Computer Aided Engineering. André Dietzsch 03Inf

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1 Computer Aided Engineering André Dietzsch 03Inf 1

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung... 3 Definition...3 Teilgebiete des CAE...3 Computer Aided Software Engineering (CASE)...3 Digital Mock-Up (DMU)...4 Mehrkörpersimulation (MKS)... 4 Numerische Strömungsmechanik (CFD)...4 Computer Aided Design... 5 Geschichte...5 Technik D ½ D...7 3D...8 Ein- und Ausgabegeräte...9 verwendete Datenvormate... 9 Finite-Elemente-Methode...10 Geschichte...10 Finite Elemente - ein Rückblick Jahrhundert...10 Nutzbarmachung der Variationsrechnung...10 allgemeines Vorgehen...11 Programmbeispiele CATIA Ansys Pro/ENGINEER...12 MATLAB...12 Literatur

3 Einleitung Dieser Vortrag wurde im Rahmen der Vorlesung Anwendung Rechnernetze gehalten. Thema des Vortrages war Computer Aided Engineering. Definition Zu Beginn stellt sich natürlich die Frage was ist Computer Aided Engineering oder kurz CAE eigentlich. Hierzu gibt es ein Vielzahl von Definitionen die allen auf einen gemeinsamen Kern hinauslaufen. Eine der Definitionen lautet: Computer Aided Engineering (CAE) ist die rechnerunterstützte Lösung technischer und wissenschaftlicher Probleme vor und während des ingenieurmäßigen Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses. CAE umfasst alle rechnergestützten konstruktiven Anwendungen, von der Berechnung, Prüfung, Funktionstest über die computergestützte Produktion und Fertigung bis hin zur Analyse und der computerunterstützten Qualitätskontrolle (CAQ). Die wesentlichen Funktionen von CAE sind daher: Entwurf Berechnung Zeichnungserstellung Dokumentation Simulation Test Teilgebiete des CAE Da sich CAE in sehr viele Gebiete unterteilt möchte ich im folgenden ein Auswahl an Teilgebieten benennen und eine kurze Beschreibung geben. Computer Aided Software Engineering (CASE) Unter dem Begriff CASE ist der Einsatz der elektronischen Datenverarbeitung für die Umsetzung von Software Konzeptionen verstanden. CASE-Tools sind Programme, die den Software-Ingenieur bei der Planung, dem Entwurf und der Dokumentation seiner Software unterstützen. Ein wichtiger Bestandteil von CASE-Tools ist eine graphische Notationsweise, die der Visualisierung der Architektur des Software-Systems dient. CASE-Tools sind oft in integrierten Entwicklungsumgebungen enthalten, manchmal sind es auch eigenständige Applikationen. CASE-Tools unterstützen neben der modernen objektorientierten grafischen Notationsweise UML, manchmal auch die sogenannten strukturierten Vorgehensweisen Strukturierte Analyse und Strukturiertes Design (SA/SD), sowie Entity-Relationship-Modellierung (ERM). 3

4 Digital Mock-Up (DMU) DMU ist ein digitales Versuchsmodell mit dessen Hilfe Untersuchungen wie Ein-, Ausbauuntersuchungen, Kollisions- und Baubarkeitsprüfungen durchgeführt werden können. Es werden mechanische Zusamenhänge simuliert, so dass physische Versuchsmodelle ersetzt werden können. Mehrkörpersimulation (MKS) MKS ist eine Simulation in der reale Körper durch unverformbare Körper ersetzt werden, dies wird zum Beispiel im Automobilbau bei der Analyse von Fahrwerken eingesetzt. Diese Simulation liefert Aufschluß über Kräfte, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten und Kontakte der Körper. Im hier dargestellten Bild zeigt eine Kette die über ein Zahnrad läuft, dabei geben die roten Pfeile die Richtung der einwirkenden Kräfte an. Quelle: Numerische Strömungsmechanik (CFD) Computational fluid dynamics (CFD) ist numerische Methode um ein strömungsmechanisches Problem zu lösen. Hierbei geht es Hauptsächlich um dreidimensionale Gleichungen die die Strömungsgeschwindigkeit und die Druckverteilung in Flüssigkeiten und Gasen beschreiben. Im nebenstehenden Bild ist die Strömungsgeschwindigkeit durch einen Körper dargestellt, dabei zeigt rot eine hohe und grün eine niedrige Geschwindigkeit an. Quelle: 4

5 Computer Aided Design Der Begriff CAD steht für rechnergestützte Konstruktion, damit sind alle Aktivitäten und Maßnahmen gemeint, bei denen die elektronische Datenverarbeitung im Bereich der Konstruktion, Entwicklung und des Entwurfes eine Rolle spielen. Quelle: Mit CAD-Programmen erstellt man nicht nur technische Zeichnungen. Mit den aufwändigeren Programmen werden zunächst einmal dreidimensionale Volumenmodelle erstellt. Daraus können zwei- oder dreidimensionale Zeichnungen und sogar bewegte Visualisierungen der Objekte abgeleitet werden. Mit den Volumenmodellen kann man mit Hilfe spezieller Software verschiedenste Simulationen durchführen, zum Beispiel Belastungssimulationen (FEM) bei Bauteilen, Lichtsimulationen oder Simulationen des Innenklimas bei Gebäuden, Strömungssimulationen oder Crashsimulationen im Fahrzeugbau. Moderne Programme basieren auf objektorientierten Datenbanken. Jeder Bestandteil des Designs besteht aus einem oder mehreren programmtechnischen Objekten. Änderungen und Spezifikationen sind die Parameter der Objekte. Somit wird eine optimale Wiederverwertbarkeit gewährleistet und es ist dem Designer möglich schnell Anpassungen vorzunehmen. Geschichte Die Anfänge der CAD-Programme liegen in den 1960er Jahren. Am MIT in Boston zeigte Ivan Sutherland 1962 mit seiner Sketchpad- Entwicklung, dass es möglich ist, an einem Bildschirm interaktiv einfache Zeichnungen zu erstellen und zu verändern. Quelle: wurden bei Lockheed (Flugzeugbau, USA) die ersten Anläufe für ein kommerzielles CAD-System zur Erstellung technischer Zeichnungen (2D) gestartet. Dieses System, CADAM (Computer Augmented Design And Manufacturing), basierend auf IBM- Großrechnern, speziellen Bildschirmen, und mit hohen Kosten verbunden, wurde später von 5

6 IBM vermarktet und war, zumindest im Flugzeugbau, Marktführer bis in die 80er Jahre. Es ist teilweise in CATIA aufgegangen, ist aber praktisch vom Markt verschwunden. An der Universität in Cambridge, England, wurden Ende der 60er Jahre die ersten Forschungsarbeiten aufgenommen, die untersuchen sollten, ob es möglich ist, 3D-Grundkörper zu verwenden und diese zur Abbildung komplexerer Zusammenstellungen (z.b. Rohrleitungen im Chemieanlagenbau) zu nutzen. Aus diesen Arbeiten entstand das System PDMS (Plant Design Management System), das heute von der Fa. Aveva unter dem Namen VPD vermarktet wird. Nachdem Anfang der 80er Jahre die ersten Heimcomputer in Firmen und Haushalten standen, kamen auch CAD-Programme dafür auf den Markt. In dieser Zeit gab es eine Vielzahl von Computerherstellern und Betriebssysteme. AutoCAD war eines der ersten und erfolgreichsten CAD-Systeme, das auf unterschiedlichen Betriebssystemen arbeitete. Um den Datenaustausch zwischen diesen Systemen zu ermöglichen, schuf AutoDesk für sein CAD-System AutoCAD das DXF-Dateiformat erschien AutoCAD für das Betriebssystem DOS. Das Vorgehen bei der Konstruktion blieb jedoch beinahe gleich wie davor am Papier. Das 2D-CAD brachte jedoch als Vorteil sehr saubere Zeichnungen, die einfach wieder geändert werden konnten. Es war schneller möglich, verschiedene Versionen eines Bauteils zu zeichnen. Bereits Mitte der 80er Jahre kam mit dem deutschen 3D-CAD-System PYTHA ein erster Farb- Renderer auf den Markt. In den 80er Jahren begann wegen der sinkenden Arbeitsplatzkosten und der besser werdenden Software ein CAD-Boom. In der Industrie wurde die Hoffnung gehegt, mit einem System alle anstehenden Zeichnungs- und Konstruktions-Aufgaben lösen zu können. Dieser Ansatz ist aber gescheitert. Heute wird für jede spezielle Planungsaufgabe ein spezielles System mit sehr leistungsfähigen Spezialfunktionen benutzt. Für seine Kritik und sein praktisches Engagement gegen den Einsatz von CAD bei Lucas Aerospace und für seine Vorschläge die Produktion auf zivile und nützliche Güter umzustellen, erhielt Mike Cooley 1981 den alternativen Nobelpreis. Der Schritt zur dritten Dimension wurde durch die immer höhere Leistungsfähigkeit der Hardware dann gegen Ende der 1980er Jahre auch für kleinere Firmen erschwinglich. So konnte virtuelle Körper von allen Seiten begutachten werden. Ebenso wurde es möglich, Belastungen zu simulieren und Fertigungsprogramme für computergesteuerte Werkzeugmaschinen abzuleiten. Seit Anfang der 2000er Jahre gibt es erste Ansätze, die bis dahin immer noch zwingend notwendige Zeichnung verschwinden zu lassen. In die immer öfter vorhandenen 3D-Modellen werden von der Bemaßung über Farbe und Werkstoff alle notwendigen Angaben für die Fertigung eingebracht. Wird das 3D-Modell um diese zusätzlichen, geometriefremden Eigenschaften erweitert, wird es zum Produktmodell. Die einzelnen einheitlichen Volumenobjekte werden zu Instanzen unterschiedlicher Klassen. Dadurch können Konstruktionsregeln und Verweise zwischen einzelnen Objekten (z.b. Fenster wird in Wand verankert) realisiert werden. Quelle: 6

7 Technik 2D Einfache 2D CAD-Systeme sind vektororientierte Zeichenprogramme. Zeichnungselemente sind Punkte, Linien, Linienzüge. Werkzeuge ermöglichen das Erzeugen, Positionieren, Ändern und Löschen von Zeichnungselementen. Die Arbeitsweise unterscheidet sich wenig von der klassischen Arbeit am Zeichenbrett. Wesentliche Fortschritte werden durch die Verwendung von Ebenen und die Arbeit mit vordefinierten Symbolen (etwa für Norm- und Wiederholteile) erreicht. Weiter entwickelte CAD-Systeme unterstützen die semi- oder vollautomatische Erzeugung von Bemaßungen und Schraffuren. Leistungsfähige CAD-Systeme stellen Programmierschnittstellen zur Erweiterung der Funktionalität oder zur anwenderspezifischen Anpassung bereit. 2 ½ D dies ist kein 'echtes' 3 D - das bedeutet, dass mit Flächen und Geraden im Raum gearbeitet wird. Diese Methode ist weniger rechenintensiv als 3D und wird oft von Architekten- Programmen genutzt, weil ähnliche Ergebnisse möglich sind wie bei Volumenmodellen. Quelle: 7

8 3D Das Ziel eines 3D CAD-System ist die Darstellung der Geometriedaten der Konstruktionsobjekte in 3 Konstruktionsachsen und die Erstellung eines Volumenmodells. Dabei sind die folgenden Modellierungsverfahren verbreitet Kantenmodell oder Drahtmodell - dabei werden die Körperkanten als gedachte Drahtgeometrie durch eine mathematische Beschreibung abgebildet. Häufig bildet das Drahtmodell die Basis für die Erstellung des Flächenmodells. Gedanklich spannt man ein Netz oder etwas Stoff über die Körperkanten bzw. den Stützdraht und erhält so das Flächenmodell, was man in vielen CAD Programmen in beliebiger Ansicht betrachten kann. So entstehen zum Teil pompöse 3D-Modelle, zum Beispiel von Bauwerken. Flächenmodell - dabei werden die den Körper begrenzenden Flächen durch eine mathematische Beschreibung, zum Beispiel durch NURBS-Flächen beschrieben. Zusätzlich wird in der Regel noch die Topologie der Flächen, das heißt, welche Fläche grenzt an welche andere Fläche, mit abgespeichert. Volumenmodell - Neben den beschreibenden Flächen eines Körpers, wird die Information gespeichert, auf welcher Seite der jeweiligen Fläche sich Materie befindet, d.h. die Fläche ist eine Begrenzungsfläche eines Volumens. Die Volumenbeschreibung dient einerseits zur Feststellung von Durchdringungen, sowie zur Volumenbestimmung eines dargestellten Körpers. Körpermodell - Hierbei handelt es sich um ein technologisches Modell, dass zum einen alle anderen Modelle vereinigt und zusätzliche Information bezüglich des Werkstoffes und der Oberflächenbeschaffenheit hält. Ein Körpermodell besteht also aus Kanten, Flächen, dem dazugehörigen Volumen und nicht-geometrischen Informationen. Konstruktionshistorie - Das Konstruktionsobjekt wird durch eine Reihe von Konstruktionsschritten (wie zum Beispiel Vereinen, Schneiden) aus Grundgeometrien wie Quader, Zylinder, Kegel hergeleitet. Die Reihenfolge der Konstruktionsschritte sowie die geometrischen Parameter der Grundkörper werden gespeichert. Ein wesentlicher Vorteil des history-basierten Modellierens ist die hohe Flexibilität. Durch Änderungen an den einzelnen Konstruktionsschritten kann die Geometrie auch im Nachhinein vielfältig geändert werden, wenn die Konstruktionslogik der Erstellungslogik im CAD-System folgt. Moderne 3D CAD-Systeme unterstützen alle Modellierungsverfahren. Ein weiteres Merkmal moderner CAD-Systeme ist die Möglichkeit einer weitgehenden Assoziativität zwischen verschiedenen Geometrieelementen und besonders zwischen dem 3D-Objekt und der davon abgeleiteten Zeichnung. Beispielsweise kann durch Änderung des Durchmessermaßes an der Zeichnung einer Bohrung das 3D-Modell des Teiles der Baugruppe, in der das Teil verbaut ist, modifiziert werden - darüber hinaus gleichzeitig aber auch das für die Fertigung erforderliche Werkzeug. Quelle: 8

9 Ein- und Ausgabegeräte Da in eine CAD-Software nicht nur Befehle sondern auch Daten und Koordinaten eingegeben werden müssen und dies möglichst benutzerfreundlich und schnell von statten gehen soll wurde hierfür eine Reihe spezieller Eingabegeräte entwickelt.natürlich dienen Maus und Tastatur wie sie an jedem PC zu finden sind auch bei CAD-Software als Eingabegeräte. Des weiteren gibt es die Funktionstastaturen. Eine Funktionstastatur stellt im wesentlichen eine Erweiterung der bekannten Tastatur dar. Es gibt zwei Arten der Erweiterung. Zum einen Tasten auf denen bestimmte Befehle wie zum Beispiel das Zoomen, Drehen oder Verschieben auf dem Bildschirm einprogrammiert sind. Zum anderen Tasten denen durch den Benutzer mit Hilfe von Software bestimmte Befehle oder Befehlsketten zugewiesen werden können. So ist der Benutzer in der Lage bestimmte häufig gebrauchte oder komplexe Befehle durch einen Knopfdruck auszuführen. Für arbeiten bei denen die Maus nicht ausreichende Möglichkeiten bieten stehen zum Beispiel Grafiktabletts, Touchscreens oder Digitalisierer zur Verfügung. Digitalisierer sind zweidimensionale Koordinatenerfassungsgeräte, sie eignen sich besonders gut zum Punktgenauen Digitalisieren. Sie sind in ihrem Aussehen den herkömmlichen Zeichenbrettern mit der dazugehörigen Fadenkreuzlupe ähnlich. Zu den Ausgabegeräten zählen zum einen Bildschirme und zum anderern Drucker und Plotter in den verschiedensten Ausführungen. Quelle: verwendete Datenvormate Die meisten Programme setzen auf ein eigenes Dateiformat. Das erschwert den Datenaustausch zwischen verschiedenen CAD-Programmen, weshalb es Ansätze zur Standardisierung gibt. Als Datenaustauschformat hat sich das DXF-Format als Standard für Zeichnungen weitgehend etabliert. Die überwiegende Zahl der CAD-Systeme kann DXF-Dateien nur als 2D Daten lesen und schreiben, jedoch gehen dabei häufig CAD-systemspezifische Besonderheiten verloren oder können im Zielsystem nicht äqivalent dargestellt werden. Es ist zwischen CAD-Systemneutralen und CAD- Systemspezifischen Datenformaten zu unterscheiden. Wesentliche CAD-Systemneutrale Datenformate sind VDAFS, IGES, SAT und STEP sowie für spezielle Anwendungen die STL- Schnittstelle. Die Datenformate im Einzelnen: 9

10 VDA-FS Datenaustauschformat für Flächen, entwickelt vom Verband Deutscher Automobilbauer (VDA), in der Vergangenheit quasi-standard für diesen Bereich. IGES - Datenaustauschformat für 2D-Zeichnungen und 3D-Daten (Flächen), in fast allen CAD-Anwendungen als Austauschformat üblich und möglich. Löst aufgrund der besseren Einsetzbarkeit VDAFS mehr und mehr ab, ist umfangreicher und systemunabhängiger als DXF einsetzbar. STEP - ein standardisiertes Dateiaustauschformat, welches international entwickelt wurde mit dem Anspruch, auch parametrische Daten übertragen zu können. Einziges Datenformat, welches Solid bzw. Volumen fast verlustfrei und mit Parametrik (bei Solids) überträgt. Ebenfalls zur Übertragung von Zeichnungsdaten nutzbar (dort aber nicht so mächtig wie im 3D-Bereich). VRML97-ISO/IEC 14772, wurde ursprünglich als 3D-Standard für das Internet entwickelt. Die meisten 3D-Modellierungswerkzeuge ermöglichen den Im- und Export von VRML Dateien, wodurch sich das Dateiformat auch als ein Austauschvormat von 3D-Modellen etabliert hat. Mit den CAD-Systemneutralen gelingt in der Regel nur die Übertragung von Kanten-, Flächen- und Volumenmodellen. Die Konstruktionshistorie geht in der Regel verloren, damit sind die übertragenen Daten in der Regel für eine Weiterverarbeitung nur bedingt geeignet. CAD- Systemspezifische Datenformate ermöglichen die Übertragung der vollständigen CAD-Modelle, sie sind jedoch nur für wenige Systeme verfügbar. Finite-Elemente-Methode Geschichte Finite Elemente - ein Rückblick Erste Parallelen zur Finite-Element- Methode lassen sich schon im antiken Griechentum finden. So entwickelten Eudoxos ( v. Chr.) und später Archimedes von Syrakus ( v. Chr.) vereinfachte Modelle komplexer mathematischer Problemstellungen. Während Eudoxos sich endlich vieler einfacher geometrischer Formen mit bekanntem Inhalt bediente, um Längen, Flächen und Volumina zu approximieren, erdachte Archimedes ein vereinfachtes Modell für die Kreisumfangberechnung. Anstatt eine Lösung für die unendlich vielen Punkte der Kreislinie zu suchen, führte er die Berechnung auf die Addition einer endlichen (finiten) Anzahl von geraden Sehnenstücken (Elemente) zurück. 19. Jahrhundert Nach einem großen Zeitsprung in das 19. Jahrhundert stößt man im Jahre 1851 auf eine Arbeit von Schellbach, die die Lösung eines Minimalflächenproblems beschreibt, das der FEM schon recht ähnlich ist. Nutzbarmachung der Variationsrechnung Mitte des 20. Jahrhunderts erkannte man, dass Problemstellungen viel leichter lösbar sind, wenn man Ansatzfunktionen zur Beschreibung des Verschiebungszustandes durch ein Variationsprinzip 10

11 angeht. Fast alle früheren Untersuchungen auf Basis von Variationsprinzipien verwenden globale Ansatzfunktionen, die sich über die gesamte Struktur erstrecken. Diese Formulierungen gehen auf den Göttinger Mathematiker Richard Courant ( ) zurück, der schon 1943 in seinem Werk "Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibrations" beschreibt, wie im Ritz schen Verfahren Ansatzfunktionen mit lokalem Träger zu verwenden sind und wie FEM-Berechnungen nach diesem Prinzip durchgeführt werden. Die Arbeit von Courant konnte damals aber keine praktische Bedeutung erlangen, da es bei der Verwendung von elementweise begrenzten Ansatzfunktionen zu Gleichungssystemen mit einer großen Anzahl von Unbekannten kommt, welche ohne elektronische Rechenanlagen nicht mehr lösbar sind. allgemeines Vorgehen Die FEM ist ein numerisches Verfahren zum Näherungsweisen Lösen partieller Differentialgleichungen mit Randbedingungen. Dabei wird das zu untersuchende Problem in Teilgebiete, die finiten Elemente, unterteilt. Diese Teilgebiete können verschiedene Größen haben. Auf den Teilgebieten werden Ansatzfunktionen definiert. Aus diesen Ansatzfunktionen, den partiellen Differentialgleichung und den Randbedingungen wird ein Gleichungssystem erstellt. Aus diesem Gleichungssystem können dann die gesuchten Resultate abgeleitet werden. In diesem Bild wird die stärke der Belastung an einem Bauteil durch FEM ermittelt dabei Zeigen die Dreiecke die verschiedenen Teilgebiete und die Färbung die Belastung an. Quelle: 11

12 Programmbeispiele CATIA CATIA (Computer Aided Tree-Dimensional Interactive Applicationen) ist ein CAD Programm, welches von der französischen Firma Dassault Systèmes für den Flugzeugbau entwickelt wurde. Mittlerweile hat es sich aber auch in der Automobilindustrie etabliert. Mit CATIA ist es möglich, Produktdaten zu erstellen, dreidimensionale Modelle zu entwickeln sowie dazugehörige zweidimensionale Zeichnungen abzuleiten. Ansys Ansys ist die Kurzform von Analysis System, einer finite Elemente Software die zur Lösung von linearen und nichtlinearen Problemen aus zum Beispiel der Fluidmechanik oder Thermodynamik konzipiert wurde. Pro/ENGINEER Pro/ENDINEER ist eine in der Automobilindustrie sehr verbreitete Software zur Konstruktion von Getrieben und Motoren. Dabei werden alle Objekte dreidimensional aufgebaut und daraus Zeichnung abgeleitet oder mehrere Objekte zu Baugruppen zusammengestellt. MATLAB Der Name MATLAB steht für Matrix Laboratory. MATLAB ist ein rein numerisches Berechnungsund Simulationswerkzeug. Alle Operationen werden auf Matrizen und Vektoren durchgeführt. 12

13 Literatur CAD für Einsteiger;Böning, Koch; Wien 1994; Wiener Verlag Distributed Computer-Aided Engineering; Adeli, Kumar; Washington 1999; CRC Press