HyperWorks Einführung

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1 Innovation Intelligence HyperWorks Einführung Jan Grasmannsdorf Dienstag, 18. September 2012

2 Altair s Brands and Companies Technologie Prozesse Know How Innovation Intelligence = Neue Wege in der Produktentwicklung entdecken

3 got the knack? Click to Play

4 got the knack? Dilbert 2010, United Feature Syndicate, Inc.

5 Global Presence Seattle, USA Montreal, Canada Lund, Sweden Moscow, Russia Beijing, China Mountain View, USA Toronto, Canada Gothenburg, Sweden Shanghai, China Los Angeles, USA Coventry, UK Delhi, India Austin, USA Manchester, UK Pune, India Tokyo, Japan Denver, USA Detroit, USA Böblingen, Germany Chennai, India Osaka, Japan Boston, USA Köln, Germany Hyderabad, India Nagoya, Japan Milwaukee, USA Hamburg, Germany Bangalore, India Mexico City, Mexico Charlotte, USA Hannover, Germany Seoul, Korea Huntsville, USA München, Germany KL, Malaysia Lyon, France Paris, France Sophia Antipolis, France Toulouse, France Melbourne, Australia Sao Paulo, Brazil Torino, Italy Madrid, Spain Over 40 offices across 16 countries

6 Was steckt in HyperWorks? HyperMesh (Preprocessing) Radioss FEM MotionSolve MKS AcuSolve CFD OptiStruct/ HyperStudy Optimierung & Parameter HyperForm / HyperXtrude Manufacturing HyperView / Graph / Math (Postprocessing)

7 Entwicklungsprozess ohne CAE Konzeptphase Konstruktion & Detaillierung Funktionsmuster & Prototyp Testphase & Validierung..n F Freigabe & Fertigung

8 Entwicklungsprozess mit CAE Konzeptphase Konstruktion & Detaillierung CAE / Simulation Funktionsmuster & Prototyp F Testphase & Validierung Freigabe & Fertigung

9 Entwicklungsprozess mit CAE und Optimierung Konzeptphase Optimierung Konstruktion & Detaillierung Simulation / Gestaltopt. Funktionsmuster & Prototyp Simulation Testphase & Validierung Simulation Freigabe & Fertigung

10 Upfront CAE bei Volkswagen Original Bauteil 2.000g Neues Bauteil 1.550g Masse minus 23% Entwicklung Aggregate, Volkswagen

11 Upfront CAE bei Fortis Saxonia Quelle: Fortis Saxonia, TU Chemnitz

12 CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert

13 Geometrie Import & Cleanup Geometrie Import via Schnittstelle zu CAD Software (Direkt, IGES, STEP) Aufgabe im Preprozessor: Reparatur von CAD Geometrie Bereinigung hinsichtlich Netzqualität (z.b. Element Kantenlänge > 3mm) 0.34 mm

14 CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert Finite Elemente Modell FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit

15 FEM Vernetzung HyperMesh bietet Vernetzungsalgorithmen und Eigenschaften für 0- und 1D Elemente 2D Schalenelemente 3D Volumenelemente

16 FEM Vernetzung Es empfiehlt sich, in HyperMesh die Netzqualität zu prüfen. Visuelle Kontrolle Gleichmäßigkeit Elementform, -größe & -ebenheit Lücken im Netz? Nicht verbundene Geometrien? Elementnormale Stimmige Masse / Volumen?

17 FEM Vernetzung Mögliche Quellen für Kriterien: Solver hat meist voreingestellte Qualitätskriterien in HyperMesh prüfbar Erfahrungswerte An kritischen Stellen (Kerben, Verbindungen, etc.) sollte die Elementqualität immer besonders gut sein.

18 FEM Netzeigenschaften Vorsicht: Auf konsistente Einheiten achten!!!

19 CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Lastfall Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit Lasten und Randbedingungen, z.b. Kraft, Temperatur, Geschwindigkeit

20 Beispiel Lastfall Windkraftanlage Wie ermittelt man die korrekten Lasten für eine FEM Simulation? Dynamische Mehrkörper Simulation (MKS) Modelliert wird das System mit Massen, Schwerpunkten, Steifigkeiten, Dämpfern etc. Ergebnis: Auf die Struktur wirkende Kräfte bei dynamischen Ereignissen Ereignis Notstop Courtesy of Nordic, Sweden

21 Beispiel Lastfall Windkraftanlage Die ermittelten Kräfte können direkt in einer FEM Simulation verwendet werden: MKS Notstop FEM Simulation mit ermittelter Last

22 Lastfälle Wie ermittelt man die korrekten Lasten für eine FEM Simulation? Dynamische Mehrkörper Simulation (MKS) Messungen und Erfahrungswerte Überlegen: Statik, Dynamik (Beschleunigen, Bremsen, etc.), Gewicht, Umwelt, Temperaturen, Stoßlasten, Schwingungen. Normen Aus FE-Modell, Eigenschaften, Material und Lastfall ergibt sich (für statische Lastfälle): F = K u Lastvektor Steifigkeitsmatrix = Elemente Verschiebungsvektor

23 CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit Lasten und Randbedingungen, z.b. Kraft, Temperatur, Geschwindigkeit Lastfall Solver Programm zur Lösung des aufgestellten Gleichungssystems, z.b. statische, dynamische, lineare, nicht-lineare Gleichungssysteme

24 FE-Solver Radioss Linear Statisch & Dynamisch

25 Altair FEM Solver Radioss Nicht Linear Statisch & Dynamisch

26 Altair MKS Solver MotionSolve und CFD Solver AcuSolve MotionSolve MKS Simulation AcuSolve CFD Simulation Kinematik, Dynamik, Statik Systemverständnis, Lasten ermitteln, Kopplung mit flexiblen Körpern FEM basierter Solver für stationäre, instationäre, turbulente Strömungen Fluid-Struktur Kopplung

27 CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Lastfall Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit Lasten und Randbedingungen, z.b. Kraft, Temperatur, Geschwindigkeit Programm zur Lösung des aufgestellten Gleichungssystems, z.b. Statische, Dynamische, lineare, nicht-lineare Gleichungssysteme Solver Auswertung der berechneten Ergebnisse, z.b. Verformung, Dehnung, Spannung oder Optimierungsvariable Auswertung / Analyse

28 Postprozessing einer FEM - Analyse Postprozessor: Abgleich der FE Simulation mit Versuchsergebnissen, Normen, Richtlinien, Erfahrungswerten etc. Wichtig: Sind die Ergebnisse stimmig (z.b. Kräftegleichgewicht)?

29 CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Lastfall Preprozessor HyperMesh FEM Datei Solver Auswertung / Analyse Solver Radioss, Motionsolve, Acusolve H3D Datei Postprozessor HyperView

30 Topologie Optimierung Konzeptfindung Die Variable x bei der Topologie Optimierung ist die Steifigkeit & Masse jedes einzelnen Elements im Bauraum Optimierungsziel f(x) ist oft die maximal mögliche Steifigkeit bei beschränkter Masse g < kg Inspiration

31 Topologie Optimierung Konzeptfindung Casti ng Direction Stiffness Mass F 1 F 2 M 1 Netz Bauraum, Lasten und Randbedingungen Optimierungsaufgabe Iterative Berechnung Ergebnis & CAD Umsetzung Start CAD Design

32 Topologie Optimierung Konzeptfindung Solver Radioss + X 1 - X n ; min f(x) ; g(x) = Formulierung der Optimierungsaufgabe: Zielfunktion (Was ist das Ziel der Optimierung?) min f(x), max f(x) oder min [max f(x)] Design Variablen (Was kann ich verändern?) X il X i X iu i =1,2,3, N Randfunktion (Welche Randbedingungen muss ich einhalten?) g j (x) 0 j = 1, 2, 3,, M OptiStruct Optimierung

33 OPTIMISATION DISCIPLINES

34 Concept Design mit Solid Thinking & Inspired Easy to use industrial concept design

35 Altair Optimization Driven Innovation Fan Bracket - Example

36 Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Halter unzureichend dimensioniert (Rückläufer) Bauteil soll neu entworfen werden Ziel: Spannungen reduzieren Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim

37 Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Topologie Optimierung Ergebnis Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim

38 Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele CAD Rückführung mit OSSmooth: Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim

39 Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Original Bauteil Optimiertes Bauteil Max. v. Mises Stress Max. Displ. Mass Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim

40 Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Kettenblatt Bauraum Optimierungsprozess Danke an das Elbflorace Racing Team e.v. Optimiertes Bauteil

41 Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Kettenblatt gefertigt Vergleich Masse, (Durchmesser %) Danke an das Elbflorace Racing Team e.v.

42 Case study Bracket Redesign Engine Mount Bracket - Material saving Design Space Design Proposal (1997) 7 Loadcases Objective: Minimize the Mass Stiffness should be the same Initial Design Mass: 950g Annual Cost Savings Weight reduction per part = 0,22 kg Annual Prodution Volume = 200,000 pcs Total Mass Reduction = 44,000 kg Nominal Material Cost = $0.80/kg (1997) Total cost Savings in Material = $35,200/yr Design Mass: -20%

43 Altair Optimization Driven Innovation Bus Body Structure Design Problem Develop an alternative body structure for a new 30 bus (compared to a conventional 40 bus) from concept through detail Optimization Problem statement: Minimize Weight With Constraints on Torsional and Bending frequencies Stiffness (Static Displacements) Final Design Method s Used: Design package space created based on overall bus dimensions and sub-system packaging constraints. Loads Determined analytically OptiStruct topology optimization used to create the initial concept design Concept Design interpreted to render it manufacturable OptiStruct Shape/Size optimization used for tuning the concept design

44 Altair Optimization Driven Innovation System Level Requirements (loads analysis & packaging) Design Space and Loads Topology Optimization CAD model with generic elements Final Design Parametric Shape Vectors Finite Element Modeling Size and Shape Optimization

45 Altair Optimization Driven Innovation Altair Bus June 2010 December 2010

46 Free Size Optimization Example: Bike Frame Design a Training Bike from a Clean Sheet Should be as light as possible, while maintaining stiffness, safety and comfort regulations Use Composite Materials

47 Free Size Optimization Example: Bike Frame Design Space = Maximum Thickness for all Fiber Layers (0, 45, -45, 90 ) Design Variable: Thickness of all Elements Objective: Minimize Mass, Constraint: Stiffness according to regulations

48 Free Size Optimization Example: Bike Frame Thickness Results for all Composite Fibre Layers The Layer at 0 needs the most material

49 Free Size Optimization Example: Bike Frame Design Interpretation and further optimization leads to 12 Composite Patches All regulations were met with this lightweight frame Patch 1 Patch 2

50 Shape Optimization Example: Plate The original design shows below. There are several circle holes in the support structure. Pressure P = 10 N/mm² applies on the top end The bottom end is fixed in x,y and z-direction Pressure P=10N/mm2 Fixation FE model of original design Load & Fixation

51 Shape Optimization Example: Plate Analysis Result: Von Mises stress The peak stress of the original model is 212MPa > 125MPa. Stress exceeds allowed limit almost by factor 2!

52 Shape Optimization Example: Plate Design variable: 1 free shape dv for each hole, totally 8 dvs Constraints: stress < 125 Mpa Objective: Minimize total volume 8 DVs

53 Shape Optimization Example: Plate After 17 iterations, the optimization run converged. Following is the shape change animation and stress of new design. -42% + 4% Peak Stress Volume

54 HyperWorks 11.0 Student Edition Altair Online Store: https://secure.altair.com/onlinestore/ Registrierung mit HOCHSCHUL MAIL ADRESSE! Danach Student Edition bestellen (bitte der Anleitung auf der Webseite folgen) Zum Abschluss den Code FREE_Edu_FS für eine kostenlose Version eingeben

55 Was sind die nächsten Schritte? The HyperWorks Academic Blog

56 Was sind die nächsten Schritte? The HyperWorks Starter Kit Videos Einführung für HyperWorks Anfänger Enthält wichtige Hinweise und Tipps zur Bedienung der Software Interaktive Videos begleiten durch das Programm Am besten Lesen und Üben, bevor der erste HyperWorks Kurs beginnt

57 Training Center Free Learning Training Center oder Zusammenfassung Altair Tutorials und Studienprojekte an einem zentralen Ort Übungsprojekte für verschiedene Themen und Level, z.b. auch Composite Optimierung, Optimierung Gitterrohrrahmen etc. Integration von theoretischen und praktischen Aspekten der FEM Simulation Modelldatenbank für eigene Projekte

58 Neues Altair E-Book Practical Aspects of Finite Element Simulation - A Student Guide Personalisierte PDF Datei, die kostenfrei bei Altair bestellt werden kann Inhalt Grundlegende Einführung in die FEM Simulation für Anfänger Von der Modellierung zur linear statischen Simulation Modellplanung 1D, 2D, 3D Vernetzung Linear-statische Simulation und Auswertung

59 Was sind die nächsten Schritte? Oktober HyperWorks für Studenten Workshop TU Freiberg 19./20.Oktober HyperWorks für Studenten Workshop FH Köln Oktober HyperWorks Online Seminare, englischsprachig Weitere Termine in BB, München, Graz, Köln, Hannover Registrieren Sie sich unter

60 Was sind die nächsten Schritte? Workshop 21.September 2012: Installation HyperWorks und AcuSolve Paket + Updates Installation Lizenzdatei ftp.altair.de/outgoing/altair_134/altair_workshop_2012.zip Speichern in der Installation <Pfad>/security/altair_lic.dat Systemsteuerung Umgebungsvariable Altair_License_Path=<Pfad>/altair_lic.dat Danke an Skyline Motorsport e.v.

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