3 tips for å forbedre FEA-modellene dine

Innen FEA er det vanlig at modeller enten er for enkle, noe som fører til avvik fra virkelige forhold, eller at modellene blir for komplekse, noe som resulterer i lang beregningstid og vanskeligheter med å analysere og reprodusere.

Hvorfor er modellforenkling avgjørende i FEA?

Modellforenkling er en sentral del av FEA, fordi det påvirker både beregningsprosessen og de endelige resultatene. En CAD-geometri kan inneholde mange detaljer som kan være viktige for produksjonsprosessen, men som ofte er unødvendige for simulering. Å inkludere alle detaljer resulterer ofte i dårlig mesh, noe som sannsynligvis vil øke beregningstiden og også forårsake konvergensproblemer. Radier og avrundede kanter er vanlige detaljer som fjernes i FEA-modeller, fordi skarpe kanter er mye enklere å modellere i FEA og sjelden påvirker den globale deformasjonen.

Deformert modell med fillets i den øvre modellen og uten fillets i den nedre modellen.

Komponenter i en samling kan trenge å forenkles, erstattes med representasjoner eller ekskluderes helt, avhengig av lastscenario og randbetingelsene. Solider som ikke bidrar til den strukturelle responsen, kan ofte erstattes med virtuelle elementer, for eksempel fjær- og RBE-elementer, for å redusere kompleksitet og beregningstid. Komponenter som påvirker lastoverføring gjennom geometri, stivhet eller kontakt, må imidlertid modelleres med høyere nøyaktighet. Det er derfor viktig å avgjøre på et tidlig stadium hvilke deler som krever full representasjon og hvilke som kan idealiseres.

Sammenligning mellom meshet boltforbindelse (til venstre) og en forenklet modell hvor 
forbindelsen er erstattet av to RBE2-noder forbundet med en stiv kobling (til høyre).

Korrekt meshing i FEA

For å lage en korrekt mesh i en FEA-analyse finnes det flere viktige valg å ta hensyn til.

• Valg av elementtype: Skal elementene være solide eller skallformede?
• Topologi: Skal man bruke hexaedriske eller tetraedriske elementer?
• Mesh-oppløsning og orden: Hvor store elementer skal man ha, og skal man bruke første- eller andreordenselementer?

Skallelement vs. Solidelement

CAD-geometri består vanligvis av solidkropper, og en vanlig misforståelse er at disse alltid må representeres av solidelementer i FEA. I noen tilfeller kan skallelementer med tykkelse som elementegenskap være et mer passende valg, spesielt for tynnveggede strukturer hvor lengden er mye større enn tykkelsen og skjærdeformasjoner kan neglisjeres. I tillegg finnes det ofte numeriske fordeler ved å bruke skallelementer, da færre elementer kan gi høyere nøyaktighet og kortere beregningstider.

Et tydelig eksempel på at solidelementer kan gi feilaktige resultater, er ved store bøyninger. Under slike belastningsforhold kan elementene bidra til urealistisk stivhet. I tillegg kreves et visst antall elementer med tilstrekkelig forfining gjennom tykkelsen for å oppnå tilstrekkelig nøyaktighet, noe som gjør beregningen mer ressurskrevende.

Hex-element vs. Tetraelement

Hexaedriske (hex) og tetraedriske (tet) elementer er de vanligste elementformene som brukes i meshgenerering for solider i FEA. Siden hex-element vanligvis gir mer nøyaktige resultater med færre elementer enn tetraedriske elementer, er det vanlig praksis å bruke sekskantede elementer når geometrien tillater det. For geometrier med komplekse former, som buede kanter og skarpe vinkler, er tet-elementer ofte å foretrekke. Det er imidlertid ikke uvanlig å kombinere tet- og hex-elementer i samme modell for å oppnå en bedre balanse mellom nøyaktighet og beregningstid.

Veivakselen er meshet med tet-elementer som bedre følger kompleks geometri.

PCB-kortet er spesielt egnet for hex-element på grunn av sin flate og rektangulære geometri.

Elementstørrelse og rekkefølge – hvordan påvirker dette nøyaktigheten?

Når man snakker om mesh eller elementstørrelse, refererer man vanligvis til den karakteristiske kantlengden til et element. Mindre elementstørrelser fører til flere elementer i modellen, noe som øker beregningstiden, men også forbedrer nøyaktigheten av resultatet.

Rekkefølgen av elementer i en FEA-modell beskriver typen formfunksjon som brukes til å beregne forskyvninger innenfor elementene. Førsteordenselementer har kun noder plassert i hjørnene og beregner forskyvninger lineært mellom disse. Andreordenselementer har også midtnoder mellom hjørnene og beregner forskyvninger kvadratisk. Andreordenselementer gir høyere nøyaktighet på bekostning av økte beregningskostnader.

Det finnes visse tommelfingerregler for valg av meshstørrelser som brukes i industrien, for eksempel at elementstørrelsen skal være en tidel av den minste dimensjonen på delen i områder med høye spenninger. Disse retningslinjene kan imidlertid være misvisende og er ikke alltid nøyaktige, da den optimale meshstørrelsen bestemmes av typen analyse, geometri og randbetingelser. Det finnes derfor ingen enkel formel for å bestemme den optimale elementstørrelsen. Andreordenselementer bør brukes der det er mulig, og meshet bør gradvis finpusses til resultatene konvergerer. For komplekse problemer som kan ta flere dager å beregne, må det finnes en balanse mellom nøyaktighet og effektivitet for å oppnå resultater innenfor en rimelig tidsramme. I områder hvor det ikke forventes høye spenningskonsentrasjoner, kan meshet grovmaskes for å redusere det totale antallet elementer og dermed forkorte beregningstiden.

Definer riktige lastscenario i FEA

Definering av lastscenario i FEA er en viktig del av analyseprosessen. Lastscenarier utgjør modellens inndata og representerer de faktiske belastningene som objektet utsettes for, for eksempel støtbelastninger, vibrasjoner eller statiske deformasjoner.

Et sentralt aspekt ved belastningsdefinisjon er valget mellom statisk og dynamisk last. Statisk last er passende når belastningen påføres sakte og treghet og demping kan ignoreres, som i spenningsanalyse i bygningskonstruksjoner. Dynamiske laster er derimot tidsavhengige og tar hensyn til treghet og mulig demping, noe som er avgjørende i for eksempel vibrasjoner eller kollisjonssimuleringer.

Det er viktig å forstå at en reell hendelse kan kreve helt ulike FEA-metoder avhengig av formålet med analysen. For å oppnå korrekte og nyttige resultater er det nødvendig å forstå de faktiske belastningene som strukturen vil bli utsatt for, og hvordan disse påvirker komponentene som studeres. Ved å modellere belastningene nøye allerede i starten av FEA-analysen, er det mulig å oppnå analyser som både er korrekte og effektive, og som også kan utføres raskere uten at det går ut over nøyaktigheten.

3 tips for å forbedre FEA-modellene dine

1. Modellforenkling er avgjørende

   Målet er å oppnå en balanse mellom nøyaktighet og effektivitet – modellen skal være enkel å beregne, men samtidig tilstrekkelig realistisk. Fjern unødvendige CAD-detaljer som fillets, hull og rundinger. Bestem på et tidlig stadium hvilke deler som krever høy detaljgrad og hvilke som kan idealiseres.

2. Velg de riktige elementene i FEA-en din

   Valget av element (solid eller skall) påvirker både nøyaktighet og beregningstid. Skallelementer er effektive for tynne strukturer, mens solide elementer er nødvendige for massive komponenter.
   
   For enklere geometrier gir hex-elementer høy nøyaktighet og effektiv beregning, men krever velordnede msehstrukturer. Tet-elementer fungerer bedre for komplekse former, men krever flere elementer for å oppnå samme presisjon.
   
   Førsteordenselementer gir kortere beregningstid, men lavere nøyaktighet, mens andreordenselementer gir mer realistiske deformasjoner på bekostning av lengre beregningstid.
   
   

3. Definer riktige belastningsscenarier i FEA

   Korrekt definisjon av belastningsscenarier i FEA er avgjørende, fordi de representerer de faktiske belastningene som modellen utsettes for, for eksempel statiske deformasjoner.
   Valget mellom statiske og dynamiske belastninger er avgjørende:
   •    statiske belastninger brukes når belastningen påføres sakte og treghet kan neglisjeres
   •    dynamiske belastninger tar hensyn til tid, treghet og demping
   For å oppnå nøyaktige og effektive resultater er det viktig å nøye definere hvordan reelle belastninger overføres til FEA-modellen.

Oppsummert

Å lage en effektiv FEA-modell handler om å finne en balanse mellom kompleksitet og effektivitet. Ved å forenkle der det er mulig, velge riktig elementtype og form og optimalisere meshoppløsningen, kan du oppnå pålitelige resultater uten å kaste bort unødvendig tid eller ressurser.

Ved å følge disse tipsene kan du forbedre både kvaliteten og effektiviteten til simuleringene dine.

Vil du lære mer om hvordan du kan optimalisere FEA-modellene dine eller diskutere en spesifikk utfordring?

👉 Kontakt oss for en demo eller følg oss for flere tips om simulering og produktutvikling!