teilstrukturen übernommenen Eigenfrequen-zen und Eigenformen bestimmt, welche nach denRegeln der dynamischen Kondensation verbundenwerden. Diesem mehrstufigen dynamischen Reduk-tionsverfahren verdankt die Methode ihren NamenMLDR (Multi-Level Dynamic Reduction).

Um nachfolgend das Antwortverhalten berechnenzu können, werden auch verbundene Situationen(siehe Seite 96) und statische Verschiebungsfor-men (siehe Seite 95) berücksichtigt. Ebenso könnenauch statische Verschiebungsformen einer quasi-statischen Analyse (siehe Seite 78) verwendet wer-den. Auch temperaturabhängige Steifigkeiten kön-nen berücksichtigt werden.

Sollen ganz bestimmte Knoten und Elemente inder Hauptkomponente präsent sein, so kann diesder Anwender direkt angeben. Damit können aus-gesuchte Modellteile in die Hauptkomponente ge-zwungen werden, was die weitere Verarbeitung derModen auf einem relativ kleinen System sehr vor-teilhaft gestaltet. So lassen sich anschließend dy-namische Simulation, Anbindung an MKS, Optimie-rung auf dem verbleibenden System oder die Ein-bindung von Nichtlinearitäten mit äußerst niedrigenRechenzeiten realisieren.

Da die Methode vollständig parallelisiert ist, kön-nen weitere Rechenzeitvorteile durch die Nutzungvon Mehrprozessormaschinen erzielt werden. Ins-gesamt ist daher mit dem Einsatz von MLDR einwesentlicher Fortschritt in der Produktivität verbun-den und erlaubt somit z.B. auch Berechnungen bisin einen höheren Frequenzbereich hinein als vorherund dies auch mit feineren Netzen.

PERMAS-DRA – Dynamik (Response)

Mit PERMAS-DRA (Dynamic Response Analysis)kann die dynamische Antwort der Struktur im Zeit-oder Frequenzbereich ermittelt werden.

Die Lösung der dynamischen Gleichung kann da-bei jeweils direkt (mit physikalischen Freiheitsgra-den) oder modal (nach Transformation in den Mo-dalraum) erfolgen.

• Die Antwort im Zeitbereich (Transient Respon-se) wird durch Integration der Bewegungsglei-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

0

5

10

15

20

25

30

35

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Tim

e [h

]

Number of Modes

Elapsed Time for p1000 (950 TDofs) (Mem 1500 MB Shared 2)

ClassicMLDR (L1dim = 90)

Abbildung 132: Vergleich von Rechenzeitenfür Unterraumiteration (obere Kurve) und MLDR (untere

Kurve) bei wachsender Zahl von Eigenwerten (157412

Knoten, 164301 Elemente (QUAD4), 944472

Unbekannte)

chung ermittelt:– Transiente Antwort als absolute Antwort oder

als rein elastische Antwort ohne Starrkörpe-ranteil.

– Direkte Integration der Bewegungsgleichun-gen oder Integration nach Transformation inden Modalraum. Als Löser stehen Newmarkβ und HHT (Hilber-Hughes-Taylor) zur Verfü-gung.

Die Berücksichtigung konzentrierter nichtlinea-rer Struktureigenschaften ist möglich über– nichtlineare Federelemente,– nichtlineare Dämpferelemente und– nichtlineare Regelelemente.

• Die Antwort im Frequenzbereich (FrequencyResponse) wird durch Lösen des linearen, kom-plexen Gleichungssystems für jede geforderteFrequenz ermittelt:– Absolute Antwort oder als elastische Antwort

ohne Starrkörperanteil.– Direkte Lösung des Gleichungssystems oder

Lösung nach Transformation in den Modal-raum.

Frequenz- und drehzahlabhängige Steifigkeitund Dämpfung kann über das CONTROL6-Element berücksichtigt werden (siehe die Bei-spiele in Abb. 133 und Abb. 130).

• Ohne den Einschwingvorgang durchlaufen zumüssen, kann die stationäre Antwort (Steady-State Response) berechnet werden. Dabei wer-den Ergebnisse von Frequenzganganalysen imZeitbereich überlagert. Dazu kann noch ein sta-tischer Lastfall berücksichtigt werden. Dies istfür alle periodischen Anregungen mit bekannterharmonischer Zusammensetzung möglich.

Durch Angabe eines Knoten- oder Element-Sets(siehe Seite 68) kann bei der modalen Lösungdie Ermittlung der Ergebnisse auf den angegebe-nen Bereich beschränkt werden. Diese Reduktionbringt eine enorme Einsparung an Rechenzeit undPlattenplatzbedarf.

Für die Antwort im Zeit- und Frequenzbereich gilt:

• Zur Modellierung der Dämpfung seigenschaftenstehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung:– Materialdämpfung bzw. Strukturdämpfung für

Elemente,– globale Strukturdämpfung für Komponenten,– proportionale Dämpfung (Rayleighdämp-

fung),– viskose Dämpferelemente,– modale viskose Dämpfung,– modale Strukturdämpfung,– modale Struktur- und Rayleigh-Dämpfung für

Teilkomponenten,– direkte Eingabe der modalen Dämpfungsma-

trix ,– direkte Eingabe der Dämpfungsmatrix.Für die Berechnungen im Frequenzbereichkönnen die Strukturdämpfungen wahlweiseauch in Abhängigkeit der Frequenz beschriebenwerden.Frequenzabhängige viskose Dämpfung istmit Hilfe eines speziellen Elements (d.i.CONTROL6-Element) möglich.

• Die Anregung erfolgt über statische Lastvertei-lungen, die mit zeit- bzw. frequenzabhängigenFunktionen kombiniert werden (siehe Seite 68).Die Lastverteilungen können folgende Anteile

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

0

50

100

150

200

250

300

0 100 200 300 400 500 6000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Real S

tiff

ness [N

/mm

]

Dam

pin

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acto

r

Frequency [Hz]

Frequency-Dependent Stiffness

Real StiffnessDamping Factor

0.001

0.01

0.1

1

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Am

plit

ude [m

m]

Frequency [Hz]

Displacement Amplitude at Node 100

constantfreq.dep.

z

yx

F

N120

N100

l

Abbildung 133: Frequenzabhängige Steifigkeitund frequenzabhängige viskose Dämpfung in der

Frequenzganganalyse

enthalten:– Einzelkräfte oder -momente,– Verteilte Lasten (Linienlasten, Flächenlasten,

Volumenlasten),– Trägheitslasten,– Vorgeschriebene Verschiebungen.

• Als Primärergebnisse werden– Verschiebungen,– Geschwindigkeiten und– Beschleunigungen.geliefert. Diese können als Funktion der Zeit

Abbildung 134: Antwort im Zeitbereichunter Kontaktbedingungen

bzw. der Frequenz zur Erstellung von xy-Graphen ausgegeben werden.

• Weiter lassen sich folgende Ergebnisse ablei-ten:– Reaktionskräfte,– Spannungen bzw. Elementkräfte,– Dehnungsenergien,– kinetische Energien,– spezifische Schallabstrahlungsleistung.

Beim Einsatz modaler Verfahren stehen weitereFunktionen zur Verfügung:

Statische Verschiebungsformen können erstelltwerden, um die modale Basis der dynamischen Ei-genformen zu ergänzen. Damit verbunden sind zweiVorteile:

• Im niedrigen Frequenzbereich werden dadurchdie Ergebnisse wesentlich genauer.

• Es lassen sich auch Freiheitsgrade berücksichti-gen, die nicht mit der Struktur selbst verbundensind (z.B. bei Regelelementen).

Die statischen Verschiebungsformen können alsodurch folgende Angaben spezifiziert werden:

• direkt durch Knotenverschiebungen,• durch externe Lasten,• durch Ergebnisse einer anderen Analyse,• durch natürliche Kräfte spezifizierter Elemente

(wie Federkräfte),• Implizit durch vorhandene Regelelemente,• durch Trägheitskräfte, wie sie durch eine qua-

sistatische (Inertia Relief) Berechnung ermitteltwerden.

Verbundene Situationen (Assembled Situations)können verwendet werden, um Frequenzganga-naylsen mit verschiedenen dynamischen Lastfällen

© INTES GmbH Stuttgart Seite 95

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

deutlich schneller zu berechnen. Anstatt die Lösungfür alle Lastfälle getrennt durchzuführen, wird einekombinierte Analyse erstellt.

Für Modelle mit vielen Eigenwerten, vielen Anre-gungsfrequenzen und nur einigen wenigen Dämp-fern ist die Berechnung des Frequenzgangs sehraufwändig. So lange die Dämpfung nicht frequenz-abhängig ist (und nur wenige diskrete Dämpfer vor-handen sind), ist eine Diagonalisierung des Sy-stems durch einfache Zerlegung auf der Basis ei-ner komplexen Eigenwertanalyse möglich. Dann er-folgt eine explzite Invertierung der erhaltenen Sy-stemmatrix nach der Formulierung von Shermann-Morisson-Woodbury SMW. Die nachfolgende Be-rechnung der einzelnen Frequenzpunkte ist dannsehr schnell. Insgesamt ist der SMW-Löser vielschneller als der allgemeine Löser für modale Fre-quenzganganalysen.

Abbildung 135: BeteiligungsfaktorenModale Freiheitsgrad-Beteiligungsfaktoren

Für die weitere Bearbeitung von modalen Ergebnis-sen stehen zusätzliche Hilfsmittel zur Verfügung:

• Zur Bewertung der Anteile von Moden an derStrukturantwort können die modalen Anteils-faktoren für die Primärergebnisse ausgegebenwerden.

• Zur Bewertung der Anteile eines Freiheitsgra-des an der Strukturantwort können modale Be-teiligungsfaktoren von Knoten für die Primärer-gebnisse ermittelt und ausgegeben werden.

• Für die Antwort im Zeitbereich kann über denbetrachteten Zeitbereich eine statistische Aus-wertung der Spannungen und Schnittkräfte er-folgen, welche die Maximal- und Effektivwer-te ermittelt. Diese statistischen Werte könnenz.B. für eine Lebensdauerbetrachtung herange-

zogen werden.

Viskoelastisches Material

Für den Einsatz von visko-elastischem Material-verhalten in der Dynamik wurde eine Methodeimplementiert, die auf Prony-Reihen basiert. Aufdiese Weise können frequenzabhängige Material-daten in einer direkten transienten und direktenFrequenzgang-Analyse verwendet werden (wie fürGummiteile, feste Treibstoffe, etc.). Um die ein-zelnen Terme einer Prony-Reihe zu berechnen,wurden zwei neue Elementtypen entwickelt: EinHexaeder-Element mit 8 Knoten, wobei jeweils einElement für einen Term der Reihe verwendet wird,und ein weiteres Element mit internen Knoten, dasalle gewünschten Terme einer Reihe berücksich-tigt. Letzteres Element nutzt eine interne Kondensa-tionsmethode. Deshalb unterscheiden sich die Er-gebnisse der beiden Elemente etwas. Der Anwen-der kann entscheiden, welches Element er verwen-den möchte.

Schiefsymmetrische Drucksteifigkeit

Der symmetrische Anteil der Drucksteifigkeit kannfür die Eigenwertanalyse verwendet werden. Zu-sätzlich kann der schiefsymmetrische Anteil derDrucksteifigkeit bei der Berechnung des dynami-schen Antwortverhaltens und bei der komplexen Ei-genwertanalyse berücksichtigt werden.

PERMAS-DRX – Erweiterte Dynamik

Dieses Modul fasst weitere Methoden für die Ermitt-lung des Antwortverhaltens zusammen:

• Spektrales Antwortverhalten (oder Erdbeben-analyse),

• Zufallserregte Schwingungen (oder RandomResponse).

Spektrales Antwortverhalten

Bei einer Anregung des Untergrundes wie bei ei-nem Erdbeben wird die dynamische Antwort im Zeit-bereich durch ein vereinfachtes Verfahren ersetzt,das Abschätzungen für die Maximalwerte liefert. DieVoraussetzungen hierfür sind:

• unidirektionale Translationsbewegungen desUntergrunds,

• keine weiteren Lasten,

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

• Behandlung im Modalraum möglich,• nur modale viskose Dämpfung.

Nach der Festlegung der Richtung der vorgeschrie-benen Bewegung wird die Last als Spektrum dertransienten Anregung (Responsespektrum) einge-geben. Auf dieser Basis wird folgender Berech-nungsgang durchgeführt:

• Berechnung aller Eigenfrequenzen bis zur höch-sten interessierenden Frequenz.

• Berechnung der maximalen Beiträge jeder Ei-genform.

• Summation der maximalen Beiträge jeder Ei-genform. Dabei stehen 7 verschiedene Sum-mationsregeln für den Anwender zur Verfügung(wie CQC oder 10%-Regel).

• Ausgabe der Spitzenwerte.

Zufallserregte Schwingungen

Häufig sind Schwingungsbeanspruchungen nichtvorhersagbar, man denke nur an ein Fahrzeug aufholpriger Straße, ein Gebäude unter Windlast oderein Schiff in rauher See.

Solche zufälligen Lasten lassen sich zweckmäßigdurch Zufallsprozesse im Zeitbereich beschreiben.Korrelationen zwischen diesen Prozessen und de-ren Transformation in den Frequenzbereich führenauf den zentralen Begriff der Spektraldichte (oderPower Spectral Density).

Unter dem bekannten weißen Rauschen wird hier-bei verstanden, wenn die Spektraldichte einer Lastüber den gesamten Frequenzbereich einen kon-stanten Wert hat.

Die Lastgrößen werden als Spektraldichten spezifi-ziert und die Ergebnisse stehen als Spektraldichtenoder RMS-Werte zur Verfügung.

Dieses Verfahren ist in modaler Form implementiert,d.h. zunächst wird ein Eigenwertproblem gelöst,dann werden die Schwingungsanregungen im Mo-dalraum ermittelt und abschließend nach der Rück-transformation werden die Ergebnisse ausgegeben.

PERMAS-FS – Fluid-Struktur Akustik

Das Modul PERMAS-FS (Fluid-Struktur Akustik)erlaubt sowohl die Berechnung von rein akusti-

schen Schwingungsformen (ungekoppelte Berech-nung) als auch die Berechnung von gekoppeltenFluid-Struktur Eigenschwingungen. In beiden Fäl-len ist darüberhinaus die Berechnung des dynami-schen Antwortverhaltens im Zeit- und Frequenzbe-reich (gekoppelt und ungekoppelt) möglich. Dabeikann die Berechnung direkt oder modal erfolgen.Abb. 136 zeigt eine Übersicht zu den Berechnungs-möglichkeiten für ein Fluid alleine oder gekoppeltmit einer Struktur.

Abbildung 136: Übersicht zur Akustikfür ein Fluid alleine und für ein Fluid gekoppelt mit einer

Struktur.

Das Fluid kann kompressibel oder inkompressibelsein. Alle Fluideigenschaften bzgl. Absorption oderDämpfung können auch im ungekoppelten Fall be-rücksichtigt werden. Die Fluiddämpfung kann auchfrequenzabhängig sein.

Spezielle Randbedingungen des Fluids können inbesonderer Weise berücksichtigt werden:

• Oberflächenwellen werden mit speziellen Ele-menten modelliert.

• An der Grenzfläche zwischen Struktur und Fluidwird der Übergang durch spezielle Koppel-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

elemente modelliert, wobei Absorption an derOberfläche der Struktur berücksichtigt werdenkann. Als weitere akustische Dämpfung stehenVolumendämpfer (z.B. für Autositze) zur Verfü-gung.

• Für die Modellierung eines unendlichen umge-benden Raumes können halb-unendliche Ele-mente verwendet werden.

• Für Abstrahlungsrandbedingungen stehen zweiElementfamilien zur Verfügung: RBC (RadiatingBoundary Condition)- Elemente nach Bayliss-Turkel und solche nach Engquist-Majda.

Für die genannten Kopplungselemente zeigt dieFlächennormale vereinbarungsgemäß vom Fluidzur Struktur. Diese Bedingung wird automatischüberwacht, so dass entscheidende Fehlerquellenfür die Kopplung umgangen werden können.

Abbildung 137: Schiffsmodellmit freundlicher Genehmigung von Chantiers de

l’Atlantique, Saint-Nazaire

Für die Ermittlung von Eigenfrequenzen unterschei-det man zwischen den voll gekoppelten Moden undden durch die Fluidmasse verstimmten Strukturmo-den:• Die Berechnung von reellen Eigenwerten und

Eigenformen der gekoppelten Struktur wirdüber eine simultane Unterraumiteration reali-siert. Zur Eingrenzung des berechneten Fre-quenzbereichs kann eine Anzahl von Modenoder eine obere Frequenzschranke angegebenwerden. Die hierfür verwendete, spezielle For-mulierung des Algorithmus ist zur Lösung selbstgrößter Eigenwertaufgaben geeignet.

• Mit dem Eigenwertlöser für die Strukturdyna-mik (siehe Seite 90) kann die Zusatzmasse desFluids mit berücksichtigt werden, um die da-durch verstimmten Moden zu berechnen.

Für die gekoppelte Eigenwertanalyse bei großenModellen mit einer großen Anzahl von Moden kann

die Rechenzeit durch Einsatz der MLDR-Methodedeutlich reduziert werden (siehe Seite 92).

Für die Ermittlung des dynamischen Antwortverhal-tens stehen folgende Verfahren zur Verfügung:• Die Antwort im Zeitbereich (Transient Respon-

se) wird durch modale Lösung der Bewegungs-gleichung ermittelt. Als Löser stehen Newmarkβ oder HHT (Hilber-Hughes-Taylor) zur Verfü-gung.

• Die Antwort im Frequenzbereich (FrequencyResponse) wird durch modale oder direkte Lö-sung des linearen, komplexen Gleichungssy-stems für jede geforderte Frequenz ermittelt. Imallgemeinen ist ein vollbesetztes System zu lö-sen. Im Modalraum kann ein iterativer Löser dieBerechnung stark beschleunigen.

• Zusätzliche statische Verschiebungsformenkönnen berücksichtigt werden.

• Die modale Analyse zufallserregter Schwingun-gen für gekoppelte FS-Berechnungen ist mög-lich.

Durch Angabe eines Knoten- oder eines Element-Sets (siehe Seite 68) kann bei der modalen Lö-sung der Rechenaufwand auf den angegebenenBereich beschränkt werden. Die reduzierte Re-sponse bringt eine enorme Einsparung an Platten-platzbedarf.

Folgende Dämpfungsmöglichkeiten können einge-setzt werden:

• Für die Struktur:– viskose Dämpferelemente,– Material- bzw. Strukturdämpfung für Elemen-

te, wahlweise auch frequenzabhängig,– globale Strukturdämpfung,– Rayleigh-Dämpfung.

• Für das Fluid:– Randabsorption,– Volumenabsorption (auch frequenzabhän-

gig).• Für das gekoppelte System:

– modale viskose Dämpfung (gekoppeltes Sy-stem).

Die Anregung erfolgt über statische Lastverteilun-gen, die mit frequenzabhängigen Funktionen kombi-niert werden (siehe Seite 68). Die Lastverteilungenkönnen folgende Anteile enthalten:• Strukturlasten wie im DRA-Modul beschrieben• Vorgeschriebene Drücke.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 138: Gekoppelte Eigenschwingungsformeines gefüllten Raumfahrttanks mit zugehöriger

Druckverteilung

Als Primärergebnisse werden

• Verschiebungen,• Drücke,• Geschwindigkeiten und• Beschleunigungen

geliefert. Diese können als Funktion der Zeit bzw.der Frequenz zur Erstellung von xy-Graphen ausge-geben werden. Weiter lassen sich folgende Ergeb-nisse ableiten:

• Reaktionskräfte,• Spannungen bzw. Elementkräfte,• Dehnungsenergien,• kinetische Energien,• spezifische Schallabstrahlungsleistung,• Schallschnelle.

PERMAS-NLD – Nichtlineare Dynamik

Dieses Modul ermöglicht eine Zeitintegration unternichtlinearem Strukturverhalten:

• Materialnichtlinearitäten wie Kriechen, nichtli-neare Elastizität, Plastizität und Viskoplastizität.

• Nichtlineare Elemente wie nichtlineare Federn,

Dichtungselemente und Regelelemente.• Große translatorische Bewegungen von elasti-

schen Körpern, die über aktualisierende MPC-Bedingungen mit inkompatiblen Netzen behan-delt werden.

Geometrisch nichtlineare Effekte und Kontakt sindnoch nicht berücksichtigt.

Die Zeitintegration ist mit der Newmark-Methodemöglich oder mit der verallgemeinerten α-Methode.Letztere ermöglicht numerische Dämpfung zur Sta-bilisierung der Integration.

Verschiedene Löser für den nichtlinearen Teil wieNewton-Raphson oder Modified Newton-Raphsonstehen zur Verfügung. Ein automatisches Zeit-schrittverfahren unterstützt die Wahl geeigneterZeitschritte.

Teilstrukturtechnik und dynamische Kondensationkönnen verwendet werden, um die rein elastischenBauteile vor der nichtlinear-dynamischen Analyseabzuspalten.

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

PERMAS Paket DO /Design-Optimierung

Abbildung 139: Frequenzgang-Optimierungeiner Karosserie mit Form- und Dimensionsparametern

(siehe auch Abb. 142)

PERMAS-OPT – Entwurfsoptimierung

Neben der reinen FE-Modellierung erlaubtPERMAS auch die Definition eines Optimierungs-modells und die Durchführung einer automatischenOptimierungsberechnung.

Als Entwurfsvariable kommen in Betracht:

• Dimensionsoptimierung:– Querschnittsflächen, Trägheitsmomente und

allgemeine Zusammenhänge zwischen die-sen Größen bei Balkenelementen,

– Alle Parameter von Standard-Balkenquerschnitten (siehe Seite 66),

– Dicken/Offsets/Nichtstrukturelle Masse vonMembran- und Schalenelementen,

– Steifigkeiten und Masse von Federelemen-ten,

– Masse von Massenelementen,– Dämpfung von Dämpfungselementen,– Parameter von Regelelementen,– Wärmeübergangskoeffizienten,– Materialparameter.

• Formoptimierung:– Knotenkoordinaten für Formoptimierung,– unter Verwendung von Entwurfselementen

(siehe Seite 66),– unter Verwendung von Form-Basisvektoren

(auch Shape Basis Vectors genannt, sieheSeite 49),

– unter Verwendung von inkompatiblen Netzen(zur Positionsoptimierung) ohne Neuvernet-zung (siehe Abb. 86),

– Sickengenerierung (siehe Abb. 141).– Nichtparametrische Freiform-Optimierung

(siehe auf Seite 102).• Verknüpfung von Entwurfsvariablen

Als Zwangsbedingung jeder Optimierung dienenGrenzen für die Werte der Entwurfsvariablen undsolche für die Antwortgrößen, z.B.:

• Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleu-nigungen,

• Elementkräfte,• Reaktionskräfte,• Spannungen,• Tragwerksenergie,• Gewicht,• Kontaktspalte,• Kontaktdruck,• Kontaktkräfte,• Eigenfrequenzen,• Schallabstrahlungsleistung,• Temperaturen,• Wärmeströme,• Allgemeine Zwangsbedingungen als Kombinati-

on bzw. beliebige Funktion der zuvor genanntenGrößen. Solche Funktionen können z.B. globa-le Kriterien wie max/min, absmax/absmin oderRMS darstellen.

• Elementqualität, wobei der PERMAS Element-test auf eine kontinuierliche Variable mit denWerten von 0. (d.h. das Element ist perfekt)bis 1. (d.h. das Element ist fehlerhaft) abgebil-det wird. Diese Entwurfsbedingung hilft ein Ab-brechen der Optimierung aufgrund versagenderElemente zu vermeiden.

• Um komplexere Nebenbedingungen aus vie-len verschiedenen Ergebnisgrößen aufzustel-len, können verschiedene Nebenbedingungenmiteinnander gekoppelt werden (sog. DesignConstraint Linking).

Sowohl das Gewicht als auch jede der Zwangsbe-dingungen kann als Zielfunktion der Optimierungdefiniert werden. Es kann eine beliebige Anzahlvon Entwurfsrandbedingungen zu Optimierungszie-len erklärt werden. Dabei wird jeweils der Maxi-malwert als Ziel verwendet und die anderen Werteals Randbedingung. Für eine Mehrziel-Optimierungkann eine Pareto-Optimierung mit einer geeigneten

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Sampling-Strategie verwendet werden.

Abhängige Knoten können ebenfalls in einer Form-optimierung verwendet werden. Damit können in-kompatible Netze verwendet werden, um größereModifikationen durchzuführen, ohne dass eine Neu-vernetzung nötig wäre (siehe Beispiel in Abb. 140).

Abbildung 140: Frequenzgang-Optimierungeines Maschinenbetts, wobei die Position der

Federelemente für die Aufsteller optimiert wurde. Dazu

wurden die Federn über Interpolationsgebiete an die

Struktur angebunden. Entwurfsziel war dabei die

geringste Verschiebung des Werkzeugmittelpunkts.

Für die Optimierung stehen dabei verschiedene Al-gorithmen zur Verfügung:

• CONLIN (Linear Convex Programming): Eineeinfache und robuste Methode mit analytischenAbleitungen, sinnvoll nur für lineare Anwendun-gen.

• ACP (Adapted Convex Programming): Dieserparallelisierte Out-of-Core-Löser wird für großeOptimierungsaufgaben, nichtlineares Verhalten

und komplexe Herstellrandbedingungen emp-fohlen.

• OC (Optimalitätskriterien): Wird für die Freiform-Optimierung genutzt (siehe auf Seite 102).

Weitere Algorithmen sind mit dem Modul AOS ver-fügbar (siehe weiter unten auf Seite 107.

Die Optimierung ist mit einer allgemeinenUnterbrechungs- und Neustart-Möglichkeit ausge-stattet. Dazu kann der Optimierungslauf angehaltenwerden, wobei die Status-Daten auf einer Dateigespeichert werden. Damit kann die Unterbrechungnach jeder Optimierungsschleife erfolgen. Vordem Neustart können Optimierungsparameterverändert werden, um das Konvergenzverhalten zubeeinflussen. Der Neustart selbst nutzt dann diegespeicherten Status-Daten, um an der erreichtenStelle weiterzumachen.

Folgende Analysearten stehen für eine Optimierungzur Verfügung:

• Lineare Statik,• Inertia Relief (siehe Seite 78),• Eigenfrequenzanalyse,• Modale Frequenzganganalyse,• Stationäre Wärmeleitungsberechnung.

Mit Hilfe des Moduls AOS (siehe Seite 107) könnenweitere Analysearten für eine Optimierung verwen-det werden:

• Kontaktanalyse,• nichtlineares Materialverhalten.• Komplexe Eigenwertanalyse (einschl. rotieren-

der Strukturen)

Bei der Frequenzgangoptimierung können Amplitu-den, Phasen, reelle und imaginäre Werte der obengelisteten Ergebnisse für die Definition von Zwangs-bedingungen und Zielfunktion verwendet werden.Die Grenzen für die Zwangsbedingungen lassensich dabei frequenzabhängig spezifizieren.

Bei der Optimierung können mehrere Lastfällegleichzeitig berücksichtigt werden, genauso wie ver-schiedene kinematische Randbedingungen über dieVariantenanalyse (siehe Seite 58). Außerdem kön-nen auch dynamische Eigenwerte optimiert werden,wobei eine Verfolgung der Eigenformen bei Ände-rungen der Struktur automatisch durchgeführt wird.

Wenn nur ein kleiner Teil einer Struktur optimiertwerden soll, dann kann mit der Teilstrukturtechnik

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 141: Sickengenerierungeines Kunststofftanks

der Entwurfsraum in der Top-Komponente konzen-triert werden. Die Laufzeit wird so erheblich redu-ziert, da die Kondensation der unmodifizierten Mo-dellteile nur einmal durchgeführt werden muss.

Nach einer Optimierungsberechnung stehen derVerlauf der Zielfunktion sowie die Übersicht über dieGültigkeit des Entwurfs zur Verfügung. Außerdemerhält man die Werte der Entwurfsvariablen und derRestriktionen als Funktion der durchgeführten Itera-tionen. Diese können als xy-Daten in einfacher Wei-se sichtbar gemacht werden. Auch die Ausgabe vonSensitivitäten ist möglich.

Darüberhinaus können Elementeigenschaften alsErgebnisse aufbereitet (z.B. Dickenverteilung) undfür den Postprozessor exportiert werden.

Die Ergebnisse einer Formoptimierung können alsVerschiebungen auf dem bestehenden Modell zumPostprocessing ausgegeben werden oder als neu-es Modell mit gleicher Topologie und verändertenKoordinaten.

Abbildung 142: Iterationsverlaufeiner Frequenzgang-Optimierung

Freiform-Optimierung

Eine nicht-parametrische Optimierung steht zurVerfügung, um Freiform-Optimierungen zur Span-nungshomogenisierung oder zur Spannungsreduk-tion unter Gewichtsbegrenzungen zu ermöglichen(siehe Abb. 143). Damit steht ein sehr einfach anzu-wendendes Verfahren für die Formoptimierung vonFreiformflächen zur Verfügung. Außerdem wird dasAufsetzen einer solchen Optimierung durch einenFreiform-Wizard in VisPER unterstützt (siehe Seite49).

Folgende Funktionalitäten werden von der Freiform-Optimierung unterstützt:

• Mögliche Ziele oder Randbedingungen sind Ge-wicht, Spannungen (von Mises-Spannungen,Hauptspannungen), effektive plastische Deh-nungen und andere Knotenwerte, die über ex-terne Programme berechnet wurden, wenn die-se Werte lokal durch eine Dickenänderung derTeile beeinflussbar sind (z.B. Sicherheitsfakto-ren).

• Zusätzliche Randbedingungen sind Spannun-gen außerhalb des Designgebietes, Verschie-bungen oder Nachgiebigkeit (Compliance) als

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Steifigkeitsbedingung oder jede andere Rand-bedingung, für die (semi-)analytische Sensitivi-täten zur Verfügung stehen.

• Von besonderer Bedeutung ist der Elementtestals zusätzliche Randbedingung, welche genutztwird, um ein Abbrechen der Optimierung infolgeversagender Elemente zu vermeiden.

• Die automatische Verschiebung von Knoten imDesigngebiet infolge der Dickenänderung (sog.Relaxation) wird vollständig unterstützt.

• Als neue Herstell-Randbedingung können jetztauch Auszugsrichtungen eingesetzt werden.

Abbildung 143: Spannungshomogenisierungam Pleuel

Multi-modale Optimierung

Aufgrund einer Harmonisierung der vorhande-nen Optimierer ist es jetzt möglich Topologie-,Dimensions- und Form-Optimierung in einer Multi-modalen Optimierung (MMO) gleichzeitg zu verwen-den. Dies wurde erreicht, indem all Optimierungs-arten denselben Löser verwenden. Dies erlaubt dieBearbeitung eines breiteren Felds von Aufgaben-stellungen (siehe Abb. 144 und Abb. 145).

Verwendung externer Löser

In der Optimierung werden manchmal zusätzlicheErgebnisse verwendet, die PERMAS nicht selbstberechnet. Dann kann in der Optimierungsschlei-fe ein externer Löser aufgerufen werden (z.B. fürdie Berechnung von Sicherheitsfaktoren). Um daszu realisieren, wird ein Skript benötigt, welches dasexterne Programm aufruft und dessen Ergebnis ineinem PERMAS-Format bereitstellt.

Abbildung 144: Multimodale Optimierungmit Topologieoptimierung, Sickengenerierung und

Dimensionsoptimierung (sog. Free Sizing) der

Schalendicke.

Optimierung von Laminaten

Die Topologie-Optimierung wird für die Optimierungvon Schichtdicken bei Laminatstrukturen verwendet(siehe Seite 107).

Die Dimensionsoptimierung (Sizing) von Lagen-dicken und Winkeln kann dann durchgeführt wer-den. Versagenskriterien (siehe Seite 111) könnenals Nebenbedingung der Dimensionsoptimierungverwendet werden.

Optimierung für einen robusten Entwurf

Optimierung für einen robusten Entwurf erfolgt mit

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Abbildung 145: Topologie- und Form-Optimierunggleichzeitige Lösung als multi-modale Optimierung

Zuverlässigkeitsrandbedingungen, so dass nicht nuralle o.g. Zwangsbedingungen erfüllt sind, sondernder Entwurf nach der Optimierung auch zuverlässigin Bezug auf unsichere Modellparameter ist (mehrauf Seite 39).

PERMAS-TOPO – Layoutoptimierung

Die Topologie-Optimierung ist eine Methode zurFormfindung, die einem vom Benutzer vorgegebe-nen Ziel optimal entspricht und dabei noch eineReihe von weiteren Bedingungen erfüllt. Dazu wirdder sogenannte Entwurfsraum mit finiten Elemen-ten ausgefüllt. Jedem Element wird dabei ein soge-nannter Füllungsgrad (zwischen 0 und 1) als Ent-wurfsvariable zugewiesen. Dieser wird als Skalie-rungsfaktor für die Steifigkeit des Elements benutzt.Ist der Füllungsgrad Null, dann ist das Element qua-si nicht vorhanden. Elemente mit hohem Füllungs-grad werden unter den gegebenen Nebenbedin-gungen gebraucht. Der gefundene Entwurf bestehtdann in der Regel aus einer Untermenge der Ele-mente des Entwurfsraumes. Wird der Entwurfsraum

feiner vernetzt, dann kann man feinere Strukturenerhalten, aber man braucht auch längere Rechen-zeiten dafür.

Abbildung 146: Topologie-OptimierungBauraum mit Randbedingungen und Lasten (oben)

und die ermittelte optimale Materialverteilung (unten)

Das Modul unterstützt die Konzeptentwicklungs-phase durch die Bereitstellung voll integrierterTopologieoptimierungsverfahren:

• Bauraumdefinition mit variablen/festen Berei-chen,

• Spezifikation der Randbedingungen,• Angabe der Lasten,• Optimierungsziel mit verbleibendem Volumen,• Weitere Zwangsbedingungen für die Optimie-

rung, falls vorhanden.

Für die Modellierung werden Kontinuumselementewie Membran-, Schalen- und Volumenelemente ver-wendet. Auch die Anwendung der Teilstrukturtech-nik wird unterstützt. Weitere Modellparameter sind:

• Feste/variable Designelemente:– Füllungsgrad pro Designelement wählbar,– Grenzen für die Entwurfsvariablen,– Grenzen für die Änderung der Entwurfsvaria-

blen.• Fertigungsrandbedingungen:

– Ausformrichtungen:

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Abbildung 147: Alternative Topologie-Lösungenohne (oben) und mit (unten) Ausformrichtungen

Bei Gußbauteilen müssen spezielle Zwangs-bedingungen formuliert werden, um aus ei-ner Topologie-Optimierung herstellbare Teilezu erhalten. Mit der Angabe von Ausform-richtungen kann man diese Nebenbedingungsteuern (siehe Abb. 147). Zusätzlich kann ei-ne minimale Restwandstärke spezifiziert wer-den, um eine geschlossene Struktur zu erhal-ten (wie bei Gehäusen). Eine Teilungsebenekann für entgegengesetzte Ausformrichtun-gen spezifiziert werden.

– Symmetriebedingungen:Planare, axiale und zyklische Symmetriebe-dingungen können verwendet werden, umdie Eigenschaften des Layout-Ergebnisseszu bestimmen.

– Gleichartige Strukturteile: Die Verknüpfungvon Entwurfsvariablen kann eingesetzt wer-den, um dasselbe Layout für verschiedeneTeile einer Struktur zu erhalten.

– Maximale Wandstärke: In der Kombinationmit Ausformrichtungen kann eine maximaleWandstärke vorgegeben werden, um die ver-bleibenden Strukturen mit ähnlichen Dickenzu versehen.

– Minimale Wandstärke: Zur Dimensionskon-trolle der verbleibenden Struktur kann die mi-nimale Bauteilgröße (d.s. Breite und Dickeder verbleibenden Struktur) durch entspre-chende Parameter beeinflusst werden (sog.Checkerboard Filter).

– Eingefrorene Bereiche: Solche Bereiche(sog. Frozen Regions) im Entwurfsraum wer-den während der Optimierung nicht verän-dert.

• Zwangsbedingungen und Zielfunktion:– Tragwerksenergie,– Gewicht,– Reaktionskräfte,– Eigenfrequenz(bereich),– Verschiebungen,– Beschleunigungen, Geschwindigkeiten,– Spannung (außerhalb des Entwurfsbe-

reichs),– Elementkräfte (außerhalb des Entwurfsbe-

reichs),– Schallabstrahlungsleistung (außerhalb des

Entwurfsbereichs).Jede Zwangsbedingung kann auch als Zielfunk-tion definiert werden.Aus den genannten Grundrandbedingungenlassen sich auch komplexere Funktionen fürEntwurfsrandbedingungen aufbauen.Eine allgemeine Möglichkeit besteht, um Ziel-funktionen zu spezifizieren, die sich auf vie-le Werte für verschiedene Zwangsbedingungenbezieht (wie max/min, absmax/absmin, RMS).

• Multi-Modeling– mehrere Lastfälle gleichzeitig mit unter-

schiedlichen Überlagerungsoptionen,– unterschiedliche Designvarianten.

In Modul AOS (siehe Seite 107)stehen Lösungs-optionen zur exakten Behandlung von maximalenWandstärken zur Verfügung.

Als Analyseoptionen kommen in Betracht:• Lineare Statik,• Kontaktanalyse,• Dynamische Eigenwertberechnung,• Modale Frequenzganganalyse.

Weil sich Eigenfrequenzen und -formen sehr starkwährend einer Topologie-Optimierung ändern, ste-hen Strategien zur Verfügung, die es erlauben loka-le Moden zu unterdrücken.

Für die Optimierung stehen dabei verschiedene Al-gorithmen zur Verfügung:• GCA (Global Convex Approximation)

für Eigenfrequenzen und eine Kombination ausstatischen und dynamischen Randbedingun-gen.

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 148: Topologie-Optimierungeines Getriebedeckels zur Maximierung der zweiten

Eigenfrequenz unter einer gegebenen Auszugsrichtung

(mit freundlicher Genehmigung der ZF Friedrichshafen

AG)

• PD (Primal-Dual Solution)

Zur Iterationskontrolle der Optimierung kann zumeinen die Konvergenz der Zielfunktion als auch einemaximale Iterationszahl verwendet werden.

Die Topologie-Optimierung ist nun in der Lage einErgebnis mit klarer Trennung in gefüllte und lee-re Elemente zu liefern. Der Füllungsgrad der Ele-mente liegt somit in der Nähe von 0 oder 1. DiesesErgebnis vermeidet Fehlinterpretationen der Ergeb-nisse von Topologie-Optimierungen und erleichtertdie Verwendung in weiteren Analyse- und Konstruk-tionsschritten (siehe Abb. 149).

Das Ergebnis der Layoutoptimierung ist der Ele-mentfüllungsgrad. Zur Kontrolle des Konvergenzver-haltens steht die Geschichte der Zielfunktion zurVerfügung. Auf Grund des Füllungsgrades kann imPostprozessor die verbleibende Reststruktur ein-fach dargestellt werden.

Zur sinnvollen Weiterverarbeitung der verbleiben-den Reststruktur können noch folgende Maßnah-men durchgeführt werden:

Abbildung 149: Auskonvergierte Topologie

Abbildung 150: Layout-Optimierungeines Kranhakens (links das Primärergebnis, rechts die

geglättete Oberfläche)

• Hüllengenerierung:Für einen ermittelten oder vorgegebenen Fül-lungsgrad wird die zugehörige Raumfläche für

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 151: Polygon-Reduktion(links das Dreiecksnetz, rechts die damit repräsentierte

Oberfläche)

die Oberfläche als Netz aus Dreiecken und Vier-ecken automatisch extrahiert.

• Glättung:Die Hülle wird unter Berücksichtigung von Bau-teilgrenzen und Lasten sowie kinematischenRandbedingungen geglättet.

• Polygon-Reduktion:Das Netz wird gesäubert von zu kleinen Drei-ecken und Vierecken, um die Oberflächenbe-schreibung so kompakt wie möglich zu gestal-ten.

• Export:Das verbleibende Dreiecksnetz kann als Scha-lennetz zum Postprocessing ausgegeben wer-den oder als Geometrie im STL-Format.

Neben dem Elementfüllungsgrad als Entwurfsvaria-ble, kann die Topologie-Optimierung auch für ande-re Elementeigenschaften zur Optimierung verwen-det werden (wie für Dicken von Schalenelementen).Diese Anwendung der Topologie-Optimierung wirdauch Free Sizing genannt.

Optimierung von Laminaten

Free Sizing kann zur Optimierung von Laminatstruk-turen verwendet werden, um aus der Dickenvertei-lung der Lagen die Form der einzelnen Lagen zuermitteln. Ein gegebener Lagenaufbau wird dabeihinsichtlich der Dicken optimiert. Weil nicht alle La-gen überall in der Struktur gebraucht werden, kön-nen aus dieser Dickenverteilung die Bereiche ermit-telt werden, in denen eine bestimmte Lage mit ihremFaserwinkel gebraucht wird. Weitere Optimierungs-schritte für Laminate werden mit der Dimensionsop-timierung durchgeführt (siehe page 103).

Abbildung 152: Optimierung des Kontaktdruckszwischen Kolben und Kolbenbolzen (Mahle Gmbh,

Stuttgart). Die Abbildung zeigt die Kantenpressung

zwischen den beiden Teilen (für das optimierte Ergebnis

siehe auch nächste Abb. 153).

PERMAS-AOS – Weitere Optimierungs-löser

Dieses Modul stellt zusätzliche Optimierungsverfah-ren zur Verfügung, welche den Anwendungsbereichder integrierten Optimierung in PERMAS deutlichausweiten. Diese Erweiterungen sind wie folgt:

• Durch ein Trust-Region-Verfahren(Vertrauensregion-Verfahren) wird eine ad-aptive Schrittweitensteuerung bei den lokalenOptimierungsmethoden ermöglicht, welche diebisherige statische Schrittweitenbegrenzungfür die Veränderung der Entwurfsvariablenerweitert.

• Trust-Region-Verfahren verfolgen den jeweilsbesten Punkt und weisen Punkte ohne Verbes-serung zurück. Dies erweitert die bisherigenVerfahren, bei denen jeder neue Punkt akzep-tiert wurde.

• Verfahren zur ableitungsfreien Optimierung undzur globalen Optimierung sind nun verfügbar.

Durch die Verfahren werden neue Anwendungsge-biete für die Optimierung erschlossen, wie Kontakt-berechnung oder nichtlineares Materialverhalten.

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Die lokalen Verfahren umfassen die folgenden ab-leitungsbasierten Verfahren:

• SQP (Sequential Quadratic Programming):Das ist ein Newton-Verfahren mit Dämpfung undeiner aktiven Mengen-Strategie (active set strat-egy) für die Optimalitätsgleichungen. Das ist dasbeste allgemein einsetzbare Verfahren (abernicht notwendigerweise das beste für die Struk-turmechanik). Ergebnisse zweiter Ordnung sinddurch einen BFGS-Update verfügbar.

• SLP (Sequential Linear Programming):Dieses Verfahren basiert auf einer linearen Nä-herung. Es ist üblicherweise (wenn auch nichtimmer) langsamer als SQP wegen der fehlen-den Information zweiter Ordnung. Das Verfah-ren is recht robust verglichen mit anderen Gra-dientenverfahren (z.B. bei sehr steilen Gradien-ten).

• SCP (Sequential Convex Programming):Dieses Verfahren gilt als das beste für struktur-mechanische Aufgabenstellungen. Modul OPTbenutzt ebenfalls ein solches Verfahren für dieOptimierung.

Abbildung 153: Optimierung des Kontaktdruckszwischen Kolben und Kolbenbolzen (Mahle GmbH,

Stuttgart). Die Abbildung zeigt die optimierte Geometrie

des Kolbens und die reduzierte Kantenpressung.

Wenn Ableitungen nicht verfügbar sind (wie in Kon-taktberechnungen oder bei nichtlinearem Material-verhalten) oder die Genauigkeit der berechnetenAbleitungen nicht ausreicht (wie manchmal bei Fre-

quenzganganalysen), dann stehen auch ableitungs-freie Verfahren zur Verfügung. Die neuen ablei-tungsfreien (lokalen) Methoden umfassen die fol-genden Ansätze:

• Ableitungsbasierte Methoden (wie SQP, SLP,SCP) können auch mit finiten Differenzen ver-wendet werden. Dabei müssen die Funktionenglatt genug sein und der Differenzenabstandsollte leicht bestimmbar sein.

• Als ableitungsfreies Verfahren steht WLIN(Wedge constraint, LIN approximation) zur Ver-fügung. Dieses Verfahren benötigt keinen Diffe-renzenabstand. Es ist dabei gut für verrauschteFunktionen einsetzbar.

Wenn globale Minima gesucht sind, dann kann diesnicht mehr mit lokalen Verfahren erreicht werden.Für eine globale Optimierung stehen folgende An-sätze zur Verfügung:

• Durch das Multi-Start-Verfahren (MS) könnenmit Hilfe von zufällig ausgewählten Punkten ab-leitungsbasierte Verfahren verwendet werden,um Minima zu lokalisieren. Das entspricht ei-nem automatisierten Ausprobieren, wobei dieAnzahl der Versuche das Ende der Berechnungvorgibt.

• Ein weiteres Verfahren ist LDR (Locally impro-ved variant of the Dividing Rectangles (DiRect)algorithm). Fig. 154 zeigt ein Beispiel für die-ses Verfahren. Dieses Verfahren wurde auf Auf-gabenstellungen mit Nebenbedingungen verall-gemeinert. Es wurde durch die Lösung lokalerTeilprobleme verbessert. Das Verfahren gene-riert eine Reihe von Punkten, die im Entwurfs-raum dicht beieinander liegen und so die globaleLösung gut approximieren. Da dieses Verfahrensehr langsam ist und sich nur für kleine Model-le eignet, wird eine geeignete Modellreduktionempfohlen (siehe Teilstrukturtechnik auf Seite57).

Eine Option Global Design Centering (GDC) ist ver-fügbar, um einen Bereich maximaler Stabilität zu fin-den. Ein typischer Anwendungsfall ist das Bremsen-quietschen mit stochastischen Materialparameternfür den Bremsbelag.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Abbildung 154: Globale Optimierungeines Feder-Dämpfer-Systems mit dem LDR-Verfahren.

Oben: Modell mit 4 Entwurfsvariablen, Mitte: 2 Variablen

am Optimum festgehalten, Verlauf der Zielfunktion mit

den 2 freien Variablen, Unten: Iterationsverlauf der

Zielfunktion und der Verletzung der Nebenbedingungen.

PERMAS-RA – Zuverlässigkeitsanalyse

In der klassischen Strukturanalyse wird ein deter-ministisches Modell verwendet, um Aussagen überdas Verhalten eines Bauteils unter verschiedenenLastbedingungen vorherzusagen. Die Ergebnissedieser Berechnungen werden dann mit typischenGrenzwerten wie maximale Spannung oder maxi-

male Verschiebung unter Sicherheitsgesichtspunk-ten verglichen. Dies ist die deterministische Vorge-hensweise für die Beurteilung der Struktursicherheitund hier findet die Finite-Elemente-Methode schonbisher eine weite Verbreitung.

Im Gegensatz zu dieser Methode trifft die stochasti-sche Berechnung Annahmen über die Verteilungs-funktionen unsicherer Struktur- oder Lastparame-ter. Die zulässigen Grenzwerte für die Struktur sindzwar dieselben wie bei der deterministischen Analy-se, aber die Ergebnisse umfassen dann die Versa-genswahrscheinlichkeit in bezug auf diese Grenz-werte sowie die Sensitivität dieser Versagenswahr-scheinlichkeit in bezug auf die unsicheren Parame-ter.

Dieses Modul verbindet die Finite-Elemente-Methode mit dem bewährten COMREL-Programmder RCP GmbH in München. Auf diese Weise konn-ten die Erfahrungen aus beiden Software-Paketenfür die Stochastische Finite-Elemente-Methodenutzbar gemacht werden.

Das Vorgehen bei der Zuverlässigkeitsanalyse um-faßt die folgenden drei Schritte:

• Definition der unsicheren Größen der Struktur-analyse (wie Geometrie, Lasten usw.) über Ba-sisvariablen, denen eine Verteilungsfunktion zu-gewiesen wird.

• Definition von Grenzzustandsfunktionen (oderVersagensfunktionen), die sich auf Ergebnisseeiner Strukturanalyse beziehen.

• Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeitfür jede Grenzzustandsfunktion.

Für die Basisvariablen kommen folgende Größenin Betracht:

• Designparameter (Geometrische Daten, Koordi-naten),

• Lastfaktoren,• Materialparameter,• Parameter der Grenzzustandsfunktion,• Parameter anderer Basisvariablen,

Dabei stehen mehr als 20 verschiedene Vertei-lungsfunktionen für die Beschreibung der unsiche-ren Variablen zur Verfügung.

Die Bewertung der Versagensparameter erfolgt fürdie Analyseoptionen:

• Lineare Statik,• Kontaktanalyse,

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

• Dynamische Eigenwertberechnung,• Frequenzganganalyse,• Komplexe Eigenwertanalyse (einschl. rotieren-

der Strukturen).

Dafür stehen eine Reihe von Methoden zur Verfü-gung:

• Effiziente Lösungsverfahren mit Sensitivitätenals First/Second Order Reliability Methods(FORM/SORM),

• Response Surface Methoden,• Monte Carlo Simulation mit Adaptive Sampling,• Reine Monte Carlo Simulation.

Bei der Zuverlässigkeitsanalyse können mehrereLastfälle gleichzeitig berücksichtigt werden, genau-so wie verschiedene kinematische Randbedingun-gen über verschiedene Versagensfunktionen.

• Die Definition der Versagensfunktionen erfolgtdurch– Allgemeine Funktionen,– Abhängig von

* Ergebnissen (Verschiebungen, Span-nungen usw.),

* Basisvariablen,

* konstanten Werten.• Die primären Ergebnisse dieser Berechnung

sind– Versagenswahrscheinlichkeit für jede Grenz-

zustandsfunktion,– Parameterempfindlichkeit der Grenzzu-

standsfunktionen,– Empfindlichkeiten des Ergebnisses in Abhän-

gigkeit von den unsicheren Basisvariablen(Elastizitäten),

– Ausgewählte Daten für jede Iteration beiMonte Carlo Simulationen.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

PERMAS Spezialmodule

PERMAS-LA – Laminatanalyse

Die Laminatanalyse dient zur Modellierung undBerechnung von mehrschichtigen Faserverbunden(Composites). Dazu stellt PERMAS spezielle drei-und viereckige Schalenelemente zur Verfügung.

Üblicherweise wird ein Laminat Schicht für Schichtdefiniert. Jede Schicht definiert sich über ein ho-mogenes anisotropes Material (meist als ortho-tropes Material definiert) mit Dicke und Ausrich-tung, welche die Faserrichtung über einen Winkelgegenüber dem Materialbezugssystem beschreibt.Die Beschreibung wird durch VisPER unterstützt.Die Homogenisierung des Schichtaufbaus erfolgtin PERMAS nach der erweiterten Laminattheorie(ELT).

Abbildung 155: Laminatanalyseeines NAFEMS Testbeispiels für Composites.

In seltenen Fällen kann die Homogenisierung auchaußerhalb von PERMAS erfolgen. Dann werden dieresultierenden A-, B-, D- und G-Matrizen direkt ein-gelesen.

Für die Berechnung stehen nicht nur lineare Ana-lysen (wie in Abb. 155), sondern auch nichtlineareAnalysen wie Beulen (siehe Abb. 156) zur Verfü-gung.

Abbildung 156: Nichtlineares Beulenmit Nachbeulverhalten für eine laminierte Zylinderschale

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Die Berechnung liefert primär Elementkräfte, auswelchen die Schichtspannungen und Dehnungenermittelt werden. Diese Werte stehen jeweils in derMitte der einzelnen Schichten zur Verfügung. Wennman die Spannungen zwischen den Schichten be-nötigt, kann man eine Schicht der Dicke Null einfü-gen.

Für die weitere Verarbeitung der Spannungen sindeine Reihe von Versagenskriterien für Laminat-schichten verfügbar. Neben den Kriterien Hoffmanand Tsai-Wu können Versagenskriterien auch überein Benutzer-Unterprogramm definiert werden.

Abbildung 157: Qualitätdes verfeinerten Schweißpunktmodells

PERMAS-WLDS – Schweißpunktmodell

Die Modellierung von Schweißpunktverbindungenist auf Seite 61 beschrieben. Damit wird eine guteAbbildung der globalen Steifigkeit erreicht.

Die einzelnen Schweißpunktkräfte können aber ent-lang einer Schweißlinie sehr stark variieren, weil

sich u.a. Diskretisierungseffekte durch die inkompa-tibel vernetzten Flansche auswirken.

Dieses Modul bietet nun ein verfeinertes Schweiß-punktmodell an, das durch sehr geringe Schwan-kungen der Schweißpunktkräfte und eine verbes-serte Abbildung der Steifigkeit gekennzeichnet ist(siehe Abb. 157). Dies wird u.a. dadurch erreicht,dass das verwendete Modell mit Hilfe einer Kalibrie-rung über ein Volumenmodell entwickelt wurde.

PERMAS-GINR – Generalisierter InertiaRelief

Inertia Relief führt eine quasistatische Berechnungeines freien und nicht gelagerten Körpers durch(siehe Seite 78). Die Struktur erfährt eine Starr-körperbeschleunigung, was zu einem statischenGleichgewicht zwischen Trägheitskräften und auf-gebrachten Lasten führt. Die Berechnung ermitteltabsolute und keine relativen Verschiebungen (sieheAbb. 158).

Wie im Falle von aerodynamischen Lasten kann ei-ne sogenannte Lastkorrekturmatrix zusätzlich spe-zifiziert werden, die bei der generalisierten Inertia-Relief-Berechnung berücksichtigt wird.

Abbildung 158: Verschiebungen einer Raketeunter Antrieb und Eigengewicht

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

PERMAS-EMS – Elektro-/Magnetostatik

Dieses Modul erlaubt die Durchführung elektrostati-scher und magnetostatischer Berechnungen. Letz-tere können auch mit Hilfe einer zuvor berechnetenstationären Stromverteilung erfolgen. Die Berech-nung selbst erfolgt auf der Basis eines Skalarpoten-tials für das elektrische Feld und eines Vektorpoten-tials für das magnetische Feld.

Vielfältige Lastbeschreibungen werden unterstützt.

Die Bestimmung und Behandlung von Singularitä-ten erfolgt analog dem Vorgehen in der Statik (sieheSeite 64).

Die von einem elektrischen Feld induzierten Wär-mequellen können für eine nachfolgende Wärme-leitungsberechnung verwendet werden (siehe dazuSeite 87). Daraus könnten sich wiederum Wärme-spannungen ergeben, die sich dann mit einer sta-tischen Analyse ermitteln lassen (siehe dazu Seite78).

Abbildung 159: Elektrischer Stromin einer Leitungsverzweigung

Die von einem magnetischen Feld induzierten Kräf-te können für eine nachfolgende Statikberechnungverwendet werden (siehe dazu Seite 78).

PERMAS-EMD – Elektrodynamik

Die Lösung der Maxwell-Gleichungen steht für ver-schiedene Problemklassen zu Verfügung:

• Wirbelströme• Induktionsprobleme (siehe Abb. 160)

• Eigenwertaufgaben• Wellenausbreitung• Allgemeine Elektrodynamik

Alle statischen Lasten sind für die Dynamik anwend-bar (wie vorgeschriebene Potentiale). Die Definitionerfolgt durch die Angabe statischer Lastfälle und ge-eigneter Zeitfunktionen wie in der Strukturdynamik(siehe Seite 93).

Abbildung 160: Beispiel für elektrodynamische In-duktion,Modell und magnetische Feldstärke (oben), induzierter

Wärmefluss und, plastische Dehnungen (unten).

Die Kopplung zwischen Elektrodynamik, Wärmelei-tung und Statik mit nichtlinearem Materialverhaltenwird in einem einzigen Modell durchgeführt, das die-selben Elemente für die verschiedenen Berechnun-gen verwendet. Dadurch sind keine Schnittstellenund ist kein Mapping erforderlich, um die Berech-nungen zu koppeln.

PERMAS-XPU – GPU-Beschleuniger

Das Modul XPU unterstützt die GPU von Nvidia(Tesla K20/K40/K80 [c/m/x] und P100 [c/m/x] mitCUDA Version 7/8/9, wobei P100 CUDA 8 für vol-le Leistung benötigt) zur Beschleunigung von re-chenzeitgebundenen Analysen durch die Integra-tion in das bestehende Parallelisierungskonzeptvon PERMAS. Dazu muss die S64-Version vonPERMAS verwendet werden (siehe auch Seite 121

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

für die unterstützten Betriebsarten in PERMAS),weil der effiziente Einsatz der GPU mindestens 32GB Memory im verwendeten Computer benötigt.Die Beschleunigung ist besonders attraktiv für re-chenzeitintensive Analysen wie die Eigenwertanaly-se für sehr viele Moden, die direkte Frequenzgang-analyse für gekoppelte Fluid-Struktur-Modelle undgroße Modelle mit Normalkontakt.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Schnittstellen

PERMAS-MEDI – MEDINA-Door

Diese Schnittstelle liest direkt die MEDINA-Datenschiene mit dem Modell (.bif) und schreibt dieErgebnisse dorthin zurück (.bof).

Alle MEDINA-Elemente und fast alle MPCswerden nach PERMAS übersetzt (siehe Seite62). Neben Komponenten können Situationenmit Randbedingungs- und Lastvarianten definiertwerden (siehe Seite 58).

Für die Modelltests in MEDINA ist es entscheidend,dass Elementtests aus PERMAS in MEDINA inte-griert wurden. Damit kann weitgehend sichergestelltwerden, dass ein in MEDINA geprüftes Modell dieTests in PERMAS passiert.

Die bauteilbezogene Arbeitsweise über inkompati-ble Kopplung von Linien/Flächen wird unterstützt.Insbesondere wird auch die automatisierte Model-lierung von Schweißpunktverbindungen durch dasSPOTWELD-Element in MEDINA unterstützt (sieheSeite 61).

Die Schnittstelle unterstützt folgende Analysearten:• Lineare/nichtlineare Statik,• Kontaktanalyse,• Dynamische Eigenwertanalyse,• Wärmeleitung,• Fluid-Struktur Akustik (Basismodellierung und

Ergebnisauswertung,• Elektromagnetik (Basismodellierung und Ergeb-

nisauswertung.

Die Schnittstelle wird laufend an die aktuellen Ver-sionen von MEDINA angepasst.

PERMAS-PAT – PATRAN-Door

Diese Schnittstelle liest direkt die PATRAN-Datenbasis mit dem Modell und schreibt dieErgebnisse auf PATRAN-Ergebnisdateien.

Die Modellierung erfolgt durch die Definition eigenerPreferences maßgeschneidert für PERMAS. EigeneSolvermenüs, die auch vom Benutzer konfigurier-bar sind, unterstützen Standardanwendungen direkt

aus PATRAN heraus. Folgende Modellbestandteilewerden übernommen:

• Alle gemeinsamen Elemente,• Alle Lasten einschl. Trägheitslasten,• Alle kinematischen Zwangsbedingungen in

PERMAS,• Sets,• Teilstrukturdefinitionen,• Variantenbeschreibungen.

Die Schnittstelle unterstützt folgende Analysearten:

• Lineare/nichtlineare Statik• Kontaktanalyse• Dynamische Eigenwertanalyse• Wärmeleitung• Fluid-Struktur Akustik

Auch für andere Freiheitsgrad-Typen wie elektri-sches/magnetisches Potential können die Modellevorbereitet werden.

PERMAS-ID – I-DEAS-Door

Diese Schnittstelle übernimmt auf der Basis der I-DEAS Universalfiles folgende Modellbestandteile:

• Alle gemeinsamen Elemente• Axisymmetrische Modelle• Alle Lasten einschl. Trägheitslasten• Viele lineare kinematische Zwangsbedingun-

gen, wie ’rigid elements’ und ’coupled dofs’• Laminatbeschreibung• Sets• Teilstrukturdefinitionen• Variantenbeschreibungen

Die Schnittstelle unterstützt folgende Analysearten:

• Lineare/nichtlineare Statik• Kontaktanalyse• Dynamische Eigenwertanalyse• Wärmeleitung

Auch für akustische und elektromagnetische Analy-sen können die Modelle in I-DEAS vorbereitet wer-den.

Diese Schnittstelle kann auch Ergebnisdaten vomUniversalfile lesen. Damit können experimentelleErgebnisse einer Experimentellen Modal-Analyse

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Abbildung 161: Eigenform einer Abgasanlage

(EMA) in PERMAS eingelesen und mit Berech-nungsergebnissen verglichen werden (siehe auchSeite 41).

PERMAS-AD – ADAMS-Interface

Reines Postprocessing-Interface zur Ausgabe vonModelltopologie und massennormierten Schwin-gungseigenformen. Dazu werden generalisierteSteifigkeiten und Massen sowie gegebenenfalls sta-tische Verschiebungseigenformen für die Weiterver-arbeitung in ADAMS bereitgestellt.

Die gemeinsame Orthogonalisierung von statischenund dynamischen Moden kann auch sehr effizient inPERMAS durchgeführt werden (siehe auch ModulDEV, Seite 90).

Zusätzlich ist es möglich, statisch oder dynamischkondensierte Modelle nach ADAMS auszugeben.Dabei kann auch die automatische Teilstrukturtech-nik mit MLDR verwendet werden (siehe Seite 92).

Die Ausgabe geschieht im entsprechenden Formatab ADAMS Version 9.

PERMAS-EXCI – EXCITE-Interface

Postprocessing-Interface zur Ausgabe von Modell-topologie, massennormierten Schwingungseigen-formen und kondensierten Matrizen. Diese Schnitt-stelle wurde für die EXCITE Version 2013-2 mit Ex-bAPI_V2.0 entwickelt.

Ein spezielles Kommando ist verfügbar, mit dem

nach der Eigenwertanalyse eines reduzierten fle-xiblen Bauteils Massen- und Steifigkeitsmatrix ge-mäß einer Benutzervorgabe so verändert werdenkönnen, dass sich eine Verschiebung einzelner Ei-genwerte ergibt. Das veränderte reduzierte Systemwird dann nach EXCITE exportiert. Damit lässt sichdie Wirkung solcher geänderter Teile in EXCITE un-tersuchen, ohne dazu das FE-Modell des Bauteilszu ändern.

Eine gefilterte Rücktransformationsmatrix kannexportiert werden, die nach einer EXCITE-Berechnung verwendet werden kann.

Der Export kann auch in einem gezippten Formaterfolgen (durch gzip), um den Umfang der ausge-tauschten Daten zu reduzieren.

Ergebnisse aus EXCITE können jetzt in PERMASimportiert werden, um weitere Ergebnisse zu be-rechnen (siehe Abb. 17).

PERMAS-SIM – SIMPACK-Interface

Postprocessing-Interface zur Ausgabe von Modell-topologie, massennormierten Schwingungseigen-formen und kondensierten Matrizen für SIMPACKVersion 9.

• Auf der Basis eines Teilstrukturmodells.• Statische Kondensation mit PERMAS.• Auch mit dynamischer Kondensation möglich.• Oder, besonders interessant, mit automatischer

Teilstrukturtechnik mit Hilfe von MLDR (sieheSeite 92).

• Ausgabe von Steifigkeit/Masse/usw. auf derEbene der Top-Komponente.

• Auch Ausgabe von Matrizen zur geometrischenSteifigkeit.

• Für die Darstellung der Struktur in SIMPACKkann das unkondensierte Netz ausgegebenwerden.

PERMAS-HMS – MotionSolve-Interface

Postprocessing-Interface zur Ausgabe von Modell-topologie, massennormierten Schwingungseigen-formen mit Eigenwerten und die Knotenmassen.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Diese Schnittstelle wurde für die HyperWorks-Version 11 entwickelt.

PERMAS-H3D – HYPERVIEW-Interface

Postprocessing-Interface zur Ausgabe von Modell-topologie und Ergebnissen ab HYPERVIEW Version8. Es stehen Ausgabeformate für HYPERVIEW Ver-sion 8 und 11 bereit.

Dabei werden Ergebnisse aus Statik, Kontaktana-lyse, nichtlinearen Analysen, Dynamik, Akustik undWärmeleitung unterstützt. Das Format umfasst al-lerdings keine xy-Daten.

PERMAS-VAO – VAO-Interface

Postprocessing-Interface zur Ausgabe von Modell-topologie, massennormierten Schwingungseigen-formen und Dämpfungsmatrizen für Verschiebungs-und Druckfreiheitsgrade nach VAO.

PERMAS-VLAB – Virtual.Lab-Interface

Postprocessing-Interface zur Ausgabe von Modell-topologie und Ergebnissen nach Virtual.Lab:

• Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleu-nigungen,

• Starrkörper-Verschiebungsformen,• Assemblierte Lasten,• Reaktionskräfte,• Spannungen,• Dehnungsenergie,• Kinetische Energie,• Schallabstrahlungsleistung.

Die gemeinsame Orthogonalisierung von statischenund dynamischen Moden kann auch sehr effizient inPERMAS durchgeführt werden (siehe auch ModulDEV, Seite 90).

PERMAS-ADS – ADSTEFAN-Interface

Preprocessing-Schnittstelle zur Eingabe von Tem-peraturfeldern aus einer Gießsimulation mit AD-STEFAN. Die Schnittstelle überträgt die Tempe-raturfelder auf das aktuelle FE-Netz. Damit wirdeine nachfolgende lineare oder nichtlineare stati-sche Analyse der Spannungsentwicklung währenddes Abkühlvorgangs ermöglicht. Diese Schnittstellewurde für die ADSTEFAN Version 2015 entwickelt.

PERMAS-MAT – MATLAB-Interface

Postprocessing-Interface zur Ausgabe von Modell-topologie und Matrizen.

Häufig wird MATLAB für den Entwurf von Reglernverwendet. Soweit es sich dabei um lineare Regel-systeme handelt, können diese auch weitgehend indas PERMAS-Modell übernommen werden.

Darüberhinaus können (insbesondere nichtlineare)Regler aus MATLAB in eine dynamische Berech-nung übernommen werden, in dem eine entspre-chende PERMAS Benutzerfunktionen als Unterpro-gramm (in C oder FORTRAN) eingebunden wird.

PERMAS-NAS – NASTRAN-Door

Das NASTRAN-Door liest und überprüft NASTRANkompatible Eingabefiles und setzt diese direkt in in-terne PERMAS-Datenstrukturen um.Die wichtigsten Fähigkeiten des NASTRAN-Doorssind:

• Folgende Bulk Data Formate werden unter-stützt: Small Field, Large Field und Free Field(mit sämtlichen Generierungsmöglichkeiten).

• Auch Executive und Case Control Section sowiealle global gültigen Kommandos werden über-setzt.

• Entsprechend den Bulk Data Modelldatenund den Case Control Selektionen werdenPERMAS- Komponenten und -Situationen gebil-det.

• NASTRAN-Identifikatoren werden übernom-men. So bleiben z.B. Element-, Knotenpunkts-

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

und SET-IDs erhalten und werden als PERMAS-Identifikatoren weiter verwendet.

• Automatische Generierung von Fortsetzungs-Labeln mit NASTRAN-kompatiblen Labeln.

• Effiziente Sortierung der Bulk Data Karten miteiner maschinenunabhängigen Sortierreihenfol-ge.

• NASTRAN-kompatible Echo-Ausgaben.• Sehr sorgfältige Fehlertests:

– Die bekannten NASTRAN Befehle werden er-kannt und lexikalisch analysiert.

– Alle unterstützten Kommandos werden kom-plett auf falsche, fehlende oder widersprüch-liche Argumente überprüft.

• Zusätzliche Möglichkeiten:– Ergebnisse können über die Subcase- oder

über die Load-ID angesprochen werden.– Freie Kommentare auch auf Fix Field Einga-

ben.– Beim INCLUDE-Kommando sind mehrere

File-Ebenen erlaubt.

Eine Besonderheit des NASTRAN-Doors ist die Fä-higkeit auch Steuerdaten mit zu übernehmen.

• Eingaben wie Solution-ID, Ausgabeanforderun-gen und die Auswahl von Methoden werden inTask-Kontrollstrukturen überführt, die der Einga-be äquivalenter PERMAS-Kommandos entspre-chen.

Diese sogenannte NASTRAN-Task kann durch einspezielles PERMAS-Kommando angestoßen wer-den.

Für einen NASTRAN kompatiblen Lauf genügtein einfacher Kommando-File mit nur 4 Kom-mandos (siehe Abbildung). Mit diesem File kön-nen NASTRAN-Decks ohne jegliche Zusatzeingabeausgeführt werden.

Weitere Fähigkeiten dieser NASTRAN-Task sind:

• Automatische Rückübersetzung und Ausga-be der internen Task-Instruktionen in KlartextPERMAS-Befehle (UCI).

• Der Benutzer kann zwischen einer auto-matischen Absteuerung (Steuerdaten desNASTRAN Eingabefiles) und einer explizitenAbsteuerung wählen.

• Die NASTRAN-Task kann durch zusätzlicheKommandos ergänzt werden.

• Einzelne NASTRAN-Subcases können gezieltausgewählt und unabhängig von den anderen

STOP

NEWEXEC; NASTRAN Solution

Process

UCI

Door

PRO

NASTRAN

OtherExport

PERMASPrint Export

PERMAS

DAT

PERMASDataBase

post

NAS

RES

DoorPERMAS Other

Doors

Abbildung 162: Start der NASTRAN-Task

Subcases behandelt werden.• Folgende Solutions werden gegenwärtig

unterstützt:– Linear Static,– Normal Modes Analysis,– Direct Frequency Response,– Direct Transient Response,– Modal Frequency Response und– Modal Transient Response.

• Unterstützte Parameter, die sich auf die Ab-steuerung auswirken, werden ebenfalls ausge-wertet.

Außerdem ist die Anwendung der NASTRAN-Tasknicht auf die reine NASTRAN-Door Eingaben be-schränkt. Selbst wenn Eingaben über andere Input-Doors (z.B. PERMAS DAT-File) hinzugefügt werden,kann der Benutzer seine NASTRAN-Steuerbefehleautomatisch ausführen.

Eine Ausgabemöglichkeit im OUTPUT2-Format istverfügbar. Das Modell umfasst Elemente, Knotenund lokale Koordinatensysteme. Die Ergebnisseumfassen Verschiebungen, dynamische Eigenfor-men, Starrkörpermoden und Reaktionskräfte.

PERMAS-ABA – ABAQUS-Door

Das ABAQUS-Door liest und überprüft ABAQUS-kompatible Eingabefiles und setzt diese direkt in in-terne PERMAS-Datenstrukturen um.

Als direkte Schnittstelle zwischen zwei Berech-

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

nungsprogrammen besitzt sie den Vorteil, die physi-kalische Bedeutung der Abaqus-Kommandos wäh-rend der Übersetzung zu berücksichtigen. Dem An-wender wird auch die Möglichkeit geboten, dasÜbersetzungsverhalten individuell zu konfigurieren.

Das Abaqus-Door unterstützt eine große Anzahlvon Modell- und Belastungsdaten und bietet dar-über hinaus wichtige Informationen und themati-sche Übersichten, die zur Qualitätssicherung desÜbersetzungs- und Berechnungsprozesses dienen,z.B. eine Übersichtstabelle zum Analyseverlauf (sie-he Abb. 163).

Abbildung 163: Übersicht zum Analyseverlauf

Die unterstützten Analyseprozeduren sind:

• lineare und nichtlineare statische Analysen,• stationäre Wärmeleitungsberechnungen,• Eigenfrequenzanalysen,• modale Frequenzganganalysen.

Folgende Modelleigenschaften werden unterstützt:

• Massen-, Balken-, Stab-, Feder-, Dämpfer-, 2D-,3D-, Gasket- und sog. Konnektorelemente,

• Lokalsysteme und Transformationen,• verschiedene Kopplungsbedingungen,• Vorspannung,• anisotrope und temperaturabhängige Material-

daten,• Eigenschaften und Materialdaten von Dich-

tungselementen,• viele Spezifikationen für Kontaktbeschreibun-

gen,• thermische Konvektion und Strahlung,• statische Lasten und Randbedingungen, auch

Zentrifugal- und Trägheitslasten,• vollständige Beschreibung der Lastgeschichte

von unterstützten Analyseprozeduren,• dynamische Lastdefinitionen mit Real- und Ima-

ginärteil,• Unterstützung der Teilstrukturtechnik,

Für die sofortige Visualisierung und Untersuchungdes eingelesenen Modells eignet sich VisPERam Besten. Falls einige Modelleigenschaften nicht

übertragen wurden, dann kann VisPER auch dazudienen, das PERMAS-Modell zu ergänzen.

PERMAS-CCL – MpCCI-Kopplung

Die Einbindung der Kopplungsbibliothek MpCCIerlaubt die Kopplung von PERMAS zu CFD-Programmen, wie es im Abschnitt zu MpCCI aufSeite 75 beschrieben steht.

Weitere Schnittstellen

Neben den bisher beschriebenen Schnittstellen gibtes noch weitere Schnittstellen zu PERMAS, die vonanderen Softwarehäusern entwickelt wurden, umPERMAS an ihre Software anzubinden. Die folgen-de Liste enthält natürlich nur die Schnittstellen, vondenen wir vor Drucklegung der Produktbeschrei-bung erfahren haben. Die Liste muss also nichtvollständig oder korrekt sein. Jedenfalls sind dieseSchnittstellen nicht Bestandteil von PERMAS undzu ihrer Funktionalität sind die jeweiligen Entwickleranzusprechen.

• Animator3 von GNS (www.gns-mbh.com) :Das Postprozessing von PERMAS-Ergebnissenerfolgt über das MEDINA-Format.

• ANSA von BETA CAE Systems (www.beta-cae.gr) : ANSA unterstützt das PERMAS-Eingabeformat und das MEDINA-Format (.bif,.bof) für das Postprozessing mit dem µETA Post-prozessor.

• Digimat (e-Xstream, www.e-xstream.com) :Die Schnittstelle generiert PERMAS Materialda-ten für Spritzgussteile.

• Ensight von CEI (www.ensight.com) : DieserPostprozessor liest die Ergebnisse direkt vonPERMAS-Dateien.

• Evaluator von GNS (www.gns-mbh.com) :Dieser Report-Generator liest die Ergebnisse di-rekt von PERMAS-Dateien.

• FE-Fatigue von nCode (www.ncode.com) :Der Datenaustausch ist auf der Basis desMEDINA-Formats möglich.

• FEGraph von vMach Engineering(www.vonmach.com) : Diese Software kanndirekt als Postprozessor für PERMAS-Daten

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

verwendet werden.• FEMFAT von MAGNA POWERTRAIN

(www.femfat.com) : Die Verbindung zwischenPERMAS und FEMFAT kann auf der Basisdes MEDINA-Exports in PERMAS erfolgen, daFEMFAT das gleiche Format unterstützt.

• HyperMesh von Altair (www.altair.com) : Die-se Schnittstelle unterstützt das PERMAS-Eingabeformat. Es ergänzt das PERMAS-ModulH3D (siehe Seite 117), welches die Ausgabezum Postprozessing mit HyperView übernimmt.

• MAGMAlink von MAGMA(www.magmasoft.de) : Diese Software istein Modul zur Übertragung von Ergebnissenaus der Fertigungssimulation mit MAGMASOFTauf FE-Netze für die Festigkeitsberechnung.

• Materialdatenbank MARLIS von M-Base(www.m-base.de, www.marlis-cae.com) :Diese Materialdatenbank enthält Kennwertevon Stahlblechwerkstoffen und kann dieseWerte als PERMAS-Materialbeschreibungausgeben.

• Siemens NX (Siemens PLM Software,www.siemens.com/NX ) : FE-Modelle, die inNX generiert wurden, können nach PERMASmit einer Schnittstelle exportiert werden, die vonDr. Binde Ingenieure entwickelt wurde (siehewww.drbinde.de/index.php/de/leistungen-menu/produkte/174-permas).PERMAS-Ergebnisse können in NX über eineSchnittstelle von Siemens PLM Softwareausgewertet werden, die von VKI entwickeltwurde(siehewww.vki.com/2013/Products/VdmTools.html).

• SimLab von Altair (www.altair.com) : DieserPreprozessor verfügt über eine Schnittstelle imPERMAS-Eingabeformat.

Alle genannten Produkt- und Herstellernamen ge-hören Ihren Besitzern. Die Erwähnung erlaubt nichtden Schluss, dass diese Namen nicht geschützt sei-en.

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Installation und mehr

Unterstützte Rechnersysteme

Für PERMAS werden die folgenden Rechnersyste-me unterstützt:

Prozessor BetriebssystemPC x86(_64) LINUX Debian 8/9,

LINUX Ubuntu 14.04/16.04/18.04,LINUX RedHat EL6/EL7,LINUX SuSE 11/12/15and compatiblesNvidia GPU(siehe Seite 113)

PC x86_64 Windows 7/10 64 bit

Für VisPER werden die folgenden Rechnersystemeunterstützt:

Prozessor BetriebssystemPC x86(_64) LINUX glibc ≥ 2.5,

NVIDIA graphicsPC x86_64 Windows 7/10 64 bit

Welche Plattformen mit welchen Betriebssystem-versionen jeweils unterstützt werden, befindet sichin ständiger Entwicklung und muss im Einzelfall überden Kontakt auf der letzten Seite dieser Kurzbe-schreibung erfragt werden.

Die in dieser Kurzbeschreibung aufgeführten Funk-tionen sind in der Regel auf allen unterstützten Platt-formen verfügbar. Dabei sind Ausnahmen durchausmöglich (z.B. bei Parallelisierung, CFD-Kopplung,Schnittstellen mit fremden Programmbibliotheken(z.B. H3D, VLAB), usw.). Deshalb ist auch hier imEinzelfall eine Rückfrage über den auf der letztenSeite dieser Kurzbeschreibung genannten Kontaktzu empfehlen.

PERMAS erlaubt die volle Ausnutzung der 64 Bit-Architektur moderner Prozessoren. Insgesamt ste-hen folgende Betriebsarten zur Verfügung:

• 64 bit Betriebssystem:– D64: Doppeltgenaue Fließpunktarithmetik

auf 32 Bit Maschinenworten mit einem nutz-baren Zentralspeicher bis etwa 7 bis 8 GB.

– S64: Einfachgenaue Fließpunktarithmetik auf64 Bit Maschinenworten mit einem praktischunbegrenzten Zentralspeicher (empfohlenesMinimum ist 16 GB).

Lizensierung

Die folgenden Lizensierungsarten sind verfügbar:

• Nodelock-Lizenz: Die Software kann nur aufeinem Rechnerknoten ausgeführt werden. Die-se Lizenzierungsart ist nur als Spezialfall derFloating-Lizenz verfügbar.

• Floating-Lizenz: Die Software kann auf einemRechner-Netzwerk ausgeführt werden, wobeieine festgelegte Anzahl von Lizenzen auf belie-bigen Knoten des Netzwerks verwendet werdenkann.

Für Floating- und Nodelock-Lizenzen ist der Li-zenzmanager für die gesamte Buchhaltung allerLizenzinformationen verantwortlich. Dabei werdenverschiedene Server-Architekturen unterstützt:

• Einzelserver: Dabei arbeitet der Server unab-hängig von anderen Servern im Netz und jederServer hat seine eigenes Lizensierungssystem.

• Multiserver: Dieses System besteht aus dreiServern, wobei zwei verfügbar sein müssen.Dabei hat jeder dieser Server die gesamte Li-zenzinformation.

Zur Verwaltung der Lizenzserver steht eine WEB-Schnittstelle zur Verfügung.

Wartung und Portierung

PERMAS wird laufend gewartet und verbessert. ImRahmen eines kontinuierlichen Verbesserungspro-zesses ist die aktuelle Version die jeweils beste.Täglich werden zahlreiche Software-Tests durchge-fahren und ihre Ergebnisse überprüft.

Alle eingehenden Problemberichte werden mit ei-nem speziellen Verwaltungssystem (GNATS) er-fasst und an den Verantwortlichen weitergeleitet. Je-de daraus resultierende Korrektur führt zu einer ein-deutig identifizierbaren Version der Software. Soll-te ein Problem, das bei INTES bereits behoben ist,beim Anwender nicht umgehbar sein, wird die ver-besserte aktuelle Version nachgeliefert.

Alle paar Wochen wird der Technical Newsletteraktualisiert, welcher die vorgenommenen Software-Korrekturen, ihren Anlass sowie evtl. Umgehungs-möglichkeiten auflistet. Er enthält auch wichtige Pro-blemlösungen für häufig gestellte Fragen. Er wird

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PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

auf der INTES-Homepage in einem für Kunden re-servierten Bereich veröffentlicht (siehe nächster Ab-schnitt). Kunden können den Technical Newsletterauch abonnieren und erhalten ihn dann automatischper E-Mail zugeschickt.

In der Regel wird alle 2 Jahre ein größerer Entwick-lungsschritt als neue Version an alle Kunden mit ei-nem Miet- oder Wartungsvertrag ausgeliefert. Damitverbunden ist auch die Neulieferung der benötigtenDokumentation. Kunden können sich nach einer Re-gistrierung die neuen Versionen direkt herunterla-den.

Bei neuen Versionen des jeweils verwendeten Pre-und Postprozessors steht meist ohne großen zeit-lichen Verzug die angepasste PERMAS-Versionzur Verfügung. Sobald wichtige Änderungen in derKompatibilität bekannt werden, werden die Anwen-der benachrichtigt.

Benutzerunterstützung

Für PERMAS-Anwender stehen eine Reihe von In-formationsquellen zur Verfügung:• Dokumentation,• Schulung,• Support-Plattform auf der INTES-Homepage,• Hotline-Service über Telefon und E-Mail.

Insbesondere die Support-Plattform auf der INTES-Homepage enthält aktuellste Informationen zuPERMAS und stellt eine stetig wachsende Informa-tionsquelle dar:• Technical Newsletter mit Informationen zu auf-

getretenen Software-Problemen, ihrer Umge-hung und Behebung.

• PERMAS User and Support Forum zum Aus-tausch von Informationen zwischen INTES undden Anwendern sowie zwischen den Anwen-dern untereinander.

• Downloads.• PERMAS Documentation Templates zur eige-

nen Organisation von Workflow und Standard-PERMAS-Prozeduren.

• Informationen zur Administration von PERMAS-Lizenzen, wenn z.B. ein Rechnerwechsel an-steht.

Zusätzliche Werkzeuge

Zur Unterstützung der Anwendung von PERMASbietet INTES auch einige zusätzliche Werkzeuge alsPERMAS-Tools an, welche aber nur unter Linux-und Windows-Systemen verfügbar sind. Diese um-fassen:

• PERMAS control center : Eine grafische Ober-fläche, um PERMAS oder VisPER zu startenund mit den wichtigsten Parametern zu verse-hen (siehe Abb. 164). Sie unterstützt auch diefolgenden Aktivitäten:– Öffnet und editiert eine bestehende PERMAS

Steuerdatei (.uci) oder erzeugt eine neue.– Öffnet und zeigt PERMAS-Protokoll- und

Ergebnis-Dateien (.pro/.res).– Archiviert einen kompletten Rechenjob über

das Skript pack_permas_job, das alle Steuer-und Eingabe-Dateien der aktuellen Steuer-Datei zusammenpackt und archiviert.

– Extrahiert vollständige Beispiele aus demPERMAS Beispiel-Handbuch zur Ausführungund Untersuchung.

Abbildung 164: PERMAS Control Center

• pyINTES : Die INTES-Tools sind vollständig inPython geschrieben. Mit pyINTES steht ein voll-ständiges Python-System zur Verfügung, mitdem die vorhandenen Skripte problemlos aus-geführt werden können. Derzeit nutzt pyINTESauch Miniconda2 von Continuum Analytics, daseine ganze Reihe von zusätzlichen Python-Tools bereitstellt.

• PERMASgraph : Eine grafische Oberfläche zurDarstellung von xy-Diagrammen mit entspre-chenden Ergebnissen aus PERMAS, MEDINAoder PATRAN,

Seite 122 © INTES GmbH Stuttgart

Page 123: PERMAS Produktbeschreibung V17 - INTES · PERMAS-NAS – NASTRAN-Door 117 PERMAS-ABA – ABAQUS-Door 118 PERMAS-CCL – MpCCI-Kopplung 119 Weitere Schnittstellen 119 Installation

PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

PERMASgraph unterstützt folgende Dateifor-mate:– das PERMAS-eigene Format (.post oder

.post.gz),– in MEDINA-Format (.bif, .bof),– in PATRAN-Format,– in CSV-Format (wie von PERMAS im

Spreadsheet-Format ausgegeben; .csv).Die Diagramme können auch in verschiedenenFormaten gespeichert werden:– Portable Network Graphics (.png),– Encapsulated PostScript (.eps),– PostScript (.ps),– Portable Documents Format (.pdf),– Microsoft Excel File Format (.xls).Die Diagramme können auch auf einem lokalenDrucker ausgegeben werdenZusätzliche Werkzeuge stehen für spezielleAusgabeoperationen zur Verfügung:– Addition bzw. Subtraktion von Kurven,– Fourier-Transformation.Spezielle Auswerte-Operationen sind ebenfallsverfügbar:– Analyseprogramm für die Kopplung von Flä-

che zu Fläche,– Analyseprogramm für potentielle und kine-

tische Energien einer gekoppelten Fluid-Struktur-Berechnung,

– Analyseprogramm für modale Anteilsfakto-ren,

– Analyseprogramm für Dehnungs- und Bewe-gungsenergie (siehe Beispiel in Abb. 129).

• die Integration externer Verwaltungstools (wieOpen Grid Engine) in PERMAS für eine best-mögliche Auslastung aller vorhandenen Maschi-nen verbunden mit einer Minimierung des Admi-nistrationsaufwandes. Damit wird die Lastvertei-lung und Job-Verwaltung erleichtert, insbeson-dere auch beim Einsatz von parallelen Anwen-dungen mit PERMAS.

• den schnellen und komfortablen Editor INTES-EMACS mit Online-Help und Dokumentationfür verschiedene Dateiformate, sowie Email-Service. Dieses Zusatzwerkzeug bietet u.a. fol-gende Vorteile:– Einheitliche Editierumgebung auf nahezu al-

len, von PERMAS unterstützten Hardware-Plattformen.

– Nutzung von Funktionstasten und Numeric-Keypad anstelle von Control- und Escape-

Sequenzen.– Kontextabhängige Help-Funktionen und

Online-Zugriff auf die gesamte PERMAS-Dokumentation.

• das Hotline-Meldesystem OTRS für die Mel-dung von Anwenderproblemen per E-mail.

Abbildung 165: INTES-Emacs mit Kontext-Hilfe

Die PERMAS Tools stehen allen Anwendern vonPERMAS zur Verfügung. INTES bietet dazu auchdie Konfiguration und Anpassung an die Umgebungdes Kunden an sowie die erforderliche Schulung.

Dokumentation

$MPC JOIN

2 General Description of Data Input

Pairwise Identical DisplacementsAll degrees of freedom ddof at node did are forced to have the same displacements (or temperature

etc.) as corresponding degrees of freedom at node gid. If node sets didset and gidset are given the

constraint condition is valid for pairs of corresponding nodes.$MPC JOIN DPDOFS = tuple(ddof)h

DOFTYPE = doftypei

Parameter Type Value ExplanationDPDOFS I > 0 ddof Identifiers of dependent degree(s) of freedom, separated by

commas.

DOFTYPE name doftype Degree of freedom type. Default see description of

$ENTER COMPONENT line, page 2-9, remark 5.

Data lines:

mpcid

(gid : didgidset : didset

)Item(s)

Type Explanation

mpcidI > 0 Identifier of multipoint constraint condition.

gidI > 0 Identifier of node with guiding degree(s) of freedom.

gidsetname Name of ordered set with nodes with guiding degrees of freedom.

didI > 0 Identifier of node with dependent degree(s) of freedom.

didsetname Name of ordered set with nodes with dependent degrees of freedom.

Remarks:

1. MPC identifier must be unique within one component.

2. If sets are given node pairs are formed according to the sequence of nodes in the sets. Both

sets must be ordered sets containing the same number of items.

3. Dependent degrees of freedom form an own family of physical degrees of freedom, therefore

they cannot be declared as suppressed, prescribed or external. Of course a degree of freedom

may appear only once as dependent degree of freedom, but can be used as guiding degree

of freedom in other MPC conditions.4. MPC conditions may not be recursive.

2.3.1993

2-40

User’s Reference Manual

$MPC IQUADx 2 General Description of Data Input

Quadrilateral Interpolation Surface

All degrees of freedom ddof at all nodes given by did and didset are forced to have displacements (ortemperatures etc.) which are determined by interpolation of the corresponding values at the guidingnodes gid.

$MPC

8><>:IQUAD4IQUAD8IQUAD9

9>=>; DPDOFS = tuple(ddof)h

DOFTYPE = doftypei

Parameter Type Value Explanation

IQUAD4 Bilinear interpolation, 4 guiding nodes.IQUAD8 Blended quadratic interpolation, 8 guiding nodes.IQUAD9 Biquadratic interpolation, 9 guiding nodes.DPDOFS I > 0 ddof Identifiers of dependent degree(s) of freedom, separated by

commas.DOFTYPE name doftype Degree of freedom type. Default see description of

$ENTER COMPONENT line, page 2-9, remark 5.

Data lines:

mpcid list(gid) : list(

(did

didset

))

Item(s) Type Explanationmpcid I > 0 Identifier of multipoint constraint condition.gid I > 0 Identifier of node with guiding degree(s) of freedom.did I > 0 Identifier of node with dependent degree(s) of freedom.didset name Name of set with nodes with dependent degrees of freedom.

Remarks:

1. MPC identifier must be unique within one component.

2. The coordinates of the guiding nodes define a isoparametrically curved quadrilateral surfaceas interpolation element. Dependent nodes should be located as close as possible on theinterpolation element surface, otherwise erroneous results may arise, e.g. overall imbalance ofexternal loads and reactions. In any case, the interpolation uses the normal projection of thedependent nodes onto the interpolation element.

2.3.19932-36 User’s Reference Manual

$MPC IQUADx

2 General Description of Data Input

Quadrilateral Interpolation Surface

All degrees of freedom ddof at all nodes given by did and didset are forced to have displacements (or

temperatures etc.) which are determined by interpolation of the corresponding values at the guiding

nodes gid.

$MPC

8><>:IQUAD4

IQUAD8

IQUAD9

9>=>; DPDOFS = tuple(ddof)

hDOFTYPE = doftyp

ei

Parameter Type Value Explanation

IQUAD4

Bilinear interpolation, 4 guiding nodes.

IQUAD8

Blended quadratic interpolation, 8 guiding nodes.

IQUAD9

Biquadratic interpolation, 9 guiding nodes.

DPDOFS I > 0 ddof Identifiers of dependent degree(s) of freedom, separated by

commas.

DOFTYPE name doftype Degree of freedom type. Default see description of

$ENTER COMPONENT line, page 2-9, remark 5.

Data lines:

mpcidlist(gid)

: list(

(did

didset

))

Item(s)Type Explanation

mpcidI > 0 Identifier of multipoint constraint condition.

gidI > 0 Identifier of node with guiding degree(s) of freedom.

didI > 0 Identifier of node with dependent degree(s) of freedom.

didsetname Name of set with nodes with dependent degrees of freedom.

Remarks:

1. MPC identifier must be unique within one component.

2. The coordinates of the guiding nodes define a isoparametrically curved quadrilateral surface

as interpolation element. Dependent nodes should be located as close as possible on the

interpolation element surface, otherwise erroneous results may arise, e.g. overall imbalance of

external loads and reactions. In any case, the interpolation uses the normal projection of the

dependent nodes onto the interpolation element.

2.3.1993

2-36

User’s Reference Manual

$MPC IQUADx

2 General Description of Data Input

Quadrilateral Interpolation Surface

All degrees of freedom ddof at all nodes given by did and didset are forced to have displacements (or

temperatures etc.) which are determined by interpolation of the corresponding values at the guiding

nodes gid.

$MPC

8><>:IQUAD4

IQUAD8

IQUAD9

9>=>; DPDOFS = tuple(ddof

)

hDOFTYPE = dof

type

i

ParameterType

ValueExplanation

IQUAD4

Bilinear interpolation, 4 guiding nodes.

IQUAD8

Blended quadratic interpolation, 8 guiding nodes.

IQUAD9

Biquadratic interpolation, 9 guiding nodes.

DPDOFSI >

0ddof

Identifiers of dependent degree(s) of freedom, separated by

commas.

DOFTYPEname

doftypeDegree of freedom

type.Default see description of

$ENTER COMPONENT line, page 2-9, remark 5.

Data lines:

mpcid

list(gid)

:list(

( did

didset

))

Item(s)

TypeExplanation

mpcid

I >0

Identifier of multipoint constraint condition.

gid

I >0

Identifier of node with guiding degree(s) of freedom.

did

I >0

Identifier of node with dependent degree(s) of freedom.

didset

nameName of set with nodes with dependent degrees of freedom.

Remarks:

1. MPC identifier must be unique within one component.

2. The coordinates of the guiding nodes define a isoparametrically curved quadrilateral surface

as interpolation element. Dependent nodes should be located as close as possible on the

interpolation element surface, otherwise erroneous results may arise, e.g. overall imbalance of

external loads and reactions. In any case, the interpolation uses the normal projection of the

dependent nodes onto the interpolation element.

2.3.1993

2-36

User’s Reference Manual

$MPCIQUADx

2General Description of Data Input

Quadrilateral Interpolation Surface

All degrees of freedom ddof at all nodes given by did and didset are

forced to have displacements (or

temperatures etc.) which aredeterm

ined by interpolation of the corresponding values at the guiding

nodes gid.

$MPC

8><>:IQUAD4

IQUAD8

IQUAD9

9>=>; DPDOFS = tuple(ddof

)

h DOFTYPE = doftyp

e

i

ParameterType

ValueExplanation

IQUAD4

Bilinear interpolation, 4 guiding nodes.

IQUAD8

Blended quadraticinterpolation, 8 guiding nodes.

IQUAD9

Biquadraticinterpolation, 9 guiding nodes.

DPDOFSI >

0ddof

Identifiersof dependent degree(s) of fre

edom, separatedby

commas.

DOFTYPEname

doftypeDegree

offre

edomtype.

Defaultsee

descriptionof

$ENTER COMPONENT line, page 2-9, remark 5.

Data lines:

mpcid

list(gid)

:list(

( did

didset

))

Item(s)

TypeExplanation

mpcid

I >0

Identifier of multipoint constra

int condition.

gid

I >0

Identifier of node withguiding degree(s) of fre

edom.

did

I >0

Identifier of node withdependent degree(s) of fre

edom.

didset

nameName of set with

nodes withdependent degrees of fre

edom.

Remarks:

1. MPC identifier must be unique within one component.

2. The coordinates of the guiding nodes define a isoparametrically

curved quadrilateral surfa

ce

as interpolation element.Dependent nodes should

be located as close as possibleon the

interpolation element surface, otherwise erro

neous resultsmay arise, e.g. overall imbalance of

external loads and reactions. Inany case, the interpolation uses the norm

al projection of the

dependent nodes onto the interpolation element.

2.3.1993

2-36

User’sReference Manual

Abbildung 166: PERMAS Dokumentation

Parallel zur Entwicklung von PERMAS wird die Do-kumentation stets aktuell geführt:

• Neben der Basisdokumentation– PERMAS Users Reference Manual,– PERMAS Examples Manual,

© INTES GmbH Stuttgart Seite 123

Page 124: PERMAS Produktbeschreibung V17 - INTES · PERMAS-NAS – NASTRAN-Door 117 PERMAS-ABA – ABAQUS-Door 118 PERMAS-CCL – MpCCI-Kopplung 119 Weitere Schnittstellen 119 Installation

PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

– VisPER Users Manual,– PERMAS Programmers Manual,– PERMAS Installation Manual,– PERMAS Tools User Manualstehen z.B. folgende Dokumente bereit:– ABAQUS Door Manual,– I-DEAS Door Manual,– MEDINA Door Manual.– NASTRAN Door Manual,– PATRAN Door Manual.

• Übersichtlicher Aufbau, umfassendes Stichwort-verzeichnis und Querverweise mit Seitenanga-be (auch zwischen verschiedenen Dokumenten)sind dabei selbstverständlich.

Alle Manuals stehen als Online-Dokumentation inPDF-Dateien mit Querverweisen zur Verfügung.

Schulung

Für alle Anwendungsgebiete von PERMAS führtINTES Schulungskurse durch. Aufbauend auf ei-nem einführenden Kurs über drei Tage zur linearenStatik mit Kontakt werden Ein- oder Zweitageskursezu Themen wie Kontakt, Wärmeleitung, Dynamik,Optimierung, etc. durchgeführt.

Das jeweils aktuelle Programm kann über dieINTES-Homepage eingesehen werden.

Weiterentwicklung

Das PERMAS- und VisPER-Entwicklungsteam ar-beitet intensiv an der Erweiterung bestehenderFunktionen sowie an der Implementation neuer Mo-dule, um den Anwendern auch weiterhin ein lei-stungsstarkes Werkzeug für die jeweils gefordertenBerechnungen zur Verfügung zu stellen.

Dabei liegen die Schwerpunkte auf folgenden Ent-wicklungsrichtungen:

• Integration in CAD/CAEDabei geht es z.B. um eine einfachere Handha-bung oder um automatische Hilfen bei der Mo-dellbildung und der Auswertung.

• bf Workflows im CAEDas umfasst die Analyse von Workflows, ih-

re Automatisierung und laufende Verbesserung.Ziel ist die einfache Anwendung selbst komple-xer Berechnungsabläufe.

• Komplexere SimulationenHier wird vor allem an der Erweiterung und Ver-netzung der Berechnungsfunktionen gearbeitet.

• Kürzere AntwortzeitenSteigende Modellgrößen verlangen eine ständi-ge Erhöhung der Effizienz der Software. Diesschließt neben algorithmischen Verbesserun-gen auch die Anpassung der Software an ak-tuelle Hardware-Entwicklungen ein.

• Moderne VisualisierungFür Modelle und Ergebnisse werden moderneVerfahren und Werkzeuge für die Visualisierungentwickelt.

Über die laufenden Entwicklungsprojekte und denaktuellen Stand der für die nächste Version vonPERMAS und VisPER geplanten Erweiterungen in-formieren wir Sie gerne.

Weitere Informationen

Wenn Sie PERMAS näher kennenlernen wollen,stehen wir Ihnen jederzeit zur Verfügung. Gernesind wir bereit, Ihren Bedarf hinsichtlich der FE-Analyse mit Ihnen zu erörtern und einen individuel-len Lösungsvorschlag zu erarbeiten. Rufen Sie unsan!

Marketing:

Telefon:

Fax:E-mail:WWW:

Michael Klein

+49 (0)711 784 99 - 18

+49 711 784 99 - [email protected]://www.intes.de

Adresse: INTES GmbHBreitwiesenstr. 28

D-70565 Stuttgart

Seite 124 © INTES GmbH Stuttgart

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Index

α-Methode, 99Übertragungsfunktionen, 2410%-Regel, 97

ABDG-Matrizen, 111Absolute Error Indicator, 11, 67Absoluten Fehlerindikator, 11, 67ACP, 101active set strategy, 108Adapted Convex Programming, 101Add&Replace Wizard, 16, 45AEI, 11, 67aktive Mengen-Strategie, 108aktive Regelung, 38Anisotropie, 67Antwort

im Zeitbereich, 95stationäre, 94

Antwortverhaltenim Frequenzbereich, 94im Zeitbereich, 93spektral, 96zufallserregt, 97, 98

Architektur64 Bit, 121

Armstrong-Frederik, 87Assembled Situations, 25Ausformrichtungen, 104

BalkenelementeStandardquerschnitte, 66

Basisvariable, 109Bauteilkopplung, 60Bauteilverbindung, 29Bayliss-Turkel, 98benutzerdefiniertes Materialverhalten, 86Beulen

linear, 87nichtlinear, 85

Bezugssysteminertial, 34mitdrehend, 34

BFGS, 108Bogenlängenverfahren, 84Brake Squeal Wizard, 45Bremsenquietschen, 31

Campbell, 34, 92Cauchy, 85CB-Kondensation, 91

CCNG-Analyse, 28, 82, 84Center of Pressure, 81Co-Rotational, 84COF, 73Coleman-Transformation, 12, 59CoMAC, 73Composites, 111CONLIN, 101Contact Locking, 28, 29, 82COP, 81Coriolis-Matrix, 34Coulomb, 80Coulombsches Reibgesetz, 80CQC, 97Craig-Bampton, 57, 91

gemischte Randbedingungen, 57, 91

Dämpfung, 94drehzahlabhängig, 34, 94frequenzabhängig, 94Material, 94Matrix, 94modal, 94proportional, 94Rayleigh, 94, 98Struktur, 94viskos, 94

Design Constraint Linking, 100Design Exploration, 77Design Wizard, 16, 46Dichtungselemente, 27, 82, 86Dimensionsoptimierung, 48, 100DiRect, 108Dividing Rectangles, 108Drucker-Prager, 85Druckmittelpunkt, 81Drucksteifigkeit, 13dynamische Kondensation, 99

effektive Massen, 91Eigenwerte

komplex, 92reelle, 90

eingefrorene Bereiche, 105Elektrostatik, 113Elementbibliothek, 64

© INTES GmbH Stuttgart Seite 125

Page 126: PERMAS Produktbeschreibung V17 - INTES · PERMAS-NAS – NASTRAN-Door 117 PERMAS-ABA – ABAQUS-Door 118 PERMAS-CCL – MpCCI-Kopplung 119 Weitere Schnittstellen 119 Installation

PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

ElementeAbstrahl-Randbedingung, 66axialsymmetrisch, 66Balken-, 65Dichtung, 27diskrete, 65Fluid, 64Fluid-Struktur-Kopplung, 66Geometrie-, 66halbunendliche, 66Kontaktanalyse, 65Last-, 65, 69Membran-, 64Oberflächenwellen, 66Platten-, 65Plot-, 65Schalen-, 65skalare, 65Stab-, 64Volumen-, 64Wärmeübergang, 66, 87

ELT, 111EMA, 116Engquist-Majda, 98Entwurfsrandbedingung, 105Erdbebenanalyse, 96Ergebnisse

Kombination, 73Transfomation, 73Vergleich, 73xy-Daten, 74

Erweiterte Laminattheorie, 111Experimentelle Modal-Analyse, 41Experimentellen Modal-Analyse, 74, 115externer Löser, 103

Faserverbunde, 111Fast Fourier Transformation, 24Fertigungsrandbedingungen, 104FFT, 24Flächenbeschreibung, 60Floating-Lizenz, 121Fluidelemente, 64Form-Basisvektoren, 49, 100FORM/SORM, 110Formoptimierung, 49, 100Fourier, 68, 69Free Sizing, 107Freiform-Optimierung, 49Frequency Response, 94Frozen Regions, 105

FunktionEntwurfsrandbedingung, 105Grenzzustand, 109Kontaktspalt, 79mathematische, 68Versagen, 109

Gasket-Elemente, 82, 86GCA, 105GDC, 108Gießen, 86GINR, 10Glättung, 47, 107Global Convex Approximation, 105Global Design Centering, 108gnuplot, 70, 74grün, 2Grenzzustandsfunktion, 109GUI, 43Gusseisen, 11Guyan, 57gzip, 116

Hüllengenerierung, 47, 50, 106Haft- und Gleitreibung, 80HDF5, 71Herstellrandbedingungen, 47Hilber-Hughes-Taylor, 94, 98Hoffman, 14

Inertia Relief, 10, 23, 68, 78, 86, 91, 95, 101Inertialsystem, 34inkompatible Netze, 23Interpolationsgebiet, 62

Karosserieberechnung, 23Kaskadenregler, 35Kirchhoff, 65Kompensationsfedern, 81komplexe Eigenwerte, 92Komponente, 57Kondensation, 28, 57, 91, 116

Craig-Bampton, 91Craig-Bampton mit gemischten Randbedingun-

gen, 91dynamisch, 57, 91, 93, 116statisch, 57, 91, 116trocken, 28verallgemeinert modal, 73, 91

Konfiguration, 57

Seite 126 © INTES GmbH Stuttgart

Page 127: PERMAS Produktbeschreibung V17 - INTES · PERMAS-NAS – NASTRAN-Door 117 PERMAS-ABA – ABAQUS-Door 118 PERMAS-CCL – MpCCI-Kopplung 119 Weitere Schnittstellen 119 Installation

PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

KontaktEinfrieren, 28, 29, 32, 82Locking, 29Status-Dateien, 28Wizard, 52

Kontakt-Wizard, 52Kontaktanalyse, 78Kontaktspaltfunktion, 79Kontaktstatus-Dateien, 28, 81Koordinatensystem

Lokal, 62Kopplung

Analysen, 75CFD, 75Flächen, 63Volumen, 63

kraftgeführte Kontakte, 81Kreiselmatrix, 34kritische Drehgeschwindigkeit, 34

Laminate, 65Laminatoptimierung, 103, 107Latin Hypercube Sampling, 77Layoutoptimierung, 104LDR, 108LHC, 77Line of Action, 81Line Search, 84lineares Beulen, 87Linienbeschreibung, 60Lizenzmanager, 121Lochdetektion, 50

MAC, 73, 90Magnetostatik, 113Mapping der Temperaturen, 27Material

Drucker-Prager, 85Eigenschaften, 67Gusseisen, 87Mohr-Coulomb, 85Tresca, 85viskoplastisch, 85von Mises, 85

MatrixCoriolis, 34Kreisel, 34

Matrizenmodelle, 24, 72Maximale Wandstärke, 105maximale Wandstärke, 105Maxwell, 113MBC-Transformation, 12, 59

MBCB-Kondensation, 91Mehrkörpersimulation, 23Mehrziel-Optimierung, 100Message Tree, 46minimale Wandstärke, 105Mixed-Boundary Craig-Bampton, 91MKS, 23MLDR, 25, 92, 93MMO, 103Modalanalyse, 88, 90modale Anteilsfaktoren, 87, 96Model Updating, 26Modellverifikation, 69Mohr-Coulomb, 85Monte Carlo, 110Motorberechnung, 26MPC, 61, 62, 78, 115

allgemein, 63Flächenkopplung, 63Interpolatonsgebiet, 62Pressverbindung, 63Starrkörper, 62Volumenkopplung, 63

MpCCI, 18, 76, 119MS, 108Multi-Blade Coordinate Transformation, 12, 59Multi-Level Dynamic Reduction, 25, 93Multi-Start-Verfahren, 108Multimodale Optimierung, 103

NAFEMS, 13, 111Newmark, 94, 98, 99

β, 94, 98Newton, 108Newton-Raphson, 84, 86, 99nicht-parametrische Optimierung, 102Nodelock-Lizenz, 121Nullkraftfedern, 81

OC, 101Optimalitätskriterien, 101Optimierung

ableitungsfrei, 107Dimension, 100Entwurfselemente, 66Form, 100Freiform, 100, 102Frequenzgang, 100global, 107Kontaktdruck, 107, 108Layout, 104nicht-parametrisch, 102

© INTES GmbH Stuttgart Seite 127

Page 128: PERMAS Produktbeschreibung V17 - INTES · PERMAS-NAS – NASTRAN-Door 117 PERMAS-ABA – ABAQUS-Door 118 PERMAS-CCL – MpCCI-Kopplung 119 Weitere Schnittstellen 119 Installation

PERMAS Produktbeschreibung V17 PERMAS

Position, 100Querschnitte, 100Sicke, 100Sizing, 100Topologie, 104Trust-Region, 107

OptimierungLaminat, 103, 107

Optimierung für einen robusten Entwurf, 103Option COMPLEMENT, 79

Parallelisierung, 19, 89, 121Pareto, 100PD, 106PERMAS Tools, 74PERMASgraph, 74, 122Polygon-Reduktion, 47, 107Power Spectral Density, 97Pressfit Wizard, 16, 46Pressverbindung, 79, 80, 82Primal-Dual Solution, 106Prony-Reihen, 13, 96pyINTES, 9, 122Python, 9, 43, 75, 122

Qualitätssicherung, 77

Random Response, 96Rayleigh, 94, 98RBM-Assistent, 46, 81Regelelemente, 38Reibung

Coulomb, 80Relaxation, 103Response Surface Methoden, 110Responsespektrum, 97Restart, 74robuster Entwurf, 39, 103rotierende Systeme, 33Rotordynamik, 34Rutherford-Boeing, 73

Sampling, 77Sampling Wizard, 16, 46Sandwichschalen, 65SBV, 49Schnittkräfte, 74Schnittstellen, 70Schraubenvorspannung, 80Schweißpunkt, 61SCP, 108SDM, 78Selbstkontakt, 79

SetsElementsets, 68Knotensets, 68

Shape Basis Vectors, 49, 100Shermann-Morisson-Woodbury, 96Shift

Beulen, 12Shift

dyn. Eigenwerte, 90Shift-Methode, 12, 87, 90Sichtbarkeitsfaktoren, 89Sickengenerierung, 26, 49, 100Simulation Data Management, 78Situation, 59SLP, 108Smooth Patch Recovery Methode, 11, 67SMW, 96Spannungsgradienten, 11, 67Spannungslupe, 28, 57, 82Spektraldichte, 97Spektrales Antwortverhalten, 96SPR-Spannungen, 10, 67SQP, 108stationäre Antwort, 94statische Verschiebungsformen, 95, 98Steady-State Response, 24, 94Steifigkeit

drehzahlabhängig, 34, 94Druck, 90frequenzabhängig, 94geometrisch, 90konvektiv, 90Schweißpunkt, 62Zentrifugalfeld, 90

STL, 107stochastische Berechnung, 109Strahlung, 89Submodeling, 57Submodell-Technik, 28, 57, 86Summationsregeln, 97Systemkern, 77

Task-Scanner, 77Teilmodell-Analyse, 57, 82Teilstruktur-Wizard, 53Teilstrukturtechnik, 57, 59, 64, 77, 86, 99, 101, 104,

116Teilungsebene, 47, 105Temperaturfelder, 87Thomas, 86Tooltipps, 44Topologie-Optimierung, 104

Seite 128 © INTES GmbH Stuttgart

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PERMAS PERMAS Produktbeschreibung V17

Transient Response, 93Tresca, 85Trimmed Body, 23Trust-Region-Verfahren, 107Tsai-Wu, 14

Unterraumiteration, 90Unterraumiteration, 87

Variante, 58Variantenanalyse, 58verbundene Situationen, 25, 95Verfestigung

gemischt, 85isotrop, 85kinematisch, 85nichtlinear kinematisch, 87

Versagensfunktion, 40, 109Versagenskriterien, 103Versagenskriterien für Laminatschichten, 14Versagenswahrscheinlichkeit, 109Vertrauensregion-Verfahren, 107visko-elastischem Materialverhalten, 13, 96VisPER, 5, 9, 15, 43Volumen-Schale-Anschluss, 63von Mises, 85Vorbeulverhalten, 87Vorspannungs-Wizard, 52Voxel, 51

Wärmeübergangselemente, 87Wärmeleitung, 87Walzen, 86Werkzeugmaschine, 34Wirkungsrichtung, 81Wizard, 47, 48, 50, 52

Add&Replace, 16, 45Brake Squeal, 45Design, 16, 46Dimensionsoptimierung, 48Fluid-Struktur-Kopplung, 50Formoptimierung, 49Freiform-Optimierung, 49Kontakt, 52Pressfit, 16, 46Sampling, 16, 46Schraubenvorspannung, 52Sickengenerierung, 49Teilstrukturtechnik, 53Topologie-Optimierung, 47

WLIN, 108

XML, 78

Zienkiewicz, 11, 67zufallserregte Schwingungen, 97, 98Zuverlässigkeitsanalyse, 109Zwangsbedingung

kinematisch, 62zyklische Symmetrie, 59

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