Transportsimulation von Stahlstabbündel mit Abaqus

In diesem Blog wird aufgezeigt, wie der Transport von Rohrbündel (Abbildung 1) mit Abaqus simuliert wird. Während eines solchen Transports werden viele Stäbe in einem Bündel verpackt und diese dann übereinandergelegt. Eine Kontaktmodellierung mit Contact Pair wäre zu aufwendig, daher kommt hier der General Contact zum Einsatz. Da die Bündelpakete mehrfach aufeinandergestapelt werden, wird die Methode “ Erstellen von Instanzen aus Modellen“ verwendet. Die Verpackungsgurte versagen in der Regel an den Schweißpunkten. Daher wird das Versagen der Schweißpunkte mit modelliert.

Abbildung 1: Bündel von Stahlstäbe (links) und Transport der Bündel (rechts).

Die Modellierung für die Finite-Elemente-Analyse

Geometrie

Um die Simulation des Transports von Stabbündel durchzuführen, wurden in Abaqus fünf verschiedene Bauteile (Abbildung 2) wie Stahlstab, Stahlgurt, Stahlseil, Holzblock und U-förmige Behälter angelegt. In der Realität werden die Bündel auf Holzblöcken oder Stahlstäben platziert. Da das Versagen der Bänder an den Schweißpunkten für die maximale Belastung relevant ist, wird nur das vertikale Heben oder Senken der Bündel simuliert. Sechs Bündel werden übereinandergelegt, wobei die maximale Last von der Unterseite des Bündels getragen wird. Der Bruch der Bänder würde daher an der Unterseite des Bündels erfolgen.

Abbildung 2: Anordnung eines Bündels in Abaqus

Die folgenden Abmessungen und Informationen werden zur Erstellung der Geometrien verwendet:

Massive Stahlstäbe
Durchmesser: 69 mm
Länge: 8.000 mm

Die Stäbe werden als 3D-Balken modelliert und mit einer Beam-Section verbunden. Für das vorliegende Beispiel ist die Verwendung von 3D-Balkenelementen sehr praktisch, da sich die Gesamtzahl der Elemente im Vergleich zum 3D-Solid-Modell mit Volumenelementen reduziert und damit die Gesamtberechnungszeit deutlich reduziert wird.

Die Stäbe bestehen aus Stahl mit elastischen und plastischen Materialeigenschaften.

Abbildung 3: Einzelner Stab als 3D-Balkenelment abgebildet (links) und ein Bündel mit vielen Stäben (rechts).

Stahlgurte
Breite: 52 mm
Dicke: 3 mm

Die Gurte werden einmal um das Stangenbündel gewickelt und an den Enden verschweißt.

In der Praxis verwendet man Stahlgurte oder textile Seile, um die Stäbe während des Transports zu umschließen. Im vorliegenden Beispiel werden Stahlgurte benutzt. Die Gurte werden als 3D-Shell modelliert.

Abbildung 4: Stahlgurt als 3D-Shell.

Retainer
3 Retainer in U-Form
Breite: 48 mm
Höhe: für 6 Bündel

Abbildung 5: U-Retainer als 3D-Shell

Die Retainer werden zum Transport und zur Lagerung/Stabeln der Bündel verwendet. In diesem Beispiel werden die Behälter als 3D-Shell modelliert.

Stahlseil/ Kabel
Breite: 52mm
Dicke: 3mm

Die Bündel werden mit Stahlseilen umschlungen und mit Hilfe eines Krans angehoben und in die Retainer gelegt. Das Anheben wird am Ende der Seile durch eine Randbedingungen mit erzwungener Verschiebung definiert. Die Stahlseile werden als 3D-Shell modelliert.

Abbildung 6: Stahlgurt als 3D-Shell

Im aktuellen Beispiel besteht ein Bündel aus 24 Stäben, die mit sieben Gurten verbunden und mit zwei Seilen transportiert werden.

Die Gurte, Stahlseile und Behälter sind aus Stahl mit linearen Eigenschaften.

Kontaktdefinition

Kontakt

Der General Contact ist in Abaqus sehr einfach zu definieren. Da es viele Stäbe und andere Bauteile gibt, wäre die Definition von Contact Pairs sehr zeitaufwendig.
Bei der Verwendung von General Contact in diesem Beispiel mit Selbstkontakt, muss die Kontaktdicke von Schalen- und Balkenelementen in Abhängigkeit der Blechdicke und Elementgröße reduziert werden. Andernfalls wird es unmöglich, die Schalen- oder Balkenstruktur zu bearbeiten oder einen Kontakt zu finden. Die automatische Reduzierung der Dicke ist in Abaqus üblich, und der Modellierer schreibt die Warnmeldung in die Statusdatei (.sta). Man kann jedoch die Reduzierung der Dicke vermeiden, indem man die Selbstkontaktflächen der Schale oder des Balkens von der allgemeinen Kontaktdefinition ausschließt und eine Kontaktkontrolle (NOPERIMSELF) über das Bearbeitungsschlüsselwort zuweist.

Die vom allgemeinen Kontakt ausgeschlossenen Selbstkontaktflächen würden im Keyword Editor wie folgt aussehen,

*Kontaktausschlüsse
Surf-11-Beam1,
Surf-11-Beam1,

und die Kontaktkontrolle ist,

*CONTACT CONTROLS ASSIGNMENT, CONTACT THICKNESS REDUCTION=NOPERIMSELF

Man kann in Abaqus/CAE (Abbildung 10) auch die Kontaktflächen selbst ausschließen,

Abbildung 7: Definition General Contact in Abaqus/CAE

Abbildung 8: Vom General Contact ausgeschlossene Flächen

Abbildung 9: Contact Controls in Edit Keywords

Rigid Constraints

Die Retainer spielen keine große Rolle in der aktuellen Simulation. Daher werden die Retainer als Rigid Bodys modelliert und fixiert.

Abbildung 10: Rigid body Definition für Retainer

Connector Section mit Versagensmodellierung

Im Allgemeinen werden Connectoren verwendet, um Verbindungselemente wie Bolzen, Schrauben und Schweißpunkte zu modellieren. Ein Connector sieht zwar nicht sehr realistisch wie ein 3D-Modell aus, aber das Verhalten ist das gleiche wie bei einem 3D-Modell. Der Hauptvorteil von Connectoren ist, dass die Modellierung einfach ist und im Vergleich zur 3D-Modellierung weniger Berechnungszeit erfordert.
Möchte man das Versagen eines Schweißpunktes definieren, müssen Kennwerte aus physikalischen Tests in Abhängigkeit von der Belastungsrichtung mit unterschiedlichen Belastungszuständen und der Kombination der Belastungsart ermittelt werden (Bild 11).

Abbildung 11: Versagenskräfte für Schweißpunktverbindungen

Darüber hinaus kann man in Abaqus Schweißpunkte mithilfe der weld connector section modellieren. Jedoch bietet der Connector Section Typ weld connector keine Optionen zur Definition elastischer oder elastisch-plastischer Eigenschaften. Mit der weld connector section kann man nur die Kräfte/Momente als Versagenskriterium (Bild 14) ohne elastische Eigenschaft definieren.

Abbildung 12: Welding connector section in Abaqus

Um elastisch-plastische Eigenschaften zuzuweisen, muss man eine andere Art von Connector Sections (z. B. bushing), zusammen mit dem Versagenskriterium als Kräfte/Momente verwenden. Die Komponenten der Steifigkeitsmatrix der connector sections werden wie folgt formuliert:

Isotropic:

Wenn die Querkontraktion nicht berücksichtigt wird:

Eine bushing connector section mit elastischen Eigenschaften in Abaqus wird wie folgt dargestellt:

Abbildung 13: Bushing connector section in Abaqus

Im nächsten Schritt wird die connector section über ein wire-feature oder fasteners (Abbildung 18) zugewiesen. Im aktuellen Beispiel werden fasteners erstellt, da diese ohne Referenzpunkte einfach mehrfach erstellt werden. Die Option Attachment points im Interaktionsmodul erstellt mithilfe von Kantenparametern mehrere Schweißpunkte entlang der Kantenrichtung (Abbildung 16). Für jedes Band werden drei Schweißpunktreihen und jede Reihe mit drei Schweißpunkte entlang der Kante erstellt.

Abbildung 14: Attachment points

Abbildung 15: Fastener definition in Abaqus

Abbildung 16: Fastener definition in Abaqus

Abbildung 17: Fastener definition in Abaqus

Lasten und Lagerbedingungen

Gravity

Bei der Simulation wird das Eigengewicht mit der Funktion „gravity load“ berücksichtigt.

Abbildung 18: Gravity load definition

Lagerbedingungen

Die folgenden Lagerbedingungen warden für Rateiner, Holzlatten und Stahlbänder definiert.

• Die Retainer werden als Rigid Body modelliert und im Referenz Punkt in alle Richtungen fixiert.

Abbildung 19: BC on Containers

An den Stahlgurten ist eine Displacement boundary condition definiert um die Gurte anheben und ablassen zu können.

Abbildung 20: Lagerbedingung an Stahlgurten

Predefined-Field

Zunächst werden die Bänder lose um die Stahlstäbe gelegt. Die Bänder werden dann in der Simulation gespannt, um die Stangenpakete zu bündeln. Die Vorspannung wird durch ein Abkühlen der Bänder erreicht, wodurch sich die Bänder zusammenziehen und die Vorspannung erzeugt wird.

Abbildung 21: Predefined field (Initial temperature)

Abbildung 22: Predefined field

Die weiteren Schritte der Simulation wie Aufbau, Step-Definition und Ergebnisse werden im zweiten Teil des Blogs dargestellt.