Auslegung und Berechnung in der digitalen Produktentwicklung

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1 WHITEPAPER Auslegung und Berechnung in der digitalen Produktentwicklung Inhalt 1. Maschinenelemente und Auslegung Dynamische Simulation FEM-Berechnung...16 Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

2 Mit effizienten Methoden den Vorsprung halten Die digitale Produktentwicklung ist keine Zukunftsmusik, sondern eine reale und notwendige Methode um die Entwicklungsprozesse effizienter zu gestalten und signifikant zu beschleunigen. Die Maschinenbauer in Deutschland, Österreich und der Schweiz haben ihre hervorragenden Positionen auf den internationalen Märkten ausgebaut. Aber es gibt keinen Grund, sich zurück zu lehnen. Die Wettbewerber in aller Welt schlafen nicht. Die Unternehmen müssen sich weiter anstrengen, damit der Abstand sich nicht verringert. Die konstruktionsbegleitende Berechnung ist ein wesentlicher Teil der digitalen Entwicklung und übernimmt eine wichtige Rolle. Sie hilft mit, Entwicklungszeiten zu verkürzen, den Aufwand beim Bau von Prototypen zu verringern, Fertigungskosten zu reduzieren, Innovationen zu ermöglichen und die Qualität zu verbessern. Durch die Verlagerung der Untersuchung von Varianten, der Materialoptimierung, der Kostenanalyse und notwendigen Anpassungen in frühen Phasen der Produktentwicklung lassen sich Kosten senken. Spätere Änderungen im Entwicklungsprozess sind kostspielig. Späte Ideen kommen oft nur deshalb nicht mehr zum Zug, weil eine Modifikation zu teuer wäre. Die Optimierung des virtuellen Prototyps dagegen kostet weniger Zeit und Geld als der Bau von physischen Prototypen und die Durchführung langwieriger Testreihen. Wer Innovationen früher und vor allem vor dem Wettbewerb auf den Markt bringt, kann bessere Preise erzielen und Bild 0.1: Automatisierte Pressenanlage wirtschaftlicher arbeiten. Der Langsame muss sich mit niedrigen Preisen gegen den Schnellen behaupten und auf Rendite verzichten das kann ein verlustreicher Kampf werden. Die Vervollkommnung der digitalen Produktentwicklung ist deshalb erklärte Strategie von Autodesk, um seine Kunden für die Positionskämpfe an der Innovationsfront zu wappnen. Eine Reihe von Bausteinen, die diese Strategie untermauern, ist bereits heute verfügbar. Dieses Whitepaper gibt einen Überblick über die wichtigsten Komponenten für den Bereich Berechnung und Auslegung. Am Beispiel einer automatisierten Pressenanlage mit Robotorbedienung (Bild 0.1) werden nachfolgend eine Reihe von Berechnungs- und Auslegungsfunktionen von Inventor praxisnah erläutert. Auf dieser Rundtischanlage werden verschiedene Komponenten mit hohem Kraftaufwand in einen vorbearbeiteten Gußkörper durch einen Pressvorgang eingefügt. 1. Maschinenelemente und Auslegung Der Dubbel bleibt im Regal Im CAD-System Autodesk Inventor ist das wichtigste Grundwissen des Ingenieurs implementiert. Häufig verwendete Maschinenelemente und Berechnungsverfahren stellt das System dem Konstrukteur per Mausklick zur Verfügung. Die Konstruktion als komplexer Prozess umfasst mehr als das Zusammensetzen von Regelkörpern zu dreidimensionalen Modellen, nämlich Ideenfindung, Überlegungen zu Alternativen, Anwendung technischer Prinzipien, Berechnungen und Verfahren, welche die Funktion eines technischen Produkts gewährleisten. Die Ergebnisse dieses Prozesses fließen in einem Entwurf zusammen. Die frühen CAD-Systeme waren geometriebestimmt, beschrieben nur den Endzustand eines Entwurfs und boten für die Schritte auf dem Weg dorthin recht wenig Unterstützung. Expertenfunktionen für den Konstrukteur Das hat sich inzwischen stark geändert. Moderne Systeme wie Autodesk Inventor helfen dem Konstrukteur in allen Phasen des Konstruktionsprozesses mit Expertenfunktionen, die viele manuelle Tätigkeiten und Zeichenarbeit eliminieren. Einen großen Schritt vollzog Inventor mit der Einführung seiner funktionsbestimmten Konstruktion. Damit ließ das Autodesk 3D-System die einfache Geometriedokumentation hinter sich und ermöglicht dem Konstrukteur das direkte Auslegen und Einfügen von passenden Funktions- Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

3 und Maschinenelementen in den Entwurf. Das haben sich viele Konstrukteure schon lange gewünscht: Inventor unterstützt heute die Konstrukteure mit seinen leistungsfähigen Konstruktionsassistenten (Bild 1.1) innerhalb der Baugruppenkonstruktion bei vielen aufwendigen Aufgaben. Sehr benutzerfreundlich vereinfachen die Konstruktionsassistenten die Berechnung und automatisierte Darstellung von Maschinen- und Funktionselementen und reduzieren den Aufwand für notwendige Eingaben auf wenige Mausklicks. Ihre Anwendung wird nachfolgend für einige Beispiele vorgestellt. Hier eine Übersicht über die verfügbaren Assistenten: Schraubverbindungen Wellen Zahnräder Lager Federn neuen Methoden bieten komfortable Funktionen, beispielsweise die Auslegung, Berechnung und das Einfügen einer Welle. Schraubverbindungen, die häufig benutzt werden, legt der Konstrukteur als Vorlage beziehungsweise Favoriten ab. Berechnungen werden als HTML-Datei angezeigt (Bild 1.2) und sind exportierbar, beispielsweise für eine weitere Bearbeitung als Word- Dokument. Bild 1.1: Konstruktionsassistenten Autodesk Inventor führt heute weitgehend automatisch häufig vorkommende technische Prinzipien, Berechnungen und standardisierte Verfahren aus. So übernimmt Inventor, in einem Umfang wie kein anderes CAD-System, zeitintensive Aufgaben des Konstruktionsprozesses, veranlasst gleichzeitig mit der Geometrieerstellung die Validierung durch eine Berechnung und schaltet so Fehlerquellen aus. Die Grundlagen und Erläuterungen der Berechnungen, Formeln und der zu Grunde liegenden Theorien, findet der Konstrukteur im "Handbuch für Konstrukteure", eine übersichtliche und online zu lesende HTML-Referenz, die er einfach per Mausklick auf die entsprechende Schaltfläche im Menu Konstruktions-Assistent anzeigen kann (Bild 1.1). Kettenantriebe, Keilriemen- und Zahnriemenantriebe Bolzen- und Stiftverbindungen Ingenieurwissen integriert Ein großer Teil des Grundwissens des Ingenieurs wurde direkt in Inventor integriert. Der Dubbel oder Hütte kann im Regal bleiben. Was der Konstrukteur früher auf dem Skizzenblock rechnete, erledigt jetzt Inventor und baut die Elemente gleich ein. Die Bild 1.2: Berechnungsergebnisse (HTML-Datei) für Stirnräder (Ausschnitt) Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

4 Stahlbaukonstruktion in wenigen Schritten Zum Inventor-Konzept der funktionsorientierten Konstruktion gehört auch ein Softwaremodul für die Stahlbaukonstruktion. In vielen Bereichen des Maschinenbaus, vor allem im Anlagenbau, in der Betriebsmittelkonstruktion und im Nutzfahrzeugbau, werden Rahmenkonstruktionen unter Verwendung von Normstahlprofilen entworfen. Sie dienen als Stützgerüste, Arbeitsbühnen, Montagerahmen, Treppen, Umläufe oder Rahmen von Fahrzeugaufbauten. Bild 1.3: Menüfunktionen für das Einfügen eines Normprofils Die Konstruktion solcher tragender Strukturen mit Hilfe von Standardprofilen ist durch einfache Geometrien und viele ähnliche Teile oder Baugruppen gekennzeichnet. Ihr Aufbau ist eine Routinearbeit, die sich in hohem Maße in einem CAD-System automatisieren lässt. Der Software-Baustein, der diese Aufgaben übernimmt, trägt bei Inventor den Namen Gestellgenerator. Diese integrierte Software-Komponente orientiert sich an der Vorgehensweise eines Konstrukteurs, der zunächst ein idealisiertes Bauraummodell entweder als Draht- oder Volumenmodell definiert. Anschließend geht er daran, die Kanten des idealen Modells durch reale Profile zu ersetzen. Inventor bietet ihm eine Auswahl der verfügbaren Normprofile. Er platziert die Profile entlang der Kanten in 2D- oder 3D-Skizzen. Die Platzierung nimmt der Anwender in einem Einfüge-Menüfenster (Bild 1.3) vor, das dazu dient, die Orientierung des Profils in Bezug auf die vorgegebene Bauraumgeometrie festzulegen. Bild 1.4: Überprüfung der Knickbeanspruchung von belasteten Profilen Ausprägung der Verbindungen Danach geht der Konstrukteur mit intuitiv zu bedienenden Werkzeugen an die Gestaltung der Eckverbindungen: Er wählt beispielsweise einen Gehrungsschnitt, definiert die Ausprägung des Profilendes, die Korrektur des Zuschnitts (Verkürzung, Verlängerung) oder die Einstellung eines Offsets (Abstand). Dabei kann er jederzeit wieder zum Ausgangsprofil zurückkehren, um auf eine andere Form, etwa eine stumpfe Verbindung, zu wechseln. Alle Informationen über das Profil können jederzeit abgefragt werden, wie Masse, Volumen, Abmessungen, Normbezeichnung und Positionierung relativ zu der Bezugsgeometrie des Bauraums. Die Standardinstallation von Inventor enthält bereits eine Bibliothek der wichtigsten Profile und Normreihen. Der Anwender kann eigene Profile definieren, beispielsweise Alu-Profile, und in der Bibliothek, dem Inventor Inhaltscenter verwalten. Bild 1.5: Festigkeitsrechnung: relevante Profileigenschaften Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

5 Berechnungen integriert Die wichtigsten Berechnungsverfahren sind integriert anwendbar, beispielsweise die Überprüfung der Knickbeanspruchung von Stützen und Stäben für die vier Eulerschen Knickfälle (Bild 1.4) und die Berechnung der Grenzspannungen, ebenso die Untersuchung kritischer Teile (Bild 1.5) auf Biegung, Torsion, Zug, Druck usw. Die Software nutzt die integrierten Stücklistenfunktionen von Inventor und produziert automatisch Listen aller einzelnen Zuschnitte, aber auch Summenlisten geordnet nach Normen, um beispielsweise die Gesamtlänge verbauter Profile für die Bestellung zu ermitteln. Beispiel: Pressentisch Der Unterbau des Pressentisches aus unserem Beispiel einer Fertigungszelle wurde als Rahmenkonstruktion mit Vierkantrohren ausgeführt. Die Profile stoßen an den Ecken stumpf aufeinander und sind verschweißt. Bild 1.6 zeigt das Einfügen eines Profils zwischen zwei Kanten, in der Vorschau als grünes Drahtmodell erkennbar. Nach Auswahl einer stumpfen Verbindung (Inventor-Funktion Auf Rahmen stutzen ) kürzt die Gestellgenerator-Software das Profil automatisch auf die passende Länge zwischen den beiden Bild 1.6: Der Unterbau des Pressentisches ist als Rahmenkonstruktion mit Profilstahl ausgeführt: Einfügen einer vertikalen Stütze mit Hilfe des Gestellgenerator Konstruktions-Assistenten Die nachfolgenden Beispiele illustrieren die nahtlose Integration der Berechnung in den Konstruktionsprozess. Dargestellt wird die Konstruktion und Auslegung von Schraubverbindungen, Wellen, ihrer Lagerung und der Kraftübertragung über Kegelräder für den Rundtakttisch der bereits beschriebenen Fertigungszelle. Schraubverbindungs-Generator Der Schraubverbindungs-Generator erstellt komplette Schraubverbindungen, einschließlich der zugehörigen Bohrungen automatisch. Alle wichtigen Normen werden unterstützt. Im Dialog (Bild 1.7) wählt der Anwender 1. den Typ (Durchgangsbohrung, Sackloch) und 2. die Position der Bohrungen (z. B. konzentrisch oder über den Abstand von Bezugskanten), 3. die Startebene in Teil 1 und die Schlussebene in Teil 2), 4. die Schraube, und eventuell 5. Beilagscheiben, 6. die Mutter. Bild 1.7: Schraubverbindungs-Generator begrenzenden Profilen oben und unten. Schraubverbindungen, die häufiger vorkommen, speichert der Konstrukteur in einer Vorlagenbibliothek. Er spart sich so die wiederholte Auswahl der einzelnen Komponenten der Schraubverbindung. Die Objekteigenschaften der gesamten Schraubverbindung werden gespeichert und bleiben bei Modifikationen erhalten. Soll statt einer Schraube M10 eine Schraube M8 verwendet werden, so ist nur der Nenndurchmesser zu ändern und die Konstruktion zu aktualisieren. Ebenso könnte eine Innensechskant- Schraube gegen eine Sechskantschraube ausgetauscht werden, ohne an den übrigen Elementen der Verbindung eine Änderung vornehmen zu müssen. Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

6 Schraubenberechnung Stark beanspruchte Schrauben wie die Befestigungen der Pressenzylinder, die auf Zug beansprucht sind, müssen hinsichtlich ihrer Festigkeit überprüft werden. Der Schraubenverbindungs-Generator bietet eine Berechnung (Bild 1.8) sowohl für die Beanspruchung der belasteten und durch Anziehen vorgespannten Schraube als auch für die Dauerfestigkeit (Ermüdung) an. Die Auslegungsberechnung verlangt die Parameter Axialkraft, Tangentialkraft (im Fall der Zylinderbefestigung gleich Null), einen Faktor für die Vorspannung der angezogenen Schraube, einen Faktor, der durch die Art des Schraubenanzugs bestimmt wird, einen werkstoffabhängigen Reibungskoeffizient und den erforderlichen Sicherheitsfaktor. Bild 1.8: Schraubenberechnung Beispiel: Einfügen von Normteilen mit Autodrop Eine Reihe von Normteilen platziert Inventor mit der komfortablen Autodrop -Funktion. Für Schraubenverbindungen ist dieser Weg als Alternative zum o. g. Schraubverbindungs-Generator zu sehen. Dabei wählt der Konstrukteur nach dem Aufruf der Normteilebibliothek den Schraubentyp. Die empfohlene Größe zeigt Inventor in einer Vorschau und fügt dann die Schraube nach Bestätigung automatisch ein (Bild 1.9). Diese Funktion benötigt nur die Anwahl der oberen Bohrungskante mit dem Mauszeiger, um die Schraube korrekt zu positionieren. Scheiben und Muttern werden analog positioniert. Die Reihenfolge entspricht der Montage: 1. Scheibe oben 2. Schraube 3. Scheibe unten 4. Mutter. Bild 1.9: Autodrop: Eine passende Schraube zeigt Inventor in der Vorschau. Mehrfaches Einfügen Eine Schaltfläche in der Autodrop-Werkzeugleiste schaltet das Einfügen mehrerer Verbindungselemente in einem einzigen Schritt ein. Wenn diese Option aktiviert ist, sucht Autodrop nach allen Bohrungen, deren Durchmesser dem der ursprünglichen Auswahl entspricht, und füllt sie entsprechend auf (Bild 1.10). Bild 1.10: Befestigung der hydraulischen Arretierung. Per Autodrop-Funktion fügt Inventor alle Schauben in die passenden Bohrungen ein. Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

7 Beispiel: Konstruktion und Berechnung einer Welle Der Rundtakttisch des Beispiels Fertigungszelle, wird von einer Welle angetrieben, die das Antriebsmoment des Motors über ein Kegelradgetriebe in eine Drehbewegung des Tisches umwandelt. Der Konstruktionsassistent Wellengenerator hilft zunächst bei der schnellen Definition aller Hauptabschnitte einer Welle (Bild 1.11). Die Hauptelemente sind vor allem Zylindersegemente, aber auch Kegel oder Polygonabschnitte. Die Auswahl erfolgt durch Klick auf die blauen Symbole: Am linken und rechten Wellenende können Bohrungen angebracht sein (zylindrisch oder kegelförmig), die Auswahl erfolgt auf diesen Schaltflächen: In weiteren Schritten legt der Konstrukteur weitere Detailelemente der Welle fest: Fasen, Radien, Einstiche oder eine Rille für eine Sicherungsmutter auf der linken Seite und entsprechend auf der rechten Seite, Auswahl über diese Symbole: Die folgenden Elementobjekte können auf den Wellenabschnitten hinzugefügt werden. Die Auswahlmöglichkeit steuert Inventor sinnvoll, da für Kegel und Zylinder unterschiedliche Optionen sinnvoll sind: Bild 1.11: Wellengenerator, Festlegung der Hauptabschnitte einer Welle Für die automatische Erzeugung einer Passfeder und zugehöriger Nut sorgt alternativ der Konstruktionsassistent Keilverbindungs-Generator. Er ermittelt automatisch den Wellendurchmesser, bestimmt die Passfederlänge und die Federgröße nach der entsprechenden DIN-Norm. Die Kraftannahmen (Drehmoment, vgl. Bild 1.12) resultieren aus den Bewegungskräften des Rundschalttisches, Querkräfte ergeben sich aus den Reaktionskräften in den Lagern. Den Verlauf des Biegemoments, der Querkraft, der Durchbiegung und der Spannungskenngrößen liefert Inventor auf Knopfdruck (Bild 1.13) nach den Formeln, die im Inventor-Handbuch für Konstrukteure (Bild 1.14) nachzulesen sind. Es entsteht ein Strukturbaum der Wellenelemente und objekte, der an jeder Stelle editierbar ist. Bild 1.12: Wellenberechnung, Belastungsannahmen Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

8 Bild 1.13: Wellenberechnung, Verlauf des Biegemoments Bild 1.14: Auszug aus dem Inventor Online-Handbuch für Konstrukteure: Die Formeln, nach denen die Belastungskenngrößen für Wellen berechnet werden. Auswahl und Auslegung der Lager Für die Auswahl und Berechnung der Lager bemüht der Anwender einen weiteren Konstruktionsassistenten, den Lagergenerator. Nach Festlegung der Lagerart, im Beispiel eines Rillenkugellagers DIN 625-T1 (Bild 1.15), wählt der Konstrukteur den Wellendurchmesser und die Position durch Anklicken der Mantelfläche der Welle und der Seitenfläche des angrenzenden Wellenabschnitts. Die auf die Lager wirkenden radialen und axialen Kräfte rühren vom Antrieb des Rundtakttisches über Kegelzahnräder. Die Berechnung führt Inventor wahlweise nach ANSI/AFBMA (ISO ) oder nach der SKF-Methode durch. Die Überprüfung unter Berücksichtigung der Lagerkräfte ergibt eine ausreichende Lebensdauer der Lager (Bild 1.16). Bild 1.15: Auswahl und Auslegung der Lager Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

9 Bild 1.16: Lagerberechnung: Überprüfung der Lebensdauer Auslegung der Kegelräder Bei der Auslegung von Zahnrädern geht es zunächst darum, die Verzahnungsgeometrie und Zähnezahlen entsprechend der gewünschten Übersetzung zu bestimmen (Bild 1.17). Im zweiten Schritt ist die Tragfähigkeit festzustellen. Dabei überprüft Inventor die Dauerfestigkeit hinsichtlich der Zahnbiegebeanspruchung und der Kontaktbeanspruchung der Zahnflanken (Bild 1.18). Bild 1.17: Berechnung der Kegelräder: Auslegung der Zahnradgeometrie Bild 1.18: Berechnung der Kegelräder: Festigkeitsüberprüfung Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

10 Sonstige Berechnungsverfahren Weitere, häufig benötigte Berechnungsverfahren sind als Software-Assistenten direkt in Autodesk Inventor implementiert. Dazu gehören folgende Methoden: Schweißverbindungen Bewegungsschraube Dieser Assistent berechnet die Geometrieparameter einer Bewegungsschraube und überprüft die zulässigen Belastungen. Träger und Platten Inventor überprüft die statische und z. T. die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen. Lötverbindungen Berechnet wird die statische Festigkeit der Lötverbindungen. Auf diese Schaltfläche klickt der Konstrukteur, wenn er eine Berechnung von Balken (Trägern) mit unterschiedlichen Belastungen, entweder mit Standardquerschnitten oder für ein Bauteil aus seiner Konstruktion, braucht eine häufig vorkommende Aufgabe. Der Software-Assistent liefert den Verlauf des Biegemoments, der Querkraft, der Durchbiegung und der Spannungskenngrößen. Daneben findet er die Berechnung von Stützen, aber auch die Berechnung von kreisförmigen und rechteckigen Platten unter Flächen- oder Punktbelastung. Bremsen Klemmverbindungen Dieser Assistent berechnet Bremsmomente, Kräfte, wichtige Abmessungen, erforderliche Bremszeit und Umdrehungen bis zum Stillstand. Dieser Konstruktionsassistent überprüft die Festigkeit der Klemmverbindungen bei statischer und wechselnder Belastung. Toleranzen, Passungen, Presspassung Dieser Assistent unterstützt eine Toleranzanalyse, berechnet Grenzwerte und Passungen, unterstützt die Auswahl und Berechnung von Passungen für das System Einheitsbohrung und Einheitswelle und legt die Parameter für die Berechnung von Presspassungen fest. Zeit sparen Fehler vermeiden Autodesk hat die funktionsorientierte Konstruktion von Inventor in den letzten Jahren ausgebaut, um Routineprozesse zu automatisieren und den Anwendern mehr Zeit für die kreativen Aufgaben in der Entwicklung zu verschaffen. Es lohnt sich für die Firmen, die Mitarbeiter mit diesen Software-Funktionen vertraut machen. Die Standardisierung und Automatisierung häufig benutzter Methoden beschleunigt den Ablauf der Konstruktion und hilft Fehler zu vermeiden. Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

11 2. Dynamische Simulation Bewegte mechanische Systeme im CAD-System analysieren und berechnen Bis vor wenigen Jahren verstand Inventor wie viele andere Systeme unter Simulation nur die Animation der Grafik beweglicher Bauteile und Baugruppen. Das erlaubte die Bestimmung ihrer Bahnbewegung in der Ebene oder im Raum ohne reale Parameter wie Drehzahlen, Geschwindigkeiten oder Taktzeiten. Die Bahnkurven beschreiben aber nur einen kleinen Teil der Probleme. Für die Auslegung realer Maschinen und Geräte ist eine umfassendere Analyse erforderlich, die Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und die daraus resultierenden Belastungen ermittelt. Neben den extern angreifenden Kräften erzeugen die bewegten Massen Kräfte in den mechanischen Systemen. Feder-, Dämpfungselemente oder Reibungskräfte beeinflussen die Belastung und das Verhalten der Systeme. Ihre Auswirkungen müssen in die Analyse eingehen. Inventor Professional beherrscht seit Version 11 solche Analysen und die Simulation der Dynamik, einschließlich der Berechnung von Kräften, Massenkräften, Lagerkräften, oder Drehmomenten. Dadurch kann ein Konstrukteur jetzt beispielsweise einen Pneumatikzylinder korrekt auslegen, die Torsionsbeanspruchung einer Welle oder die Belastung eines Lagers unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Systems berechnen. Bahnkurven sind jetzt automatisch und komplett ermittelbar. Selbst das war früher nur mühsam durch schrittweise Ermittlung von Bahnpunkten möglich. Diese Software ist heute in den Paketen Autodesk Inventor Professional und Autodesk Inventor Professional for Simulation enthalten. Bild 2.1: Simulation eines Ventilantriebs Ausgabe der Antriebskraft in einem Diagramm In wenigen Schritten zum Ergebnis Welche Aufgaben analysiert nun die dynamische Simulation? Hier weitere Beispiele von Problemstellungen, die von der Software gelöst werden können: Optimierung der Nockenscheibe für die Betätigung eines Schließventils (Bild 2.1) Ermittlung der Geschwindigkeit am Ausgang eines Malteserkreuz-Getriebes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit am Getriebeeingang (Bild 2.2) Optimierung der Federung und Dämpfung einer Radaufhängung (Bild 2.3) Optimierung der Nockensteuerung eines Mehrfachgreifers für die Handhabung von Keramiknutzen (Bild 2.4) Die vollständige Integration der Simulationssoftware in Inventor Professional bedeutet, dass der Anwender nur wenige Vorbereitungsmaßnahmen treffen muss, um eine dynamische Simulation durchzuführen. Dabei werden die Abhängigkeiten aus der Inventor-Baugruppenumgebung direkt als Gelenkdefinitionen genutzt. Das verkürzt die Vorbereitung der dynamischen Simulation. Die Software unterstützt alle wichtigen Formen von Gelenken, Getrieben, Kontaktbedingungen und Antriebsarten, beispielsweise: Bild 2.2: Malteserkreuz-Getriebe und Verlauf der Geschwindigkeit am Getriebeausgang Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

12 Kurvenscheiben erzeugen Inventor löst mit dieser Software eine häufige Aufgabenstellung: Die Simulation ermöglicht es, eine Kurvenscheibe rückwärts zu ermitteln, d.h. für eine gewünschte Bahnkurve die erforderliche Geometrie der Kurvenscheibe zu bestimmen. Das Ergebnis gibt die Software in einer Excel-Datei für die weitere Bearbeitung aus. Inventor kann sie auch direkt für die weitere Konstruktion übernehmen. Beispiel: Simulation einer Pressenanlage Bild 2.4: Mehrfachgreifer mit Nockensteuerung (Bild: Baumann GmbH) zylindrisches Gelenk Kugelgelenk Translationsverbindung abrollende Verbindung (Zahnrad) spiralförmige Verbindungen oder Antriebe (Spindel, Schraube) Schneckengetriebe Kurvenscheiben (mit Kontaktbedingung) Federkraft usw. Die dynamischen Kräfte, die am Pressenstempel (Bild 2.5) auftreten, sollen untersucht werden, um die Auslegung und Festigkeit der belasteten Komponenten zu überprüfen. Dazu wechselt der Inventor-Konstrukteur in die Software-Umgebung für die dynamische Simulation (Bild 2.6 links). Den Ablauf der Vorbereitung und die verfügbaren Funktionen zeigt Bild 2.6 rechts. Eine neue Baugruppe enthält zunächst keine Gelenkzuordnungen zwischen den Bauteilen bzw. Unterbaugruppen. Der Ursprung der Baugruppe gilt als fest fixiert und wird im Modellbrowser (Bild 2.8) unter Fixiert geführt, zusammen mit Komponenten oder Unterbaugruppen, die nicht beweglich sind. Daneben führt der Modellbrowser die beweglichen Komponenten auf. Unterbaugruppen, die in sich nicht beweglich sind, behandelt Inventor wie einzelne, starre Bauteile. Bauteile selbst sind immer starr, d.h. nicht elastisch verformbar. Anschließend sind weitere Randbedingungen festzulegen wie Schwerkraft, Reibung, äußere Kräfte und Antriebe. Die Ergebnisse der Simulation (Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte und Momente) können in grafischer Form oder in einer Excel-Datei ausgegeben werden. Natürlich ist alternativ oder ergänzend die visuelle Überprüfung in einer realitätsnah animierten 3D-Darstellung auf dem Bildschirm möglich. Die errechneten maximalen Kräfte dienen als Eingabe für die Belastungsanalyse einzelner Bauteile oder für die Auslegung von Antrieben und Stellgliedern. Der Konstrukteur erhält eine Antwort auf seine Frage: Welche Kraft muss mein Hydraulikzylinder aufbringen, um eine bestimmte Bewegung zu erzeugen? Die Festigkeitsrechnung kann direkt anschließend mit dem integrierten FEM-Modul in Inventor Professional oder falls eine ganze Baugruppe untersucht werden soll in einem externen FEM-System durchgeführt werden. Bild 2.5: Pressenstempel Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

13 Bild 2.6: Start des Softwaremoduls Dynamische Simulation und Überblick über seine Funktionen Der erste Schritt ist die Definition aller Gelenke, d. h. der beweglichen und starren ( verschweißten ) Verbindungen. Das Bild 2.7 zeigt eine Übersicht aller möglichen Gelenktypen, welche die unterschiedlichen Bewegungsmöglichkeiten repräsentieren. Es gibt sechs Freiheitsgrade, die jeder Körper im Raum maximal besitzen kann: drei translatorische in x, y und z-richtung und drei rotatorische um die Achsen x, y und z. Die Gelenk- oder Verbindungsarten sind dadurch charakterisiert, dass sie verschiedene Freiheitsgrade sperren. So bezeichnet Inventor eine Verbindung mit nur einem translatorischen Freiheitsgrad als prismatisch (vgl. Beispiel Pressenstempel Bild 2.8). Verschweißt ist eine starre Verbindung. Zylindrisch wäre beispielsweise eine Verbindung mit einem translatorischen und einem rotatorischen Freiheitsgrad usw. In einem zweiten Schritt sind für das Beispiel Pressenstempel die Kraft- und Dämpfungswerte der Pressenzylinder und der gefederten Stößel festzulegen, die das Bauteil beim Pressvorgang fixieren. Die Simulationssoftware erlaubt die Definition von Reibung, Dämpfung, Federkräften als Kennlinien abhängig von der Zeit. Die Werte werden direkt eingegeben oder aus vorhandenen Tabellen eingelesen (Bild 2.9). Die Stößelkräfte ergeben sich aus den Federkräften der komprimierten Federn (Bild 2.10). Die Federkraft setzt ein, sobald die Stößel das festzuhaltende Bauteil berühren. Diese Bedingung legt der Konstrukteur durch das Einfügen einer 2D- Kontaktverbindung zwischen Stößel und Bauteil fest. Bild 2.7: Übersicht über die verfügbaren Gelenkformen (Verbindungen zwischen den Elementen eines beweglichen Mechanismus) Bild 2.8: Definition der Gelenke bzw. Verbindungen für die dynamische Simulation am Beispiel Pressenstempel Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

14 Bild 2.9: Definition der Kraft- und Dämpfungswerte der Pressenzylinder Bild 2.10: Ermittlung der Federkräfte der Stößel Die Simulationssoftware kann Diagramme aller Einund Ausgabeparameter sowohl während der Simulation dynamisch, als auch nach der Berechnung, zusammen mit Wertetabellen, ausgeben. Sie ist auch in der Lage, aus den errechneten Kraftverläufen automatisch die maximalen Kräfte anzuzeigen, die während eines Arbeitsganges auftreten (Bild 2.12). Diese Maximalwerte sind schließlich die relevanten Größen, die anschließend in einer FEM-Analyse dazu dienen, die Festigkeit des Pressenrahmens zu untersuchen. Den Ablauf einer Animation der dynamischen Simulation definiert der Anwender in der Menüfläche Simulationsfeld (Bild 2.11). Der Wiedergabeknopf startet die filmähnliche Präsentation. Bild 2.11: Animation der dynamischen Simulation Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

15 Bild 2.12: Ermittlung der maximalen Kräfte aus den ermittelten Kraftverläufen Mehr Nutzen ohne Mehrkosten Die Visualisierung der Bewegungen und Belastungen in Abhängigkeit von der Zeit liefert dem Konstrukteur ein besseres Verständnis des Verhaltens seiner Konstruktion und eine realitätsnahe Animation des digitalen Prototyps, die einem physischen Prototyp nahe kommt. Den Anwendern der Softwarepakete Autodesk Inventor Professional und Autodesk Inventor Simulation Suite steht damit eine leistungsfähige Software für die Simulation bewegter mechanischer Systeme innerhalb des CAD-Pakets zur Verfügung, eine Funktionalität, die CAD-Anwender sonst in der Regel nur bei Drittanbietern erhalten. Nach wenigen vorbereitenden Arbeitsschritten kann ein Konstrukteur heute auf Knopfdruck die Dynamik seiner Baugruppen untersuchen, den teuren Bau von Prototypen sowie viele teuere und zeitaufwändige Versuchsreihen sparen. Wer sich mit der dynamischen Simulation früh vertraut macht, kann sehr schnell Erfolge in Form verbesserter Produkte und reduzierten Entwicklungsaufwands ernten. Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

16 3. FEM-Berechnung Früher ein Wunschtraum - heute Realität: FEM im CAD-System integriert Mit dem konsequenten Umstieg von der 2D- auf die 3D-Konstruktion haben viele Unternehmen die besten Voraussetzungen für die konstruktionsbegleitende Berechnung mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) geschaffen. Deshalb können Mittelständler und Konstruktionsbüros in allen Bereichen des Maschinenbaus an die nächsten Schritte denken, wenn es darum geht, die Qualität und Zuverlässigkeit ihrer Produkte zu verbessern. Moderne FEM-Software ist so einfach in der Anwendung, dass selbst kleine Ingenieurbüros problemlos damit zurecht kommen und sie mit Erfolg nutzen können. Der Konstrukteur kann eigenständig in Minuten am Arbeitsplatz Tendenzen und Problembereiche erkennen. FEM- Berechnungsverfahren, die in der Vergangenheit aus Kostengründen den Entwicklungszentren der Großunternehmen und Forschungszentren vorbehalten waren, sind heute in den Paketen Autodesk Inventor Professional und Autodesk Inventor Simulation Suite enthalten. Schneller und genauer Überschlagsrechnungen und Schätzungen gehören damit der Vergangenheit an. Noch vor einem Jahrzehnt hätten sich viele Konstrukteure das nicht träumen lassen. Heute kann die Überprüfung von Spannungen und Verformungen als regelmäßige Routine bei allen kritischen Bauteilen stattfinden. Das bedeutet, der Konstrukteur kann seine CAD-Geometrie auf Festigkeit überprüfen, die Geometrie in Inventor iterativ durch Änderung einiger Parameter anpassen und nachrechnen bis ein Optimum erreicht ist. Für die Berechnung sind keine externen Spezialisten und langwierigen Kommunikationswege erforderlich. Einfache Handhabung Die Handhabung des Systems ist einfach und in kurzer Zeit erlernbar. Der Konstrukteur kann danach selbst in Minuten am Arbeitsplatz Berechnungen durchführen sowie Tendenzen und Problembereiche erkennen. Ein FEM-Netz braucht nicht gesondert aufgebaut zu werden. Das übernimmt Autodesk Inventor Professional automatisch (Bild 3.1). Das FEM-Modul von Inventor Professional unterstützt die Berechnung von Verformungen, Spannungen und die Modalanalyse zur Bestimmung der Eigenfrequenzen. Die Netzgenerierung und Analyse erfolgen unmittelbar am CAD-Modell. Die Materialauswahl, die Festlegung der Randbedingungen, Einspannungen, die Angabe der wirkenden Kräfte, Lasten, Druck oder Momente Finite-Elemente-Methode (FEM oder Finite Element Analysis FEA) Ursprünglich wurde die Methode für die Berechnung von Verformungen und Spannungen bei festen Körpern entwickelt und das ist auch heute der häufigste Anwendungsfall in der mechanischen Konstruktion. Die besondere Bedeutung der FEM liegt darin, dass sie die Berechnung beliebig komplexer Körper erlaubt und sich nicht auf einfache Formen beschränkt wie Balken(Trägern) mit verschiedenen Querschnitten, die jeder Ingenieur, zumindest während der Ausbildung, von Hand berechnet. Das FE-Verfahren bewährt sich inzwischen bei vielen physikalischen Problemen wie der Berechnung von Strömungen, in der Hydraulik, bei der Wärmeleitung, Elektrizität, Magnetostatik usw. Bei der FEM wird der zu berechnende Körper in diskrete Teile zerlegt (Finite Elemente). Das räumliche Fachwerk ist ein Sonderfall, der das Prinzip illustriert. Bei ihm ist die Aufteilung in Elemente, nämlich die Fachwerkstäbe, durch die Aufgabe selbst bereits gegeben. Für diese diskreten Elemente lassen sich nun Berechnungsgleichungen aufstellen, die beim Fachwerk noch manuell berechenbar wären, bei der Vielzahl der Elemente in einem FEM-Netz aber zu riesigen Gleichungssystemen anwachsen, deren manuelle Lösung undenkbar ist. Noch vor 20 Jahren wurden Großrechner für solche Berechnungen eingesetzt, heute genügt die Leistung eines modernen PCs. führt der Anwender direkt in der Inventor- Benutzeroberfläche durch. So können Konstrukteure ihre Berechnungsprojekte in der gewohnten Softwareumgebung definieren. Der Rest ist ein Mausklick, um eine komplexe Rechnung anzustoßen. Das grafische Ergebnis ist unmittelbar verständlich. Inventor FEM berechnet auch dünnwandige Bauteile und Bleche. Deshalb kann der Konstrukteur die FEM- Belastungsanalyse von der Bauteil- oder Blechumgebung von Inventor aus aufrufen. Bei Bild 3.1: FEM-Netz mit partieller Verdichtung Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

17 Blechteilen kann der Anwender entscheiden, ob er sein Bauteil als Volumenkörpermodell oder optimiert als dünnwandiges Schalenmodell berechnen will (Bild 3.2) und die Netzgenerierung entsprechend steuern. Beispiel: Pressenrahmen Als Beispiel für die Anwendung von Inventor FEM soll die rechnerische Untersuchung des C-förmigen Rahmens einer Presse dienen. FEM ist ein Näherungsverfahren, das zwar einfach zu benutzen ist, dessen Ergebnisse und deren Interpretation ingenieurmäßiges Denken und Grundkenntnisse der Methode voraussetzen. Beispielsweise kann es sinnvoll und notwendig sein, Kerbwirkungen durch Netzverdichtung genauer zu untersuchen. Der Inventor-Anwender kann über einen Schieberegler die Netzdichte erhöhen und zusätzlich eine Konvergenz- Option wählen. Die Konvergenz-Option bewirkt die partielle Netzverdichtung an kritischen Stellen. Natürlich erhöhen sich der Rechenaufwand und die Laufzeit der Analyse mit zunehmender Netzdichte. Das FEM-Modul von Inventor berechnet Bauteile. Baugruppen sind über die Funktion abgeleitete Bauteile in Bauteile zu integrieren. Damit liefert Inventor als wichtigste Eingabe-Information direkt die Geometrie des zu berechnenden Modells, die sonst sehr aufwändig erst beschrieben werden müsste. Eine Datenkonvertierung ist nicht erforderlich. Für die Berechnung ist noch die Zuweisung eines Materials erforderlich. Die Materialbibliothek für die FEM- Analyse ist identisch mit der Materialbibliothek in der Inventor-Bauteilmodellierung, d.h. der dort gewählte Werkstoff ist für die FEM-Berechnung voreingestellt. Bild 3.2: FEM-Netz optimiert für dünnwandige Modelle Danach geht der Konstrukteur daran, die Kräfte anzubringen, die auf das Bauteil wirken und die Lagerungsbedingungen zu definieren. Die Kräfte sind entweder schon bekannt, oder ergaben sich aus der vorangegangene dynamische Simulation und dienen jetzt als Eingabegrößen für die Berechnung. Die Inventor- Schaltfläche "Belastungsanalyse" (Bild 3.3) gibt einen Überblick über die Funktionen der Inventor FEM-Software, den Ablauf der vorbereitenden Schritte und der Auswertung der Ergebnisse. Bild 3.3: Inventor Schaltfläche Belastungsanalyse Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

18 Der C-Rahmen unserer Presse soll mit seiner Bodenfläche fest fixiert sein (Bild 3.4). Auf die Auflageflächen des Pressentisches wirken vertikale Kräfte (Bild 3.5). Die Gegenkräfte wirken im Schulterbereich des Rahmens, dort wo die Hydraulikzylinder befestigt sind (Bild 3.6). Kleine, graue Pfeilsymbole zeigen die Richtungen und Angriffspunkte der Kräfte bildlich an. Die Lastannahmen und Lagerbedingungen legt die Software als Bestandteil des digitalen Modells ab. Sie sind im Modellbrowser wieder aufrufbar und können für einen neuen Rechenlauf bei Bedarf modifiziert werden. Bild 3.4: Feste Einspannung der Bodenfläche (blau dargestellt) Die Berechnung startet der Bediener mit einem Klick auf die Schaltfläche "Belastungsanalyse Aktualisierung" (Bild 3.7). Eine Fortschrittsanzeige gibt Aufschluss über die Laufzeit der Berechnung. Die Ergebnisse der Berechnung findet der Anwender anschließend im Modellbrowser abgelegt. Durch einen Doppelklick auf die Ergebnissymbole (Vergleichsspannung, Verformung, Sicherheit) holt er sich die grafischen Darstellungen auf seinen Bildschirm (Bilder 3.8, 3.9). Bild 3.5: Kräfte auf Auflageflächen (blau) Bild 3.6: Gegenkräfte Bild 3.7: Start der Berechnung und Fortschrittsanzeige Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

19 Im konkreten Beispiel ergeben sich keine problematischen Werte. Beim gewählten Material wäre ein Spannung von ca. 600 N/mm 2 zulässig, d.h. selbst bei höheren Sicherheitsfaktoren ist das Ergebnis mit 25 N/mm 2 unkritisch. Es kann aber trotzdem optimiert werden. Bauteiloptimierung Der Konstrukteur erkennt, dass die offene Form der Schultern des C-Rahmens eine starke Verformung zulässt (Bild 3.8, links, selbst wenn die Verbindungselemente in der Baugruppe eine solche Verformung reduzieren). Er vermutet, dass sich die Verformung durch eine geschlossene Form (Bild 3.10, rechts) deutlich reduzieren lässt. Bild 3.8: Vergleichsspannung Ändert der Konstrukteur nun seine Geometrie oder Lastannahmen, stimmen die Rechenergebnisse nicht mehr überein. Inventor weist im Modellbrowser durch ein Blitzsymbol darauf hin und verlangt auf diese Weise eine Aktualisierung der Belastungsanalyse. So sorgt Inventor dafür, dass Modell- und Berechnungsdaten konsistent bleiben. Die Änderungen führt der Konstrukteur direkt am Modell durch. Die Randbedingungen und vorher definierten Lasten bleiben erhalten und müssen nicht erneut eingegeben werden. Anschließend ist nur ein Klick für die Aktualisierung der Berechnung erforderlich, um die neuen Ergebnisse zu erhalten. Die Ergebnisgrafik (Bild 3.11) zeigt, wie eine einfache Modifikation die Festigkeit des Bauteils erhöht. Die geschlossene Form führt zu einer um 20% niedrigeren maximalen Vergleichsspannung (20 N/mm 2 statt 25 N/mm 2 ). Bild 3.9: Verformung Eigenfrequenzen Durch die Analyse der Eigenfrequenzen ermittelt die Software kritische Frequenzen oder Drehzahlen, die zu Resonanzschwingungen führen können. Die Schwingungsform eines Resonanzfalles ist darstellbar und hilft dabei, Abhilfe zu schaffen und die Resonanz zu vermeiden. Bild 3.10: Bauteiloptimierung: links offene Form rechts geschlossene Form der Schulter des C-Rahmens Bild 3.11: Bauteiloptimierung, Bild rechts mit Vernetzung Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

20 Bild 3.12: HTML-Bericht der FEM-Analyse (Auszüge) Bild 3.13: HTML-Bericht der FEM-Analyse (Auszüge) HTML-Berichte Inventor FEM erzeugt auf Knopfdruck Berichte der Festigkeitsuntersuchung im HTML-Format und speichert sie mit dem Modell ab (Bilder 3.12, 3.13). Sie sind anschließend im Modellbrowser aufgeführt und jederzeit für eine Überprüfung zugänglich. Falls ein Bericht in Microsoft Word bearbeitet werden soll, kann er auch mit allen Bildern in eine Word-Datei übernommen werden. Animationen Neben der statischen Darstellung der Verformungen erlaubt Inventor FEM eine sehr anschauliche Animation. Die Geschwindigkeit der Animation ist einstellbar. Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21

21 Belastungsarten und Lagerarten Das Beispiel C-Rahmen zeigt nur einen Teil der Möglichkeiten von Inventor FEM auf. Weitere Belastungsarten wie Gleichmäßiger Druck auf einer Fläche, Kraft verteilt auf einer Fläche, Kraft auf einem Eckpunkt, Lagerbelastung, Drehmoment, Massenkräfte in beschleunigten Systemen, Fliehkräfte, Eigengewicht kann der Konstrukteur aufbringen. Neben der Einspannung einer Fläche wie im Beispiel C-Rahmen lässt Inventor weitere Lagerarten zu wie: die Einspannung einer Kante, die Einspannung eines Eckpunkts, die Pin -Abhängigkeit, damit ist eine axiale Lagerung zu verstehen, bei der bestimmte Freiheitsgrade wahlweise eingeschränkt werden: Radiale Bewegung, axiale Bewegung und / oder tangentiale Bewegung reibungslose Abhängigkeit : Damit ist die Beweglichkeit in tangentialer Richtung gemeint, während die Normalrichtung gesperrt ist. Beispiele: Beweglichkeit in einer Fläche und Drehung um Normale, bei Zylinderfläche: axiale Beweglichkeit und Drehung um die Achse. Bessere Konstruktionen weniger Kosten Mit Hilfe der Simulations- und Berechnungsfunktionen von Inventor Professional kann die Optimierung einer Konstruktion in einer frühen Phase des Projekts beginnen. Schwachstellen werden zeitig ausgemerzt und konstruktive Varianten schnell verglichen, um bessere Alternativen zu finden. Das kann beispielsweise dabei helfen, die Steifigkeit einer Bearbeitungsstation zu überprüfen. Das führt zu optimierten Entwürfen, mehr Sicherheit, reduziert die Anzahl teurer Prototypen und verkürzt die Entwicklungszeit insgesamt. Die Produktkosten werden zu einem großen Teil vom Material und Gewicht bestimmt. Überdimensionierte Bauteile erhöhen nicht nur die Materialkosten, sondern in der Folge beispielsweise die Antriebs-, Lager-, Montage und Transportkosten. Mit Inventor Professional kann der Konstrukteur selbst seinen Entwurf prüfen. Er bekommt unmittelbares Feedback, reduziert überflüssiges Gewicht, lernt dabei für die Gestaltung künftiger Objekte und spart obendrein Zeit und Kosten. Die einheitliche Software-Umgebung erleichtert die Bedienung und verringert den Schulungsaufwand. Mit den Paketen Inventor Professional oder Inventor Professional for Simulation erhält der Konstrukteur nicht nur eines der leistungsfähigsten CAD-Systeme auf dem Markt, sondern auch Softwaremodule für eine leistungsfähige dynamische Simulation und Festigkeitsuntersuchungen - nahtlos integriert in sein CAD-System. Ausblick Im August 2007 übernahm Autodesk den Entwickler von FEM-Analyse-Software PlassoTech. Das bedeutet, dass der Bereich Berechnungen innerhalb der Inventor-Produktfamilie bald signifikante Erweiterungen erfahren wird. Die PlassoTech-Software bietet weit mehr Möglichkeiten der Berechnung von Bauteilen und Baugruppen als heute in Inventor vorhanden sind. Eine weitere Transaktion schloss Autodesk im Juni 2008 ab. Sie bedeutet, dass Moldflow, der bekannte Entwickler von Software-Lösungen für Aufgaben im Bereich Spritzguss-Technik ein Teil von Autodesk wird. Die Moldflow-Software ist in der Lage, den Prozess des Spritzgießens von Kunststoffteilen zu berechnen, zu visualisieren und zu optimieren. Mit dieser Ergänzung seines Portfolios wird Autodesk zu einem wichtigen Lieferanten der Hersteller von Kunststoffprodukten. Beide Akquisitionen gelten als wichtige Bausteine der Digital Prototyping-Strategie von Autodesk. Neue, nahtlos in Inventor integrierte Produkte sind schon im nächsten Jahr zu erwarten. Herausgeber: Autodesk Deutschland GmbH Aidenbachstr München Tel infoline.muc@autodesk.com 14 Cent pro Minute aus dem Netz der Deutschen Telekom, Abweichungen für Anrufe aus dem Mobilfunknetz möglich. Bei internationalen Gesprächen fallen die üblichen Auslandsgebühren an. Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul / 21