SOLIDWORKS Simulation – Symmetrie nutzen und Berechnungszeit sparen

Viele reale Bauteile sind geometrisch symmetrisch aufgebaut. Teilweise kann man bis zu drei Symmetrieebenen definieren (bei Rotationssymmetrie sogar noch viele mehr). Sind zusätzlich auch noch die Lagerungen und Lasten zu diesen Ebenen symmetrisch, lässt sich dies in SOLIDWORKS Simulation direkt ausnutzen, indem nur ein Bruchteil des Gesamtmodells vernetzt und berechnet wird. Dies kann signifikant Rechenzeit einsparen und durch feinere mögliche Vernetzung genauere Ergebnisse liefern.

Was bedeutet Symmetrie für ein FEM-Modell?

Ein Knoten des Rechennetzes, der in einer Symmetrieebene liegt, darf diese bei der Verformung des Bauteils nicht verlassen. Sonst wären die beiden Abschnitte, die durch die Symmetrieebene definiert werden, nach der Verformung nicht identisch. Aber genau das ist ja die Definition von Symmetrie.
Das bedeutet, dass der translatorische Freiheitsgrad senkrecht zur Symmetrieebene beschränkt sein muss. Eine Bewegung innerhalb der Symmetrieebene ist zulässig. Knoten von Schalenelementen oder Balken haben noch zusätzlich 3 Rotationsfreiheitsgrade, d.h. die Rotationen um die beiden Achsen in der Symmetrieebene muss zusätzlich verhindert werden.

In SOLIDWORKS Simulation werden diese Beschränkung automatisch durch Anwenden der Einspannung vom Typ Symmetrie angewandt.

Ein Beispiel

Die folgende Darstellung zeigt ein Kettenglied (genauer ein vollständiges Aussenglied und zwei halbe Innenglieder). Hier könnte man die Aussenflächen beidseitig belasten und das Glied damit in die Länge ziehen. Anschliessend kann man die Längung auf die gesamte Kette mit vielen Gliedern hochrechnen.

Betrachtet man den Aufbau genauer, stellt man fest, dass man hier einen sehr symmetrischen Aufbau hat. Geht man zusätzlich davon aus, dass man die Last symmetrisch aufbringt, lässt sich das Modell, wie in den folgenden Bildern gezeigt, verkleinern:

Der Zugriff auf die Symmetrierandbedingung erfolgt über die Einspannungen – Erweiterte Einspannungen:

Anschliessend müssen alle Flächen ausgewählt werden, die in einer Symmetrieebene liegen (Achtung, eine Vorschau erscheint bereits bei der ersten ausgewählten Fläche!).

Weiterhin ist zu beachten, dass Kräfte auf die nun kleineren Flächen heruntergerechnet werden müssen. Halbiert man das Modell, halbiert sich die Kraft.

Wie oben beschrieben stellt die Symmetrierandbedingung für das FEM-Modell nichts anderes als eine Lagerung von Knoten dar. Diese Einspannung könnte man auch manuell vornehmen (Einspannungen – Referenzgeometrie verwenden und dann die jeweiligen Freiheitsgrade beschränken).
Die Symmetrierandbedingung hat jedoch auch den Vorteil, dass Ergebnisse wieder auf dem ungeschnittenen Modell dargestellt werden können.

Verwenden Sie hierzu den Haken „Symmetrische Ergebnisse anzeigen“ bei der Definition der Ergebnisdarstellung:

In unserem Fall sieh das Ergebnis dann so aus:

Zusammenfassung

Wenn möglich, sollte das Vorhandensein von Symmetrien in Geometrie und Lasten/Einspannungen genutzt werden, um die Bauteilgrösse und damit die Netzgrösse zu minimieren. Dies erlaubt mehr Spielraum in der Auflösung des Rechennetzes bzw. verringert die Rechenzeit. Die Ergebnisdarstellung kann nach wie vor auf die volle Geometrie extrapoliert werden.