Geometrische Methoden des CAD / CAE WS2014/2015

Transkript

1 Geometrische Methoden des CAD / CAE WS2014/2015 Prof. Dr. André Stork Matthias Bein Telefon: 06151/ Andre.Stork@igd.fraunhofer.de Matthias.Bein@igd.fraunhofer.de -1-

2 Organisatorisches Literatur und Skript: Skript von Prof. Anderl zum Thema CAD (in Auszügen) Lee: Principles of CAD / CAM / CAE Systems, Addison-Wesley Piegl, Tiller: The NURBS Book, Springer Verlag Farin: Kurven und Flächen im Computer Aided Geometric Design, vieweg Shah, Mäntylä: Parametric and Feature-based CAD/CAM, Wiley & Sons -2-

3 Einführung BEGRIFFE & DEFINITIONEN -3-

4 Um was geht es eigentlich? Geometrische CAD Methoden Topologische CAE -4-

5 Stoffplan Parametrische Kurvenmodelle Parametrische Flächenmodelle Topologie und CAD-Volumenmodelle CAD-Operationen auf Flächen Tessellierung Approximation von Kurven und Flächen Finite-Elemente-Methode und Strömungssimulation Verschiedene Anwendungen aus dem CAD-Bereich -7-

6 Definitionen CAD (Computer-Aided Design) bezeichnet den computer-unterstützten Konstruktionsprozess (dt.: rechner-gestütztes Konstruieren). Design wird im Sinne von Konstruktion nicht wie eingedeutscht üblich im Sinne von Industriedesign (Styling) verwendet; siehe auch CAID (Computer- Aided Industrial Design) und CAS (Computer-Aided Styling) (siehe auch Skript Prof. Anderl). Bild von Siemens PLM -9-

7 Definitionen CAE (Computer-Aided Engineering) bezeichnet den computerunterstützten ingenieursmässigen Simulations- und Testprozess virtueller Produkte. Hier wird u.a. die Belastbarkeit von Konstruktionen simuliert bevor diese real existieren (siehe auch Skript Prof. Anderl). -10-

8 Definitionen Die bekanntesten Teilbereiche des CAE sind strukturmechanische und strömungsmechanische Untersuchungen. In der Strukturmechanik erfolgt die Simulation von auf das Produkt (Bauteil) einwirkenden Kräften, z.b. Verformungen, Dauerbelastbarkeit, Verschleiß. In diesem Zusammenhang redet man von FEM (Finite Element Method) bzw. FEA (Finite Element Analysis). In der Strömungsmechanik erfolgt die Simulation von strömungsdynamischen Vorgängen, z.b. Aerodynamiksimulation, Gieß-/Fließ- Simulation. Hier spricht man von Computational Fluid Dynamics (CFD). Auch bei CFD spielen finite Elemente die Rolle der fundamentalen Datenstruktur, die zur Simulation realer Vorgänge und zu deren Approximation eingesetzt werden. -11-

9 Virtuelle Produktentwicklung MOTIVATION -12-

10 Motivation Produktlebensphasen Nutzen Prozessketten Produktentwicklungsprozess -13-

11 Produktlebenszyklus (1) Produktplanung (8) Produktentsorgung (2) Entwicklung & Konstruktion (7) Produktrecycling Produktlebenszyklus (3) Arbeitsvorbereitung (6) Produktnutzung (5) Produktvertrieb (4) Produktherstellung -14-

12 Nutzen der CAx-Technologie Aufwand für Entwicklung und Konstruktion Konzept Entwicklung / Konstruktion Versuch / Test Werkzeug Produktion Neuentwicklung Vorgänger Vorverlagerung und Verdichtung von Entwicklungstätigkeiten Verkürzung der Produktentwicklung Zeit -15-

13 CAx-Prozessketten MKS RPT MC TP D 3D CAD FEM DMU NC RC -17-

14 Nach dem CAD -> CAE: Crash-Simulation -18-

15 Beispiel VIRTUELLE PRODUKTENTWICKLUNG -19-

16 Produktentwicklungsprozess Automobil heute im Überblick -20-

17 Stylingumgebung Bild: DaimlerChrysler -21-

18 Workflow: perspective sketch -22-

19 Einsatz von Stylingsystem -23-

20 Workflow: Tonmodellbearbeitung Bild: DaimlerChrysler -24-

21 Workflow: Digitalisierung Bild: DaimlerChrysler -25-

22 Workflow: Digitalisierung und Flächenrückführung -26-

23 Einsatz von CAD-Systemen -27-

24 Einsatz von CAE-Systemen -28-

25 Workflow im Überblick Design drawings pictures Tape Drawings CAS Virtual 3D model Model workshop Digitalisation digit. data CAD Phys. 3D model Pictures courtesy of Italdesign Giugiaro S.p.A. -29-

26 HISTORIE -30-

27 Wie Alles begann Konstruieren vor CAD -31-

28 Wie Alles begann -32-

29 Wie Alles begann -33-

30 Wie Alles begann -34-

31 Wie Alles begann -35-

32 Wie Alles begann -36-

33 Wie Alles begann -37-

34 Historie (Schlaglichter) 50er und 60er Jahre: Ansätze zur mathematischen Repräsentation von Kurven und Flächen werden entwickelt 60er Jahre: erste interaktive Computergraphik: SketchPad von Ivan Sutherland; mit Lightpen können auf einem Vektorschirm Linien erzeugt werden 60er und 70er Jahre: Automobilhersteller (GM, Renault, etc.) entwickeln firmen-intern erste CAD -Systeme -38-

35 Historie (Schlaglichter) 70er und 80er Jahre: Firmen-interne Entwicklungsgruppen werden outgesourced erste kommerzielle CAD-System von Drittanbietern 90er Jahre Durchbruch von 3D-CAD im High-End-Bereich (UNIX-Workstation) PCs werden CAD-fähig (Autodesk: AutoCAD) neue Modellierparadigmen entstehen: parametrische, feature-basierte Modellierung -39-

36 Historie (Schlaglichter) 90er Jahre Simulationsmarkt immer noch UNIX/Linux-dominiert (Cluster / number cruncher) PCs werden 3D-CAD fähig Nutzen von 3D-CAD mittlerweile unbestritten 2000 jetzt Datenintegration gewinnt an Bedeutung: PDM- (product data management) und PLM-Systeme (product lifecycle management) sind für große Unternehmen von strategischer Bedeutung CAE immer wichtiger hinkt aber in Bezug auf Marktdurchdringung dem CAD-Bereich hinterher -40-

37 Übersicht bekannte Software-Produkte EINFÜHRUNG -41-

38 Übersicht bekante Software-Produkte CAD CAE CATIA Autodesk NX (Siemens PLM) Pro/ENGINEER SolidWorks ( ) MSC Nastran/Patran ANSYS LMS Fluent LS-Dyna MSC ADAMS Strömung (CFD) Crash / CFD Kinematik -42-

39 Übersicht bekannte Software-Produkte Überblick: die wichtigsten CAD-Systeme (MCAD Maschinenbau-CAD) Die großen 3 : Dassault: CATIA Siemens PLM: NX PTC: Pro/Engineer -43-

40 Übersicht bekannte Software-Produkte Überblick: die wichtigsten CAD-Systeme (MCAD Maschinenbau-CAD) Beispiel: CATIA von Dassault 2D / 3D CAD-System Unterstützt Modellaufbereitung für FEM- Analyse Beinhaltet eigene Simulationsmodule Vorteil: Integriertes CAD/CAE-System Nachteil: traditionell CAD-System, limitierte Simulationsfunktionalität -44-

41 Übersicht bekannte Software-Produkte Überblick: bekannte CAD-Systeme (Freiformflächenmodellierung) ICEM Surf von Dassaul (früher ICEM Technologies) Alias AutoTools von Alias Wavefront Rhinoceros von Robert McNeel -45-

42 Übersicht der wichtigsten Softwareprodukte Überblick: die wichtigsten CAD-Systeme (Freiformflächenmodellierung) Beispiel: Surf von Dassault (früher ICEM Technologies) -46-

43 Übersicht der wichtigsten Softwareprodukte Überblick: CAD-Kerne ACIS von Spatial (Tochter von Dassault) Catia-Kern von Dassault (über Spatial lizensiert) Parasolid von SiemensPLM OpenCascade ( CAD-Kerne sind Programmbibliotheken, die (CAD)-Modellierfunktionalität zur Verfügung stellen. -47-

44 MSC Nastran/Patran Mac Neal Schwendler Nastran Reine Simulationssoftware Lineare / Nichtlineare Simulationen in unterschiedlichen Gebieten Patran Basis 3D-Modellierungsfunktionaliäten; Traditionell Simulationstool daher nur beschränkte Modellierungsmöglichkeiten Unterstützt CAE Modellerstellung Bildet zusammen mit Nastran in Client/Server Architektur vollständige Simulationssoftware -48-