CAD-FEM-MKS, CAD FEM MKS. von der dreidimensionalen Konstruktionszeichnung zum guten mechanischen Simulationsmodell

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1 CAD-FEM-MKS, CAD FEM MKS von der dreidimensionalen Konstruktionszeichnung zum guten mechanischen Simulationsmodell der erste Schritt zum digitalen Zwilling im Rahmen von Industrie 4.0 Bocholt, André Schwack M.Eng.

2 Entwicklungsumgebung Mechatronik Institut Bocholt Der digitale Zwilling Der digitale Zwilling, der virtuelle Prototyp oder das Digital Mock-Up (DMU) beschreibt vollständig alle Produkteigenschaften: - Grundkonzeption CAD: Computer Aided Design - Geometrie FEM: Finite Elemente Methode - Strukturmechanik MKS: Mehr-Körper Simulation - Kinematik CACE: Computer Aid. Control Engine. - Betriebsverhalten CFD: Computer Fluid Dynamics - Funktionen CAM: Computer Aided Manufacturing - Steuerprogramme CAM: CAM for Robotics - Bedienung S i L: Software in the Loop - Fertigungsdaten H i L: Hardware in the Loop - Montage - Testbedingung die möglichst in einheitlichen und konsistenten Datenformaten vorliegen sollen! z.b. bei Vollsortimentern wie Siemens-NX, Dassault-CATIA oder PTC-Windchill (zum Beispiel im Vergleich zu: MS Office, iwork-apple, OpenOffice für das Büro)

3 Information beim Entwickeln CACE: Computer Aided ControlEngineering Bewegungen MKS: Massen, Gelenke, äußere Kräfte, Beschleunigungen Kraft, Moment FEM: Werkstoffe, äußere Kräfte, Temperaturen 3D-CAD-Modell: Geometriedaten Messen: Methoden, Toleranzen Messpunkte Montage: Strukturstücklisten, Toleranzen, Schweißdaten, Teilelisten CAM: Werkzeugdaten, Technologiedaten, Maschinendaten Entwickeln Fertigen

4 Ziel der MKS Mit der MKS (Mehr-Körper Simulation) werden die Bewegungen und Lagerlasten einer Maschine oder Anlage berechnet. Mit den Lagerlasten können dann die Verformungen und Spannungen der Bauteile berechnet werden, mit der FEM.

5 Vorgehen bei der MKS Kinematik und Lastenermittlung Ausleger Mähfahrzeug 3D-CAD-Geometrie (f. Fertigung) Ergebnisbetrachtung Massen, Gelenke, etc In Zusammenarbeit mit

6 Beispiel: Arbeitsbühne, Teupen nach: Firma Teupen GmbH, Gronau

7 Beispiel: LKW-Auflieger Simulation der Kräfte:

8 Probleme bei der MKS Gegenargumente zur Mehrkörpersimulation: Die Bewegungen sind so einfach, dass sie nicht simuliert werden müssen. Die Lagerlasten sind bekannt, sie müssen nicht genau simuliert werden. Die MKS ist zu aufwendig, u.a. weil im CAD-Modell die Antriebseinheiten oder Bauteilmassen und Gelenkpunkte fehlen - und es zu schwierig ist, sie nachträglich in das Modell einzufügen. Die MKS ist unvollständig, weil die Steuerung und Regelung der Antriebe in den eingesetzten Programmen nicht berücksichtigt wird - aber einen wichtigen Einfluss auf das Ergebnis hat.

9 Ziele einer FEM Mit der FEM (Finite-Elemente-Methode) werden die Verformungen und Spannungen in den Bauteilen einer Maschine berechnet, in der Abhängigkeit von den Lagerlasten. Die Gestaltung der Geometrie wird normalerweise an der Funktion der Maschine und der Fertigung der Bauteile ausgerichtet, aber nicht an der Simulation und Berechnung. Die Aufbereitung der Geometrie zur Simulation und Berechnung ist deswegen oft aufwendiger als die FE-Berechnung selbst.

10 Vorgehensweise FEM 3D-CAD-Geometrie (f. Fertigung) 3D-CAD-Geometrie (f. Berechnung) Ergebnisbetrachtung Vernetzung u. Randbedingung In Zusammenarbeit mit und

11 Prototypentest : FEM-Modellrechnung DMS-Messstellen:

12 Vernetzungsstrategie Die Vernetzung soll so grob wie möglich sein, aber so fein wie nötig. Die Qualität des Ergebnisses steigt i.a. mit der Feinheit des Netzes. Der Zeitaufwand für die Berechnung steigt aber damit auch: halb so große Elemente, d.h.: acht mal (2³) so viele Elemente! L 1 1/2 1/4 1/8 1/16 1/32 # Die Geometrie des Bauteils bestimmt den Grad der Vernetzung, d.h. auf unnötige Details und Merkmale muss man verzichten.

13 Probleme beim Vernetzen (1) Bohrungen in nicht tragenden Bereichen kleine Radien

14 Probleme beim Vernetzen (2) Fasen Taschen

15 Probleme beim Vernetzen (3) Linienkontakt winzig kleine Flächen

16 Probleme beim Vernetzen (4) Spalte Durchdringung Unverbundene Bauteile

17 Zusammenfassung In einem durchschnittlich großen CAD-Modell müssen i.d.r. mindestens 1000 bis 1500 Flächen bewertet und eventuell auch verändert werden. Diese Aufbereitung des CAD-Modells kostet daher i.a. genauso viel oder sogar mehr Zeit als die Berechnung mit der FE-Methode selbst. Geometriedaten für FEM & MKS Geometriedaten für die Fertigung

18 Bezug zu Industrie 4.0 Der Konstrukteur einer Maschine muss nicht nur die Funktion und Fertigung beachten, sondern auch die Simulation und Berechnung. Das klassische CAD-Modell muss weiterentwickelt werden zu einem Produktmodell. Zuerst verlangt dieses Vorgehen den höheren Zeitaufwand beim Entwickeln, letztendlich wird dieses durch ein besseres Entwicklungsergebnis mehr als kompensiert. Im Rahmen der Digitalisierung der Produktentwicklung muss sich auch der Konstrukteur weiterentwickeln, indem er die digitalen Produktdaten so aufbereitet, dass er die Möglichkeiten der neuen Softwaretools auch sinnvoll und effizient nutzen kann.