SplineGen Modellierung

SplineGen
SplineGen ist ein im Rahmen des generischen Modells entstandenes Programmpaket, das bei der
Festigkeitsanalyse von Laufrädern eingesetzt werden kann.
Modellierung
Die hier vorgestellte Software ist ein weiterer Baustein in der Abfolge von Software-Tools zur
Erstellung eines Radialverdichterlaufrades von der Auslegung über die Konstruktion bis zum
fertigen 3D-Modell.
In diesem Tool wird eine komplett ausgelegte 3D-Radialschaufel, wie in Abbildung 1 zu sehen,
mit dem zugehörigen 2D-Strömungskanal und dem zu erstellenden Laufradkörper zu einer
Einheit verschmolzen.
Abbildung 1: 3D-Radialschaufel
Die Abbildung 2 zeigt die 2D-Kontur des konstruierten Laufradkörpers. Diese Kontur kann
direkt am Bildschirm aufgebaut, über interne Datensätze eingebunden oder mittels IGES aus
einem kommerziellen CAD-Programm übernommen werden.
Abbildung 2: 2D-Kontur des Laufradkörpers
Das nachfolgende Bild zeigt noch mal die Ausgangssituation mit der 3D-Radialschaufelkontur
und der 2D-Kontur des Laufradkörpers.
Abbildung 3:
Laufradkörper
Radialschaufelkontur
mit
2D-
Der nächste Schritt zur Erstellung einer Einheit ist die Verbindung der Radialschaufelkontur
mittels Fillets an die Oberfläche des Laufradkörpers, gegeben durch die Begrenzung des
Strömungskanals. Das Fillet dient zur Nachbildung eines vorhandenen Fräserradius oder eines
Gussradius.
Abbildung 4: Fillet als Verbindung Schaufel zum Laufradkörper
Zur effizienteren Bearbeitung im FEM-Bereich wird lediglich ein Sektormodell des Laufrades
benötigt. Aus diesem Grund wird, wie im folgenden dargestellt, ein sogenannter SektorgrenzSpline auf der Oberfläche des Laufradkörpers erstellt und bearbeitet. Die Bearbeitung erfolgt
hier dreidimensional auf der Fläche des Laufradkörpers.
Abbildung 5: Bildung der Sektorgrenz-Splines
Im letzten Schritt wird die 2D-Laufradkörperkontur an die bis jetzt fertiggestellte 3DRestgeometrie angepasst, so dass eine komplette dreidimensionale Einheit aus Radialschaufel,
Fillet und Laufradkörper entsteht.
Abbildung 6: komplette 3D-Laufradeinheit
Die entstandene Laufradgeometrie kann zur weiteren Verarbeitung in einem internen Datensatz
abgespeichert werden, um z.B. über eine interaktive halbautomatische Partitionierung zu einem
Hexaeder-FEM-Netz für Festigkeitsuntersuchungen zu gelangen.
Partitionierung
Die Software unterstützt den Anwender in
der Partitionierung des vorhandenen
Laufradvolumens. Es werden, wie in Abb. 8
und Abb. 9 zu sehen, zusätzliche
sogenannte Partitionierungs-Splines
eingebaut, die das gesamte Volumen in 6flächige Teilvolumen aufsplitten.
Abbildung 8: Partitionierung des
Laufradeintrittsbereiches
Die eingebrachten Splines können dabei auch, wie in
Abb. 3 zu sehen, als Umlenkung oder zur Reduzierung
der Elementanzahl dienen.
Abbildung 9: Partitionierung des
Laufradaustrittbereiches
Die Software ist so aufgebaut, dass man
bestimmte
Partitionen
zuerst
relativ
unkompliziert in einem 2D-Fenster erstellen und
bearbeiten kann. Ein Beispiel dafür ist die
Erstellung der Partitions-Splines für den
Laufradvolumenkörper in Abb 10.
Abbildung
10:
Partitionierung
des
Laufradvolumenkörpers in 2D
Im Anschluss daran werden diese Partitionen
sehr komfortabel automatisch auf das 3DGeometriemodell gelegt.
In Abb. 11 kann man sehen, wie die 2DPartitionierung auf eine sogenannte SektorGrenzfläche im dreidimensionalen Raum
projeziert wurde.
Abbildung 11: Grenzflächen-Partition
Im folgenden erkennt man dann die FilletPartitionierung des Schaufelfussbereiches. Die
hier zusätzlich eingefügten Partitions-Splines
verbinden die Schaufelpartitionierungen mit den
Partitionen des Laufradkörpers.
Der Filletbereich wird mit diesen Partitionen
zum einen zur festigkeitsgerechten Analyse
feiner partitioniert, um Kerbspannungen im
Schaufelfuss mit einer feineren Vernetzung
herauszuarbeiten, und zum anderen auch als
Mittel genutzt, die Partitionen in dem zur
Drehachse spitz zulaufenden Laufradkörper zu
vergröbern.
Abbildung 12: Partitionierung im Filletbereich
Zur besseren Gestaltung der Winkel innerhalb
der einzelnen Teilvolumen können verschiedene
Fillet-Querschnitte quasi in 2D bearbeitet
werden.
Abbildung 13: Darstellung eines FilletQuerschnittes
Die
komplette
Partitionierung
des
Laufradkörpers erfolgt wiederum,wie in Abb.
14 zu sehen, von der Grenzfläche ausgehend
vollautomatisch programmgesteuert.
Abbildung 14: Vollständige Partitionierung des
Laufradkörpers
Zur Vervollständigung des Modells wird am
Ende die Schaufel durchpartitioniert.
Abbildung 15: Schaufelpartitionen
Das gesamte partitionierte Modell eines
Radiallaufrades, in Abb. 16 zu sehen, kann
wiederum in einem internen Datensatz
gespeichert
oder
als
IGES-Export
in
kommerziellen CAD-Programmen weiterverwendet werden.
Vernetzung
Netzgenerierung mit NetGen
In NetGen können schnell und komfortabel die Netze auf die in der Partitionierung erstellten
Drahtmodelle generiert werden. Die nachfolgende Abbildung 17 zeigt den Programmablauf.
Abbildung 17: Programmablauf
Bevor eine Netzgenerierung ausgeführt werden kann, muss zuvor aus dem Drahtmodell ein
virtuelles Volumenmodell erzeugt werden (Abbildung 18).
Abbildung 18: Wireframe eines Laufradsektors
Die jeweilige Knotenanzahl wird über die Anzahl der Elemente definiert, die in NetGen über das
Netz-Parameter-Menü bestimmt wird. Im Menü besteht die Möglichkeit, auf so genannten
Master/Slave-Splines die Anzahl an Elementen festzulegen (Abbildung 19).
Abbildung 19: Netzparameter
In dem Beispiel aus Abbildung 19 sollen auf den rot gekennzeichneten Master/Slave-Splines
sieben quadratische Elemente gesetzt werden. Diese Festlegung der Elementanzahl wird nun für
sämtliche Spline-Gruppen wiederholt. Als geeignete Methode erweist sich ein rekursives
Verfahren. Das bedeutet, dass man einfach die jeweilige Anzahl der Elemente abschätzt, das
Netz generieren lässt und über eine Netzinfo-Box (Abbildung 20) die tatsächliche Anzahl der
Knoten aufruft. Stimmt ihre Anzahl nicht, so kehrt man zurück ins Netz-Parameter-Menü und
vergrößert bzw. verkleinert die Anzahl der Elemente auf bestimmten Spline-Gruppen.
Abbildung 20: Netz-Info
Nach der richtigen Auswahl an Elementzahlen und anschließender Netzgenerierung besteht
bereits ein vollständiges Netz, jedoch muss für die numerische Berechnung eine Verdichtung der
Knoten vorgenommen werden, um mögliche Spannungsspitzen gut aufzulösen (Abbildung 21).
In NetGen wird die Verdichtung, das sog. Biasing, über das Biasing Icon aufgerufen. Hier kann
aus verschiedenen Verdichtungsfunktionen die Art der Knotenverdichtung für einen Spline bzw.
Master/Slave-Splines ausgewählt werden.
Abbildung 21: Bias einer Master/Slave-Gruppe
Abschließend müssen noch die Einstellungen für den Laufradsektor eingegeben werden
(Abbildung 22), damit die entsprechende Gruppierung der Knoten erfolgen kann.
Abbildung 22: Einstellungen für Laufradsektor
Die Abbildung 23 zeigt die Netzelemente als Ergebnis. In diesem Beispiel ist exemplarisch eine
Verdichtung zum Schaufelkopf vorgenommen worden, um sie besser erkennbarer zu machen.
Abbildung 23: Netzelemente eines Laufradsektors
Das Netz des Laufradsektors kann nun u.a. nach I-DEAS exportiert werden (Abbildung 24).
Dazu wird die Schnittstelle *.UNV verwendet. Alternativ ist ein Export nach Abaqus auch
möglich.
Abbildung 24: Nach I-DEAS exportiertes Netz

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