Randbedingungen und Lasten¶

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

Funktionsübersicht¶

Randbedingungen und Lasten lassen sich nach Analysetyp wie folgt klassifizieren.

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

Verschiebungszwangsbedingungen in der Strukturanalyse¶

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

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

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

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

Konzentrierte Lasten in der Strukturanalyse¶

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

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

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

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

Verteilte Lasten und Volumenkräfte in der Strukturanalyse¶

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

Die wichtigsten Lasttypen sind:

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

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

Federlagerungen in der Strukturanalyse¶

Federlagerungen werden mit !SPRING angegeben. Werden ein Knoten oder eine Knotengruppe, eine Freiheitsgradnummer und eine Federkonstante angegeben, wird die Federsteifigkeit zur Diagonalsteifigkeit des Zielfreiheitsgrads addiert und die Federreaktionskraft auf der rechten Seite als innere Kraft berücksichtigt.

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

Der Bezug der Verschiebung, gegen die die Feder wirkt, wird mit dem Parameter INCREMENTAL gewählt. Beim Standardwert INCREMENTAL=NO wird eine Federreaktionskraft berücksichtigt, die proportional zur kumulierten Verschiebung seit Beginn der Analyse ist. Mit anderen Worten ist die innere Kraft das Produkt aus Federkonstante und kumulierter Verschiebung. Bei INCREMENTAL=YES wird die Referenzlage der Feder für jedes Inkrement auf den konvergierten Zustand des vorherigen Inkrements zurückgesetzt, und es wird eine Federreaktionskraft berücksichtigt, die nur proportional zum Verschiebungsinkrement innerhalb dieses Inkrements ist. Mit anderen Worten ist die innere Kraft das Produkt aus Federkonstante und Verschiebungsinkrement innerhalb dieses Inkrements; über Inkrementgrenzen hinweg angesammelte Verschiebungen tragen nicht zur Federreaktionskraft bei.

Die zeitliche Änderung der Federkonstante wird mit dem Parameter AMP angegeben. Wird der Name einer Amplitudenfunktion angegeben, wird die Federkonstante mit dem Wert der Amplitudenfunktion multipliziert. Der Amplitudenwert wird zum Endzeitpunkt des aktuellen Inkrements ausgewertet, sodass Lagerungen dargestellt werden können, die während eines Schritts eingreifen oder gelöst werden. Wird AMP nicht angegeben, erfährt die Federkonstante keine zeitliche Änderung durch eine Amplitudenfunktion.

Sowohl INCREMENTAL als auch AMP sind in statischen Analysen und dynamischen Analysen mit implizitem Verfahren wirksam. Um die Federlagerung selbst schrittweise ein- oder auszuschalten, verwenden Sie die Gruppen-ID und !STEP mit dessen LOAD-Angabe.

Temperaturlasten in der Strukturanalyse¶

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

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

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

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

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

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

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

Anregungskräfte in der Frequenzganganalyse¶

Anregungskräfte für die Frequenzganganalyse werden mit !FLOAD angegeben. Für einen Knoten, eine Knotengruppe oder eine Flächengruppe werden Freiheitsgradnummer und Wert angegeben. Der angegebene Wert wird als Anregungskraft in der entsprechenden Koordinatenrichtung behandelt; eine Zeitabhängigkeit wie bei !CLOAD und !DLOAD (AMP) wird nicht verwendet.

Die komplexe Amplitude der harmonischen Anregung wird mit dem Parameter LOAD CASE getrennt nach Real- und Imaginärteil angegeben. Werden für dasselbe Ziel zwei Karten mit LOAD CASE=1 bzw. LOAD CASE=2 angegeben, lässt sich eine phasenverschobene Anregung darstellen.

Die Dimension des Werts hängt vom angegebenen Ziel ab. Bei Angabe einer Knotennummer oder eines Knotengruppennamens ist der Wert eine konzentrierte Kraft; bei Angabe eines Flächengruppennamens ist er eine Flächenkraft pro Flächeneinheit. Bei Angabe einer Flächengruppe wird die Kraft wie der Flächendruck von !DLOAD über die Fläche integriert und als äquivalente Knotenkräfte verteilt. Anders als beim Druck ist die Richtung jedoch nicht die Flächennormale, sondern die Koordinatenrichtung, die der angegebenen Freiheitsgradnummer entspricht.

Mehrpunkt-Zwangsbedingungen¶

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

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

Randbedingungen in der Wärmeleitungsanalyse¶

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

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

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

Amplitudenfunktionen¶

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

Die wichtigsten anwendbaren Schlüsselwörter sind:

• Strukturanalyse: !BOUNDARY, !CLOAD, !DLOAD, !SPRING
• Dynamische Analyse: !VELOCITY, !ACCELERATION
• Wärmeleitungsanalyse: !FIXTEMP, !CFLUX, !DFLUX, !SFLUX, !FILM, !SFILM, !RADIATE, !SRADIATE

!AMPLITUDE wird in Tabellenform (DEFINITION=TABULAR) eingelesen. Zwischen den in der Tabelle angegebenen Zeitpunkten werden die Werte linear interpoliert; vor dem ersten Zeitpunkt wird der erste Wert und nach dem letzten Zeitpunkt der letzte Wert verwendet.

Der zur Auswertung einer Amplitude verwendete Zeitpunkt richtet sich in der statischen Strukturanalyse nach der Einstellung TIME. Bei STEP TIME (Standard) wird die seit Beginn des Schritts verstrichene Zeit verwendet, bei TOTAL TIME die seit Beginn der Analyse verstrichene Zeit. In der dynamischen Analyse wird unabhängig von der Einstellung TIME die seit Beginn der Analyse verstrichene Zeit verwendet.

Die Art des Werts wird mit VALUE angegeben. Bei RELATIVE (Standard) wird der Amplitudenwert mit dem für das referenzierende Schlüsselwort angegebenen Wert multipliziert. Bei ABSOLUTE in der Strukturanalyse wird der Amplitudenwert selbst als Last- bzw. Randbedingungswert verwendet. Bei !BOUNDARY und !SPRING in der statischen Strukturanalyse wird der Amplitudenwert jedoch auch bei Angabe von ABSOLUTE als Faktor behandelt, der mit dem für das Schlüsselwort angegebenen Wert multipliziert wird.

Bleiben !CLOAD und !DLOAD in der statischen Strukturanalyse über mehrere Schritte hinweg aktiv, wird, wenn AMP nicht angegeben ist, ab dem zweiten Schritt der für das Schlüsselwort angegebene Wert direkt angewendet, ohne ihn mit dem Lastfaktor des Schritts zu multiplizieren. Ist AMP angegeben, wird in jedem Schritt dem Amplitudenwert gefolgt.

!TEMPERATURE unterliegt keiner Amplitudenfunktion.

Verwandte Themen¶

• Schrittsteuerung — Schrittweise Aktivierung und Inkrementsteuerung von Randbedingungen, Lasten und Kontakt in der Strukturanalyse.
• Solver und Vorkonditionierung — Verarbeitung von Mehrpunkt-Zwangsbedingungen und Behandlung durch den linearen Solver.
• Kontakt und Einbettung — Überblick über Kontakt- und Einbettungszwangsbedingungen.
• Ausgabe und Neustart — Überblick über die von !TEMPERATURE, READRESULT verwendeten Ergebnisdateien und den Neustartmechanismus.
• Keyword-Referenz:
• Strukturanalyse: !BOUNDARY, !CLOAD, !DLOAD, !SPRING, !TEMPERATURE, !REFTEMP
• Dynamische Analyse: !VELOCITY, !ACCELERATION
• Wärmeleitungsanalyse: !FIXTEMP, !CFLUX, !DFLUX, !SFLUX, !FILM, !SFILM, !RADIATE, !SRADIATE
• Gemeinsame und Netzdefinitionen: !AMPLITUDE, !EQUATION