Grundlagen des CAE/CAD

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1 Grundlagen des CAE/CAD Vorlesung für Bachelor of Science Computational Engineering 10. Vorlesung: Prozessketten CAD-CFD, CAD-RPT CAE/CAD CM Folie 1

2 Inhaltsübersicht Vorlesung Datum Themen 01. Vorlesung Einführung und Themenüberblick Ostermontag keine Vorlesung 02. Vorlesung Prozessketten & Architektur der CAx-Systeme 03. Vorlesung Einführung in CAD (Geometrisches Modellieren I) 04. Vorlesung Einführung in CAD (Geometrisches Modellieren II) 05. Vorlesung Einführung in CAD (Geometrisches Modellieren III) 06. Vorlesung Vorlesung Einführung in CAD, Einzelteil- und Baugruppenmodellierung Baugruppenmodellierung Parametrische 3D CAD-Systeme Pfingstmontag keine Vorlesung 08. Vorlesung Prozessketten, CAD FEM 09. Vorlesung CAD FEM, CAD - MKS 10. Vorlesung CAD CFD, CAD-RPT 11. Vorlesung Prüfungsvorbereitung Klausur Übung 01. Übung ( ) Einführung, Einzelteilmodellierung 02. Übung ( ) Einzelteil-, Baugruppenmodellierung 03. Übung ( ) CAD FEM 04. Übung ( ) CAD MKS 05. Übung ( ) CAD CFD CAE/CAD CM Folie 2

3 CAx-Prozessketten MKS RPT CFD TPD 3D CAD FEM DMU NC RC CAE/CAD CM Folie 3

4 Prozesskette CAD-CFD Prozesskette CAD - CFD Inhalt Methoden / Formate 1. Beschreibung der Prozes s kette Nutzung der Oberflächengeometrie zur Berechnung der Umströmung von Bauteilen und Baugruppen 2. Ausgangsmodell CAD Flächenmodelle, ggf. mit vereinfachter Geometri e 3. Zielmodell FV Modelle auf Grundlage eines Netzes, das aus finiten (endlichen) Volumen bes teht. 4. Datentransformation Diskretisierung des Raums um die Geometrie, dies entspricht einer Approximation des durchströmten Raums 5. Zusatzinformatkion Randbedingungen, Fluideigenschaften (Viskosität), geschätzter Anfangszustand der Strömung 6. Ergebnisinterpretation Ergebnisse auf Plausibilität prüfen und Rückführung Ergebnisse zu ungenau -> entscheiden, ob Vernetzungs- oder Modellfehler Finite Volumen Methode (FVM), Finite Element Methode (FEM) CAD-Native, STEP, IGES, VDAFS FVM-na tive, z.b.: Ansys CFX, Fluent Vernetzung Modellierung der Zusatzinformationen im CFD System Erfahrung, Kontrol l werte CAE/CAD CM Folie 4

5 Prozesskette CAD-CFD (SADT-Diagramm) CAE/CAD CM Folie 5

6 Lösungsmethoden Bei den Methoden handelt es sich um quantitative Näherungsverfahren. Finite Differenz Methoden Finite Volumen Methoden Finite Element Methoden Spektralmethoden Lattice-Boltzmann Methoden Smoothed Particle Methoden Randelementmethoden Für 3-D Strömungsberechnungen hat die Finite Volumen Methode die höchste Relevanz CAE/CAD CM Folie 6

7 Strömungen Laminare Strömung Hierbei handelt es sich um schichtenartige Strömungen, bei denen sich die Teilchen geradlinig und parallel zu den Nachbarteilchen bewegen. Diese Strömungen treten in der Regel bei kleinen Reynoldszahlen auf. Turbulente Strömung Bei höheren Reynoldszahlen treten in den Strömungen Turbulenzen auf. Diese Turbulenzen müssen in den Berechnungen berücksichtigt werden. CAE/CAD CM Folie 7

8 Eigenschaften Laminarer Strömungen Laminare Strömungen sind theoretisch einfacher zu betrachten und zu verstehen als turbulente Strömungen Die Grundgleichungen sind vollständig bekannt Sie weisen einen hohen Grad an Ordnung auf Sie weisen keine stochastischen Irregularitäten auf Diffusive Transportprozesse erfolgen allein aufgrund der Molekularbewegung Zu berücksichtigen gilt: Sie können ein-, zwei- oder dreidimensional sein Sie können stationär oder instationär sein CAE/CAD CM Folie 8

9 Eigenschaften Turbulenter Strömungen Turbulente Strömungen sind durch chaotische Fluidbewegungen gekennzeichnet. Dies führt zu Eigenschaften, die eine theoretische Betrachtung erschweren: Sie sind instationär Sie sind wirbelbehaftet Sie sind stets dreidimensional Sie weisen eine Unregelmäßigkeit über Ort und Zeit auf Sie haben einen hohen Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch Die turbulenten Diffusionsvorgänge überwiegen die Diffusionsvorgänge der Molekularbewegung CAE/CAD CM Folie 9

10 Reynolds Zahl Die Reynolds Zahl ist eine dimensionslose Kenngröße und beschreibt das Verhältnis von Trägheits- und Zähigkeitskräften. Re = vlρ/µ v: Die Strömungsgeschwindigkeit L: Die Charakteristische Länge einer Geometrie ρ: Die charakteristische Dichte des Fluids µ: Die dynamische Viskosität Kritischer Wert für den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung liegt für Rohrströmungen bei etwa Re = 2300 CAE/CAD CM Folie 10

11 Turbulenzmodelle Zur Berücksichtigung von Turbulenzen existieren unterschiedliche Turbulenzmodelle. In CAD-Systemen existieren für die CFD Simulation 5 Turbulenzmodelle: Feste turbulente Viskosität Mischungsweglängenmodell K-Epsilon Modell K-Omega Modell Schubspannung Transport SST Modell CAE/CAD CM Folie 11

12 Randbedingungen In der Strömungssimulation sind die Angabe von Randbedingungen erforderlich. Wesentliche Randbedingungen sind: Einlässe Auslässe / Öffnungen Wände Symmetriebedingungen Zur Definition sind Angaben von Massenstrom, Volumenfluss, Druckanstieg, Turbulenzen, Wärmeübergang und Netzverformung erforderlich CAE/CAD CM Folie 12

13 Netzgenerierung Der betrachtet Strömungsraum wir mit Netz aus FE gespannt. Gegenteil zu FEM, hier wird Bauteil betrachtet Strömungsraum um das Bauteil muss modelliert werden. Randbedingungen des Strömungsraumes müssen berücksichtigt werden CAE/CAD CM Folie 13

14 Netzgenerierung Formulierung nach Euler Bei dieser Betrachtungsweise wird von einem starrren Berechnungsgitter ausgegangen. Die Berechnung erfolgt an festen Raumpunkten, unabhängig davon, welches Teilchen oder Fluid sich gerade an diesen Raumpunkten befindet Räumliche Betrachtungsweise Formulierung nach Lagrange Bei dieser Betrachtungsweise bewegt sich das Netz mit dem verformenden Körper mit. Die Berechnungsergebnisse an einem Knoten des Netzes beschreiben stets den Zustand des gleichen Materials Materielle Betrachtungsweise Heutzutage wird immer häufiger eine Kombination von Eulerscher und Lagrangscher Formulierung verwendet. Beispiel ist die Berechnung von Fluid - Strukturkopplungen CAE/CAD CM Folie 14

15 Video CAD-CFD Bereits getroffenes Preprocessing: Modellierte Geometrie Modellierte Strömungsumgebung Definierte Randbedingungen Eingangsgeschwindigkeit Ausgang offen Vernetze Strömungsumgebung Quelle: Youtube CAE/CAD CM Folie 15

16 CAx-Prozessketten MKS RPT CFD TPD 3D CAD FEM DMU NC RC CAE/CAD CM Folie 16

17 Prozesskette CAD RPT Prozesskette CAD-RPT Inhalt Methoden/Formate 1. Beschreibung der Prozesskette Nutzung von CAD-Daten, um daraus direkt reale Prototypen herzustellen. Die Rapid Prototyping Technologien (RPT) werden deshalb auch generative Fertigungsverfahren genannt. Kopplung CAD-RPT 2. Ausgangsmodell CAD Volumenmodell, meist B-Rep Modell CAD native, STEP IGES, VDAFS, STL 3. Zielmodell Gestalt approximierendes Geometriemodell, das die Gestalt durch eine Folge von ebenen Flächen (Schichten) repräsentiert. Die ebenen Flächen werden weiterhin durch Dreiecksflächen angenähert. 4. Datentransformation Ableitung des RPT-Modells aus dem 3D- Geometriemodell. 5. Zusatzinformationen Zulässige Vereinfachungen (im CAD-System) und Stützkonstruktionen (im RPT-System). RPT native, STL z.b.: für Stereolithographie, Selective Laser Sintering, u.a.m. Algorithmen zur Berechnung des RPT-Modells Modellierung 6. Ergebnisinterpretation und Rückführung Prototypen zur Durchführung von Versuchen nutzen. Ergebnisse in CAD-rückführen. Erfahrung, Beratung Keine weiteren Methoden CAE/CAD CM Folie 17

18 Prozesskette CAD RPT Bauteiloptimierung Vorgaben CAD-System Produktentwickler, Konstrukteure, Ingenieure Gestaltung, Detailierung,ggf. Vereinfachung CAD-Modell CAD native,step IGES,VDAFS Prozessoren Generieren des RPT-Modells Schnittstellenspezifikationen Stützkonstruktionselemente z.b. STL- Datei RPT-Software Richtlinien Ergänzung des RPT-Modells (Stützkonstr.) Prototyp fehlerhaft RPT-Modell (STL-Datei) Prototypherstellung Regeln und Erfahrungen zum Aufbau vom RPT-Modellen, realer Prototyp Richtlinien Wissen, Kenntnisse, Fähigkeiten Ingenieure RPT-Software RPT-Verfahren Ingenieure Versuche, Interpretation Entscheidung Freigabe CAE/CAD CM Folie 18

19 Einsatz Physischer Modell im PE Prozess Entwicklungs Aufgabe Planung / Definition Konzept Entwurf / Design Konstruktion Berechnung Erprobung Konzeptmodell Ergonomiemodell Designmodell Funktionsmodell Prototyp Muster CAE/CAD CM Folie 19

20 Slicing-Prozess Generative Fertigung Bauprinzip generativer Fertigungsverfahren CAD-Modell Bauprozess CAE/CAD CM Folie 20

21 Klassifizierung generativer Fertigungsverfahren Ausgangsmaterial Generative Fertigungsverfahren Verfahren CAE/CAD CM Folie 21

22 Rapid Prototyping / Stereolithographie CAE/CAD CM Folie 22

23 Verfahrensprinzip Fused Deposition Modelling CAE/CAD CM Folie 23

24 Fused Layer Manufacturing Kennwerte: Schichtdicke: 0,013 0,2 mm Oberflächengüte: R a = ~20 µm Materialien: Kunststoffe (ABS, PPS,PE), Wachs Stratasys Inc. FDM 3D-Systems Dimensionprinting Multi Jet Modeling CAE/CAD CM Folie 24

25 Verfahrensprinzip 3D Printing (3DP) CAE/CAD CM Folie 25

26 3D Printing Kennwerte: Schichtdicke: 0,05 0,2 mm Oberflächengüte: R a = ~ 10 µm Materialien: Gips, Zellulose, Metall Sand, Keramik Z-Corp CAE/CAD CM Folie 26

27 Verfahrensprinzip Selective Laser Sintering Sintern o Pulver mit Walze verteilen o CO 2 -Laser fährt Schnittebene ab o Pulver schmilzt und versintert o Bauplattform absenken CAE/CAD CM Folie 27

28 Selective Laser Sintering Kennwerte: Schichtdicke: 0,05 0,2 mm Oberflächengüte: R a = ~5-16 µm Materialien: Thermoplaste, Metall, Formsand, Keramik, Wachs Eos Inc. CAE/CAD CM Folie 28

29 Verfahrensprinzip Laminated Layer Manufacturing Ausschneiden und Fügen o Papier rollt über Bauplattform o Fixierung durch beheizte Walze o Kontur mit Laser ausschneiden o Bauplattform absenken CAE/CAD CM Folie 29

30 Laminated Layer Manufacturing Kennwerte: Schichtdicke: 0,05 0,2 mm Oberflächengüte: R a = ~ 10 µm Materialien: Papier Helisys Inc. CAE/CAD CM Folie 30

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