Z88 Workshop 2023

Liebe Freunde von Z88,

erfahren Sie mehr über Finite-Elemente-Analyse und Topologieoptimierung: Online-Workshops zu Z88Aurora® und Z88Arion®

Wenn Sie Ihre Kenntnisse in der Finite-Elemente-Analyse (FEA) und Topologieoptimierung erweitern möchten, bieten unsere Online-Workshops zu Z88Aurora® und Z88Arion® eine passende Gelegenheit!

Der Z88Aurora®-Workshop am 18. Oktober 2023 bietet eine Einführung in die verschiedenen Analyse- und Visualisierungsmöglichkeiten des Programms. Sie lernen, wie Sie lineare und nichtlineare Festigkeiten, Eigenschwingungen und stationäre thermische Analysen durchführen können. Der Workshop behandelt auch wichtige Themen wie Vernetzungstechniken, Randbedingungsdefinitionen, Berechnungsmöglichkeiten, Materialdatenaufbereitung und Ergebnisinterpretation.

Der Z88Arion®-Workshop am 19. Oktober 2023 setzt Kenntnisse in Z88Aurora® voraus und konzentriert sich auf die Topologieoptimierung. Hier erfahren Sie, wie unterschiedliche Algorithmen und Parameter der Optimierung den Designvorschlag beeinflussen. Die im Programm verwendeten Topologieoptimierungsmethoden wie Optimalitätskriterien-Verfahren (OC), Soft Kill Option-Verfahren (SKO) und Topology Optimization for Stiffness and Stress-Verfahren (TOSS) werden ebenfalls erläutert.

Die Workshops finden als ganztägige Webkonferenzen statt, und die Mindestteilnehmeranzahl beträgt fünf Personen. Die Teilnahmegebühr für jeden Online-Kurs beträgt 50 €, inklusive Workshopunterlagen. Die Anmeldung erfolgt per E-Mail an workshops@z88.de. Nutzen Sie diese Gelegenheit, um Ihre Fähigkeiten in der Finite-Elemente-Analyse und Topologieoptimierung zu erweitern.

Z88Aurora V6 veröffentlicht!

Liebe Z88-Freunde,

wir freuen uns, euch heute die brandneue Version unserer Software, Z88Aurora® V6, vorstellen zu dürfen! In dieser aktualisierten Version haben wir zahlreiche neue Funktionen und Verbesserungen implementiert, um eure Benutzererfahrung weiter zu optimieren.

Zu den Highlights der neuen Version gehört ein innovatives Modul für die nichtlineare Simulation von Sandwichbauteilen, welches die automatisierte Hexaeder-Netzgenerierung für Sandwichstrukturen ermöglicht. Darüber hinaus haben wir neue Materialgesetze eingeführt, wie beispielsweise das anisotrope Hookesche Materialgesetz für die Modellierung von Faserverbundwerkstoffen, Hyperfoam als nichtlineares, hyperelastisches Materialmodell für Weichschäume, Simplefoam als nichtlineares, elastisch-plastisches Materialmodell für Hartschäume und von Mises als nichtlineares, elastisch-plastisches Materialmodell für Metalle.

Ein weiteres Merkmal der neuen Version ist die Integration von nichtlinearem Materialverhalten mit Kontaktbedingungen, sowie Kriterien zur Bewertung von Versagensfällen. Um die Auswertung eurer Simulationen noch effizienter zu gestalten, haben wir zudem die automatisierte Erstellung von Ergebnisberichten ermöglicht.

Wir laden euch herzlich ein, die neue Z88Aurora® V6 selbst auszuprobieren und die vielen Verbesserungen zu entdecken!

Bei Fragen steht wie immer unser Forum oder der E-Mail-Support zur Verfügung.

Euer Z88-Team

Kontaktanalyse

Die linear statische Analyse von Einzelkomponenten gehört bei heutigen Simulationsaufgaben längst zum Tagesgeschäft. Die bisher isolierte Betrachtung von einzelnen Bauteilen ist allerdings oftmals aufgrund der fehlenden Interaktion mit benachbarten Komponenten nicht realitätsnah, weshalb komplexe numerische Simulationen von Baugruppen (Kontaktanalyse) herangezogen werden müssen. Die Abbildung der gegenseitigen Wechselwirkung entspricht dabei einer nichtlinearen Randbedingung, da sich der Zustand zwischen den Kontaktzonen (offen oder geschlossen) während des Rechenlaufes ändern kann. Dieser technisch-physikalische Effekt lässt sich in nahezu jedem technischen System – beispielsweise einer Zahnradpaarung, einem Kettentrieb, usw. – beobachten, weshalb dessen Berücksichtigung für die Ergebnisgüte eine große Rolle spielt.

Z88Aurora

Das Kontaktmodul von Z88Aurora® nutzt drei numerische Gleichungslöser und hat folgende Eigenschaften:

  • Gleichungslöser
    • Zwei unterschiedlich präkonditionierte, iterative Gleichungslöser (SORCG, SICCG) mit Sparse-Speicherung für große Finite-Elemente-Strukturen
    • Ein direkter Multicore-Gleichungslöser (PARDISO) mit Sparse-Speicherung für mittelgroße bis große Finite-Elemente-Strukturen
  • Unterstützte Elementtypen:
    • Hexaeder Nr. 1 (linear) & Nr. 10 (quadratisch)
    • Tetraeder Nr. 16 (quadratisch) & Nr. 17 (linear)
  • Beschreibung der Kontakteigenschaften
    • Kontakttyp: verklebt oder reibungsfrei
    • Kontaktdiskretisierung: Knoten – Fläche oder Fläche – Fläche
  • Einbaumethoden der Zwangsbedingungen
    • Lagrange-Verfahren
    • Gestörtes Lagrange-Verfahren
    • Penalty-Verfahren
  • Beliebige Bauteiloperationen (Translation, Rotation, Skalierung, Duplikation) zur Erzeugung und Positionierung von Baugruppen
  • Die Berechnung der Spannungen geschieht wahlweise anhand dreier Spannungshypothesen:
    • Gestaltänderungsenergie-Hypothese GEH, d.h. von Mises
    • Normalspannungs-Hypothese NH, d.h Rankine
    • Schubspannungs-Hypothese SH, d.h. Tresca

Z88OS

Die Nutzung des Kontaktmoduls ist auf die linear statische Festigkeitsanalyse von Z88Aurora® beschränkt. Z88OS verfügt nicht über die Möglichkeit, Kontaktberechnungen durchzuführen.

Topologieoptimierung

Die Topologieoptimierung als Teil der Strukturoptimierung hilft Ingenieuren dabei, Produkte bzw. einzelne Bauteile so zu gestalten, dass an sie gestellte Anforderungen optimal erfüllt werden. Das kann beispielsweise eine maximale Steifigkeit bei niedrigem Volumen oder eine maximale Festigkeit bei niedrigem Gewicht sein. Dadurch kann ein großes Einsparpotenzial in Form von weniger Energieeintrag im Herstellungsverfahren des Produkts, weniger Materialeinsatz und weniger Arbeitseinsatz bei der Entwicklung ausgeschöpft werden. Diese Vorteile ermöglichen eine Konstruktion und Produktion, die die Prinzipien der Nachhaltigkeit erfüllen.
Um diese Einsparpotenziale bestmöglich nutzen zu können, findet die Topologieoptimierung in der frühen Konzeptionsphase des Produktentwicklungsprozesses  Anwendung. Hier besteht noch eine große Freiheit in den Gestaltungsmöglichkeiten, die später einen großen Einfluss auf die weiteren entstehenden Kosten haben. Gleichzeitig sind die zu diesem Zeitpunkt entstehenden Kosten für Änderungen sehr gering.
Der Aufwand für eine Topologieoptimierung ist sehr niedrig. Zunächst wird vom Anwender definiert, welcher Bauraum für das betrachtete Bauteil zur Verfügung steht. Dann wird angegeben, welche Belastungen an welcher Stelle auf das Bauteil wirken und wo die Gestalt nicht verändert werden soll, z. B. an Bohrungen. Danach kann die Optimierung bereits gestartet werden und die Optimierungssoftware erledigt den Rest.
Je nachdem, welches Verfahren verwendet wird und welches Ziel angestrebt wird, bezieht die Optimierungssoftware aus einer Finiten Elemente Analyse (FEA) die entsprechenden Daten, die zur Weiterverarbeitung benötigt werden. Das können unter anderem Verschiebungen ebenso wie Spannungen im Bauteil sein.
Mit Hilfe der Daten aus der FEA wird die Struktur des Bauteils angepasst, indem der Elastizitätsmodul (E-Modul) der finiten Elemente variiert wird. Dabei soll ein niedriger E-Modul ein Loch darstellen und ein hoher E-Modul die feste Struktur. Mit dieser neuen Verteilung der E-Moduli wird in der nächsten Iteration wieder eine FEA durchgeführt, wobei ein Element mit niedrigem E-Modul ein sehr weiches Verhalten aufweist und somit – quasi wie ein Loch – nicht zur Festigkeit oder Steifigkeit der Struktur beiträgt. Bei manchen Verfahren wird der E-Modul erst mittelbar über eine andere Größe bestimmt. Sämtliche Variablen, die durch den Optimierungsalgorithmus verändert werden, werden als Designvariablen bezeichnet.
Wie der E-Modul angepasst wird, hängt vom Verfahren ab, das verwendet wird. Die existierenden Verfahren lassen sich grob in die beiden Gruppen der mathematischen und empirischen Verfahren gliedern. Bei den mathematischen Verfahren werden die Designvariablen aufgrund einer mathematisch hergeleiteten Gesetzmäßigkeit verändert, was dann zum Optimum führt. Bei empirischen Verfahren werden die Designvariablen hingegen auf der Basis einer Vorschrift verändert, die auf der Vermutung der Optimalität basieren und in der Regel mit wenig Rechenaufwand gute Ergebnisse liefern. In Z88Arion® sind Verfahren aus beiden Gruppen realisiert.

Linear statische Analyse

Mit der linearen Finite-Elemente-Analyse begann in den 50er Jahren die Erfolgsgeschichte der Finite-Elemente-Berechnung in der Praxis.

Bei dieser Art der Berechnung wird davon ausgegangen, dass das Ergebnis proportional zu den aufgebrachten Lasten ist. Durch diese Annahme wird die Lösung des Problems enorm vereinfacht.

Dennoch hat diese Methode noch lange nicht ausgedient. Die meisten Gegenstände des täglichen Lebens verformen sich in gewissen Bereichen linear-elastisch. So ist die lineare FEA die einfachste und schnellste Möglichkeit, Berechnungen durchzuführen. Sie liefert auf diese Art dem Konstrukteur wichtige Informationen über die Bauteilfestigkeit und potentielle Schwachstellen.

Z88Aurora

Z88Aurora® bietet vier numerische Gleichungslöser für die linear statische Berechnung:

  • ein direkter Cholesky-Gleichungslöser mit Jenningsspeicherung für kleine Balken und Stab-Strukturen
  • zwei unterschiedlich präkonditionierte, iterative Gleichungslöser mit Sparse-Speicherung für große Finite-Elemente-Strukturen
  • ein direkter Multicore-Gleichungslöser (PARDISO) mit Sparse-Speicherung für mittelgroße Finite-Elemente-Strukturen

Diese Solver verfügen über folgende Merkmale:

  • 25 integrierte Finite-Elemente:
    • Strukturelemente (Stäbe, Balken und Wellen)
    • Kontinuumselemente (Tetraeder und Hexaeder) mit verschiedenen Elementansätzen (linear, kubisch)
    • verschiedene spezielle Elemente (z.B. Schalen, Kontinuumsschalen, Tori und Platten) mit verschiedenen Elementansätzen (linear, kubisch)
  • Die Berechnung der Spannungen geschieht wahlweise anhand dreier Spannungshypothesen:
    • Gestaltänderungsenergie-Hypothese GEH, d.h. von Mises
    • Normalspannungs-Hypothese NH, d.h Rankine
    • Schubspannungs-Hypothese SH, d.h. Tresca

Z88OS

Unter Z88V15OS stehen folgende Gleichungslöser für linear statische Berechnungen zur Verfügung:

  • ein Cholesky-Solver mit Jennings-Speicherung
  • ein Sparsematrix- Iterationssolver (CG preconditioned) für sehr große Strukturen

Diese Z88OS-Solver sind wie folgt charakterisiert:

  • 25 integrierte Finite-Elemente:
    • Strukturelemente (Stäbe, Balken und Wellen)
    • Kontinuumselemente (Tetraeder und Hexaeder)
    • verschiedene spezielle Elemente, wie z.B. Schalen, Kontinuumsschalen, Tori und Platten
    • verschiedene Elementansätzen von linear bis kubisch
  • Ausgabe von Spannungen anhand von drei Spannungshypothesen:
    • Gestaltänderungsenergie-Hypothese GEH, d.h. von Mises
    • Normalspannungs-Hypothese NH, d.h Rankine
    • Schubspannungs-Hypothese SH, d.h. Tresca