Die Entwicklung eines erfolgreichen und effektiven Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Modells kann für Konstrukteure zu einer frustrierenden Erfahrung werden. Das Modell muss einfach und leicht zu reproduzieren sein, aber dennoch komplex genug, um valide Testergebnisse zu liefern. Dies führt zu dem Problem, dass Modelle oft entweder zu vereinfacht und angenähert sind, um eine genaue Analyse zu liefern, oder das Modell ist zu kompliziert für eine einfache Verarbeitung.
Ein wichtiger Schritt zur Verbesserung eines FEA-Modells ist die Modellvereinfachung. Allerdings muss das Modell auf die richtige Art und Weise vereinfacht werden, um eine genaue Analyse zu ermöglichen.
Die Erzeugung der Modellgeometrie ist einer der schwierigsten Aspekte einer Finite-Elemente-Analyse (FEA). Ein häufiger Fehler unter FEA-Anfängern ist die Annahme, dass ein CAD-Modell, das als Teil des Produktdesignprozesses erstellt wurde, direkt in eine FEA-Studie eingefügt werden kann. CAD-Modelle von Designern enthalten in der Regel eine enorme Detailfülle und es kann Stunden oder Tage dauern, sie in eine FEA einzubinden.
CAD-Modelle helfen Designern, das Produkt zu visualisieren, anschauliche Zeichnungen für Maschinenbauer zu erstellen und helfen Fertigungsingenieuren oder Verpackungsingenieuren dabei, zu bestimmen, wie das Produkt sicher an den Kunden versandt werden soll, und eine Vielzahl anderer Aktivitäten durchzuführen. Für einige dieser Aktivitäten kann das kleinste Detail wichtig sein, und aus diesem Grund können CAD-Modelle sehr kompliziert sein.
Doch viele dieser Details sind in der FEA oft unnötig. Schlimmer noch, die Einbeziehung unnötiger Details in ein FEA-Modell kann zu minderwertigen Netzen, ineffizienten Simulationslaufzeiten und ungenauen Ergebnissen führen. Für einen Analysten ist das Verständnis, wann und wie er ein Modell, das ihm von einem Konstrukteur übergeben wurde, vereinfachen sollte, eine Schlüsselqualifikation für eine effektive FEA-Simulation.
Entfernen von unnötigen Objektmerkmalen
Vielleicht sind die häufigsten Details, die sofort aus den meisten CAD-Modellen entfernt werden können, die Verrundungen und Abrundungen. Wirklich quadratische Kanten gibt es in der realen Welt nur selten – Kanten sind typischerweise abgerundet und CAD-Modelle werden diese Abrundung oft an vielen, wenn nicht sogar an allen geometrischen Körpern enthalten. Allerdings sind quadratische Kanten viel einfacher für die Vernetzung in der FEA-Welt, und die meisten kleinen Verrundungen haben keinen Einfluss auf globale Verschiebungsberechnungen. CAD-Werkzeuge haben typischerweise eine Funktion, die bei der Entfernung von Verrundungen/Runden hilft, wie z.B. der Füllbefehl in ANSYS Spaceclaim. Die richtige Verwendung dieser Funktionen kann die Komplexität des Modells mit geringem Aufwand reduzieren.
Einbeziehen von effektiven Geometrien und Zwangsbedingungen
Eine weitere häufige Vereinfachung ist das Entfernen von unbedeutenden Körpern oder das Ersetzen dieser durch effektive Geometrien oder Zwangsbedingungen. Zum Beispiel enthalten die meisten mechanischen Baugruppen Verbindungselemente, wie Schrauben und Nieten. Manchmal kann es notwendig sein, die Geometrie eines Bolzens in das Modell aufzunehmen; in vielen Fällen können die Bolzengeometrien jedoch durch stark vereinfachte 3D-Geometrien oder 1D-Balkenelemente ersetzt oder sogar ganz entfernt und durch starre Kontaktbeschränkungen oder feste Randbedingungen approximiert werden.
Wenn beispielsweise ein mechanischer Stoß auf einer 12″ x 12″ PCBA simuliert wird, haben sehr kleine Komponenten wie 0201-Widerstände keinen Einfluss auf die globale Steifigkeit des Modells und können ganz entfernt werden. Größere Komponenten, wie z.B. ein 16 PIN SOIC müssen eventuell modelliert werden, aber das Lot kann ersetzt und durch einen starren Kontakt zwischen den Anschlüssen und der Platine approximiert werden. ANSYS Sherlock ist ein Werkzeug, das bei der Generierung eines FEA-ready Modells aus den Informationen, die in der Designphase einer PCBA verfügbar sind, helfen kann, indem es die ECAD-Informationen, die für die PCBA-Fertigung bestimmt sind, aufnimmt und die Erstellung eines vereinfachten, vernetzten, FEA-ready PCBA-Modells automatisiert.
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