Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) von Rohrkreuzungen in ABAQUS erfordert eine sorgfältige Auswahl der Elementtypen. Hexaeder- (Hex-) und Schalenelemente bieten jeweils spezifische Vorteile und Einschränkungen. Daher vergleicht diese Studie die beiden Ansätze, um Ingenieure bei der Auswahl des geeignetsten Elementtyps für präzise und effiziente Simulationen zu unterstützen.

Studienübersicht

Für die Analyse von Rohrkreuzungen:

• nichtlineare Analysen werden vorgezogen, da sie große Verschiebungen, Drehungen und Scherungen ermöglichen.

• Dazu gehören die Steifigkeit bei anfänglicher Spannung und die Steifigkeit bei Oberflächenbelastung, was eine genaue Modellierung unter Druckbelastungen ermöglicht.

• Bei der Betrachtung endlicher Dehnungen verwendet die Formulierung die wahre Spannung pro Flächeneinheit und die integrierte Deformationsrate als Dehnungsmaß.

Randbedingungen:

• Material: AISI 4130

• Kraft: 1000 N angewendet

• Einschränkungen: Klemmen an beiden offenen Enden zur Fixierung der Freiheitsgrade

Hexaedrische Elemente (C3D8R)

Definition:

• C – Kontinuum

• 3D – Dreidimensional

• 8 – Knoten pro Element

• R – Reduzierte Integration

Globale Elementtypauswahl in der App zur Erstellung mechanischer Szenarien auf 3DExperience -Plattform. (Abbildung 1)

 Darstellung des Hexagonalnetzes am Schnittpunkt der Rohre. (Abbildung 2)

Darstellung des Netzes auf der Rohroberfläche (Abbildung 3)

Sweep-Gitterspezifikationen (Abbildung 4)

Ergebnisse:

• Maximale Auslenkung: 5,24 mm

Verschiebung mit C3D8R-Elementen (Abbildung 5)

• Die von-Mises-Spannungsverteilung ist in den Abbildungen dargestellt

Von-Mises-Spannung mit C3D8R-Elementen (Abbildung 6)

Vorteile:

• Darüber hinaus ermöglichen Hex-Elemente eine präzise Darstellung komplexer 3D-Geometrien; insbesondere eignen sie sich hervorragend zur Modellierung von Rohrkreuzungen.
• Darüber hinaus sind sie weniger anfällig für Scherverriegelung, was die numerische Stabilität erhöht.
• Darüber hinaus werden weniger Elemente benötigt, um konvergierte Lösungen zu erzielen, was die Recheneffizienz verbessert.

Nachteile:

• Hex-Elemente sind jedoch schwieriger zu vernetzen, insbesondere bei komplexen Geometrien.
• Darüber hinaus entstehen höhere Rechenkosten aufgrund der größeren Anzahl von Knoten pro Element.

Lineare Schalenelemente (S4R)

Definition:

• S – Shell

• 4 – Knoten pro Element

• R – Reduzierte Integration

 Globale Elementtypauswahl in der App zur Erstellung von mechanischen Szenarien auf 3DExperience Plattform (Abbildung 7)

Darstellung des Schalennetzes auf der Rohroberfläche. (Abbildung 8)

Darstellung des Hexagonalnetzes am Schnittpunkt der Rohre. (Abbildung 9)

Ergebnisse:

• Maximale Auslenkung: 4,97 mm

Verschiebung mit S4R-Elementen (Abbildung 10)

• Die von-Mises-Spannungsverteilung ist in den Abbildungen dargestellt

Von-Mises-Spannung mit S4R-Elementen (Abbildung 11)

Vorteile:

• Erstens lassen sich Schalenelemente leichter vernetzen, selbst bei komplexen Geometrien.

• Darüber hinaus sind sie für einfachere Analysen effizienter und reduzieren die Einrichtungszeit.

Nachteile:

• Allerdings sind Schalenelemente bei komplexen Schnittpunkten im Vergleich zu Hex-Elementen weniger genau.

• Darüber hinaus neigen sie eher zu Scherverformungen, was die Ergebnisse beeinträchtigen kann.

• Darüber hinaus können zur Erzielung einer vergleichbaren Genauigkeit zusätzliche Elemente erforderlich sein, wie zum Beispiel Keile an den Verbindungsstellen.

Nichtlineare Schalenelemente (S8R)

Definition:

• S – Shell

• 8 – Knoten pro Element

• R – Reduzierte Integration

Zeigt die globale Elementtypauswahl in der App „Mechanische Szenarioerstellung“ auf der 3DEXPERIENCE Plattform. (Abbildung 12)

Die Abbildung zeigt das Mantelgewebe an der Rohroberfläche. (Abbildung 13)

Zeigt das Hexagon-Netz an der Verbindungsstelle der Rohre. (Abbildung 14)

Ergebnisse:

• Maximale Auslenkung: 8,41 mm

Verschiebung mit S8R-Elementen (Abbildung 15)

• Die von-Mises-Spannungsverteilung ist in den Abbildungen dargestellt

Von-Mises-Spannung mit S8R-Elementen (Abbildung 16)

Und die maximale Auslenkung: 5,25 mm

S4R

Es ist festzustellen, dass die maximale Von-Mises-Spannung für S4R (lineare Schalenelemente)

und die maximale Auslenkung: 4,97 mm

Es ist festzustellen, dass die maximale Von-Mises-Spannung für S8R (nichtlineare Schalenelemente) betrug

und die maximale Auslenkung: 8,24 mm 

Abschluss

• Geometrische Komplexität: Für einfache Schnittpunkte sind Schalenelemente ausreichend; für komplexe gekrümmte Schnittpunkte oder Verzweigungen bieten Hex-Elemente eine höhere Genauigkeit.

• Art der Analyse: Für lineare statische Analysen können Schalenelemente verwendet werden; nichtlineare Analysen mit großen Verformungen oder Kontakt profitieren von Hex-Elementen.

• Vernetzungserfahrung: Schalenelemente sind für Anfänger einfacher; mit etwas Übung lassen sich Hex-Elemente effizient vernetzen.

Die Wahl des richtigen Elementtyps gewährleistet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Genauigkeit, Rechenaufwand und Vernetzungsaufwand. Das Verständnis der Stärken und Schwächen jedes Elements sichert zuverlässige Ergebnisse für Rohrkreuzungssimulationen in ABAQUS.

• Autor
• Neueste Beiträge

Debaditya Chakraborty

Branchenprozessberater bei Dassault Systèmes

Debaditya ist Prozessberater bei Dassault Systèmes und begeistert sich für Innovationen in der Mehrkörperdynamik, CAD und FEA. Sein Spezialgebiet ist die Konstruktion von Mehrgelenkmechanismen mithilfe datengetriebener Methoden. Er verfügt über Erfahrung in Simulationen der additiven Fertigung von Metallen, der Schiffsstrukturanalyse und der Automatisierung von FEA-Prozessen.

Neueste Beiträge von Debaditya Chakraborty (alle anzeigen)

• ABAQUS Rohrschnittpunkt: Hex- vs. Schalenelemente – 10. November 2025
• SIMULIA Surrogate Modelling 101: KI & ML in Physiksimulationen - 8. Oktober 2025
• Optimierte thermische Analyse von Solarmodulen mit MODSIM auf 3DEXPERIENCE – 15. September 2025