Dynamische Simulationen in Inventor

Transkript

1 Dynamische Simulationen in Inventor Folie 1 Einführungsbeispiel Zunächst sind die beiden Bauteile zu erstellen Bauteil 1 und 2 haben die gleiche Grundskizze und sind beide um 2 mm extrudiert Bauteil 1 hat dann noch einen 2 mm langen Bolzen extrudiert (Durchmesser 2 mm) und bei Bauteil 2 ist an der gleichen Stelle ein Loch Speichern unter GelenkarmBolzen und GelenkarmBohrung Folie 2 Dann eine Baugruppe erzeugen und beide Teile platzieren (Speichern unter GelenkarmDefinition

2 Einführungsbeispiel Ähnlich wie bei einer Belastungsanalyse kann die Arbeitsumgebung umgeschaltet werden in über die Schaltfläche Dynamische Simulation es werden in dieser Arbeitsumgebung Baugruppen analysiert hinsichtlich: Einfluss von Kräften und Moment auf die Konstruktion Analyse von Bewegungen hinsichtlich der daraus resultierenden Kräfte, Geschwindigkeiten usw. Berücksichtigung von Reibung, Trägheitskräften, Dämpfungen usw. Folie 3 Einführungsbeispiel Vorraussetzung ist das vorhanden sein einer Baugruppe bei einer Baugruppe sind in der Regel Abhängigkeiten vorhanden, die die Freiheitsgrade reduzieren wird die Arbeitsumgebung gewechselt können diese Abhängigkeiten in Gelenke umgewandelt werden diese Gelenke besitzen dann quasi Freiheitsgrade hinsichtlich ihrer Bewegungsmöglichkeiten im Nachfolgenden Beispiel werden die Gelenke einmal innerhalb der Arbeitsumgebung Dynamische Simulation manuell eingefügt und einmal über die innerhalb der Baugruppe bestehenden Abhängigkeiten Folie 4

3 Einführungsbeispiel bitte öffnen Sie zunächst die Baugruppe GelenkarmDefinition.iam die einzelnen Hälften sind zunächst nicht verbunden, allerdings ist der GelenkarmBolzen:1 fixiert über die Registerkarte UMGEBUNG erfolgt ein Wechsel in die Dynamische Simulation wurden bereits 3D Abhängigkeiten in einer Baugruppe vergeben und sollen trotzdem die Gelenke manuell erzeugt werden, muss der Befehl Simulationseinstellungen aufgerufen werden und der Haken bei Abhängigkeiten automatisch in Normgelenke umwandeln entfernt werden Folie 5 Einführungsbeispiel Gelenk einfügen Funktion Gelenk einfügen aufrufen (max. 6 Schritte sind notwendig zur Definition des Gelenkes) Als Gelenktyp bitte Drehung einstellen Für die erste Komponente: ist zunächst die z-achse zu definieren (dies erfolgt mit einem Klick auf die Mantelfläche des Zylinderbolzens) im zweiten Schritt ist der Ursprung zu definieren (hier bitte den Grundkreis des Zylinders anwählen) im dritten Schritt wird die Richtung der x-achse definiert dient dazu um z.b. später einen Drehwinkel mit Start- und Endposition zu definieren (hier wird die Stirnfläche angewählt) Folie 6

4 Einführungsbeispiel Gelenk einfügen für die zweite Komponente: ist die z-achse (genauso wie bei Komponente 1 auszuwählen, indem der Innenzylinder der Bohrung angewählt wird als Ursprung wird die Unterseite der Bohrung (Bohrungskreis) definiert die Ausrichtung der x-achse erfolgt hier auch durch die Anwahl der Stirnseite anschließend alles mit dem Befehl Anwenden bestätigen die Komponenten sollten nun übereinander liegen Folie 7 Einführungsbeispiel Testen des Gelenkes Sie können die Funktion des Gelenkes testen, indem das obere Bauteil mit der Maus angefasst und gezogen wird der schwarze Vektor, der dabei entsteht entspricht einen Gummifaden, mit dem das bewegliche Bauteil geschwenkt wird (Länge ist Maß für die Kraft mit der das Bauteil angetrieben wird) Folie 8

5 Einführungsbeispiel Automatische Gelenkdefinition ein Wechsel in den Baugruppenmodus zeigt, dass hier die Teile immer noch keine Abhängigkeiten besitzen daher sollen jetzt diese im Bauteilmodus definiert und im Simulationsmodus umgewandelt werden Folie 9 Folie 10 Einführungsbeispiel Automatische Gelenkdefinition bitte im Baugruppenmodus den Befehl Abhängig machen aufrufen und Einfügen auswählen (Ausrichtung sollte auf Entgegengesetzt umgeschaltet werden) anschließend sind die Achsen des Bolzens und der Bohrung auszuwählen es wäre nun möglich noch einen Versatz zu definieren, was in diesem Beispiel allerdings nicht notwendig ist nun bitte wieder über die Registerkarte Umgebung in die Dynamische Simulation wechseln über Befehl Simulationseinstellungen prüfen, ob der Haken bei Abhängigkeiten automatisch in Normgelenke umwandeln gesetzt ist jetzt lässt sich das Gelenk wieder testen, indem mit der Maus eine Hälfte gezogen wird

6 Einführungsbeispiel Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten im Kontextmenü (also rechte Maustaste drücken über der Normverbindung Drehung) bitte den Befehl Eigenschaften aufrufen hier sind zwei Registerkarten ersichtlich (Allgemein und Freiheitsgrad 1 (R) in der Registerkarte Allgemein kann z.b. über einen Haken bei Kraft oder Drehmoment eben dieses farblich angezeigt werden Folie 11 Einführungsbeispiel Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten in der Registerkarte Freiheitsgrade gibt es drei wichtige Schaltflächen: Anfangsbedingungen bearbeiten Gelenkdrehmoment bearbeiten Festgelegte Bewegungen bearbeiten bei Anfangsbedingungen bearbeiten: Position kann definiert werden (hier Drehung der x-achsen zueinander) Drehzahl bedeutet hier eigentlich Geschwindigkeit und kann ebenfalls definiert werden bei min. und max. kann festgelegt werden ab wann eine Dämpfung bzw. Steifigkeit wirken soll Folie 12

7 Einführungsbeispiel Steifigkeit bei einer Belastung erfolgt immer eine Verformung (diese kann sehr klein und reversibel sein, wie z.b. eine Fliege auf einem Panzerrohr) aus der Alltagserfahrung, z.b. bei einem Sprungbrett, ist bekannt, dass es harte und weiche Sprungbretter gibt (also manche sind steif und federn wenig und bei weichen Brettern ist es andersherum) Steifigkeit ist also ein Maß für die Federwirkung und somit auch für die Amplitude einer Schwingung aufgrund der Dämpfung kommt das Sprungbrett wieder zur Ruhe und somit ist die Schwingungsdauer ein Maß für die Dämpfung Folie 13 Einführungsbeispiel Steifigkeit und Dämpfung 3D-CAD Systeme betrachten in der Regel starre Körper dementsprechend würde ein herunterfallender Apfel von einem Baum (Fallbeschleunigung und geschwindigkeit würden perfekt simuliert) unten aufschlagen ohne jegliche Deformation und Beschädigung Inventor versucht dies zu berücksichtigen indem lineare Ersatzgelenke definiert werden, bestehend aus Federn und Dämpfern Angabe der Steifigkeit Die Federenergie wirft den Körper wieder zurück. Der Dämpfer sorgt dafür, dass dies mit viel weniger Energie erfolgt als der Aufprall. Angabe der Dämpfung Folie 14

8 Einführungsbeispiel Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten in der Registerkarte Freiheitsgrade gibt es drei wichtige Schaltflächen: Gelenkdrehmoment bearbeiten hier werden die Werte definiert, die Inventor als Gelenkkräfte während einer Bewegung den Bewegungskräften entgegensetzt eine Kraft (oder wie hier ein Drehmoment), dass der Bewegung entgegensteht kann direkt eingegeben werden (vorher gegebenenfalls noch Haken bei Gelenkdrehmoment aktivieren setzten) Dämpfung und Steifigkeit definieren Reibungskoeffizienten festlegen (Achtung es wird nicht zwischen Haft- und Gleitreibung unterschieden) Folie 15 Einführungsbeispiel Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten Eingabediagramme Drehen des Mausrades bewirkt Einstellung der Größenordnung der Diagrammfläche Drücken des Mausrades bewirkt ein seitliches Verschieben beliebige Stellen der roten Verlaufslinie können entweder über das Kontektmenü (also rechte Maustaste und Punkt hinzufügen ) oder mit eine Doppelklick definiert werden der Befehl Punkte sperren im Kontextmenü bewirkt, dass diese Punkte beim Bewegen anderer Punkte fest bleiben gelb hinterlegt sind die Sektoren (Bereich zwischen zwei Punkten) und in diesem können nach dem Anklicken die Dynamik in diesem Bereich definiert werden Folie 16

9 Einführungsbeispiel Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten Nun alles Speichern und Simulationswiedergabe klicken Play drücken Folie 17 Einführungsbeispiel Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten Testweise können Sie bei Eigenschaften auch mal folgende Werte zuordnen und auf Simulationswiedergabe (und Play) klicken Bitte die Zeit bei der Animation auf 4 s setzen. Folie 18

10 Ein weiteres Beispiel Folie 19 Pendelklappe Es soll die Bewegung einer Klappe aus einer hochgestellten Position simuliert werden. Die Bewegung der Masse erfolgt dabei aufgrund der Schwerkraft der Klappe Folie 20

11 Pendelklappe Die notwendigen Bauteile (4 Stück) sind auf der Lernplattform verfügbar Bitte die Baugruppe und die Einzelteile herunterladen Es wurden folgende Materialien zugewiesen Folie 21 Über den Befehl passend ist die Haken-Mittelachse mit der Mittelachse des Schanierbolzens verbunden. Die seitliche Führung zwischen Scharnierwange und Hake- Seitenfläche wurde ebenfalls mit Passend (und einem Versatz von 1,5 mm) definiert. Pendelklappe Bitte die Baugruppe zusammenbauen Folie 22

12 Pendelklappe über Registerkarte UMGEBUNG wir mit der Schaltfläche Dynamische Simulation die Simulationsumgebung aufgerufen im Objektbrowser ist folgendes zu prüfen: Fixiert Wandhalter und Anschlag Bewegliche Gruppen Klappe (die Puffer sind hier falsch, da sie ja zum Anschlag gehören und fix sein sollten), bei genauer Betrachtung sieht man allerdings das die Abhängigkeit Rotation um die Achse noch vorhanden ist Entsprechend der Freiheitsgrade wandelt Inventor die Abhängigkeiten in Gelenke um Folie 23 Pendelklappe im Objektbrowser unter Normalverbindungen sind alle Gelenke ersichtlich Folie 24 Würde jetzt die Simulation gestartet werden, würde nichts passieren Schwerkraft muss definiert werden!

13 Pendelklappe Schwerkraft definieren im Ordner Externe Belastung (im Objektbrowser) befindet sich bereits das noch ausgegraute Symbol für die Schwerkraft mit der rechten Maustaste darauf klicken und im Kontextmenü folgende Definitionen festlegen Folie 25 Pendelklappe Erste Simulation zu Demonstrationszwecken kann jetzt schon eine Bewegungssimulation erfolgen dabei sind 2,5 Sekunden definiert und es sollen in dieser Zeit 250 Bilder erzeugt werden Was passiert? Schwerkraft erzeugt eine Drehbeschleunigung, welche die Klappe nach hinten durchschwingen lässt da keine Reibung definiert schwingt diese nach hinten genauso hoch wie die Startposition und wir haben ein Perpetuum mobile geschaffen Folie 26

14 Pendelklappe Einen 3D-Kontakt einfügen um die Gummipuffer die vorgesehene Funktion ausführen zu lassen, fügen Sie bitte einen 3D-Kontaktsatz ein (über den Befehl Gelenk einfügen ganz oben links) die beiden Komponenten ein Gummipuffer und die Klappe sind auszuwählen das sich der 3D-Kontakt über das Drehgelenk definiert erkennt Inventor automatisch Zwei Effekte stellen sich nun ein: -es erscheint der Hinweis, dass Kontaktelemente nicht nach FEM exportiert werden können eine Berechnung der Druckbelastung auf den Puffer ist daher nicht möglich -neuer Ordner im Objektbrowser erscheint Kraftverbindungen Folie 27 Pendelklappe Zweite Simulation die Bedingungen sind noch nicht optimal (reibungsfrei), aber der Anschlag mit den Gummipuffern funktioniert nun es ist ersichtlich, dass die Klappe gedämpft wird wird im Objektbrowser auf 3D-Kontakt mit der rechten Maustaste geklickt und Eigenschaften ausgewählt wird ersichtlich, dass hier bereits eine Dämpfung festgelegt wurde diese sollen jetzt geändert werden Folie 28

15 Pendelklappe Änderung der Pufferdämpfung die Dämpfung ist mit 1 Ns/mm etwas hoch neuer Wert ist 0,05 Ns/mm es ist zu erwarten, dass die Rückfederung der Klappe nun sehr stark ausfallen wird ungewöhnlich ist die lange Ausschwingzeit das im Moment noch alles als Reibungsfrei definiert ist Folie 29 Pendelklappe Drehgelenkeigenschaften einstellen mit rechter Maustaste im Objektbrowser auf Drehung 1 klicken und Eigenschaften anklicken in der nun offenen Registerkarte auf Freiheitsgrad 1(R) gehen und Anfangsbedingungen bearbeiten aktiv schalten bei Position steht die Startposition diese bitte auf 30 grd setzen die Drehzahl am Anfang der Bewegung wird vom System berechnet, da ja praktisch freier Fall mit Erdbeschleunigung vorliegt und über die Drehbeschleunigung ein berechneter Geschwindigkeitsverlauf die genaueste Möglichkeit darstellt daher bei Drehzahl den Haken bei Berechnet setzen Folie 30

16 Pendelklappe Drehgelenkeigenschaften einstellen jetzt umschalten auf Gelenkdrehmoment bearbeiten den Haken bei Gelenkdrehmoment aktivieren setzen dies hat zur Folge, dass nachfolgend festgelegte Werte in die Berechnung einbezogen werden Dämpfung und Federwirkung dieses Gelenkes kann außer Acht gelassen werden wichtig ist bei Reibung ein Koeffizient von 0,2 auf einem Radium von 2 mm gesetzt wird (der Gelenkbolzen hat einen Durchmesser von 4 mm, daher die 2 mm) Folie 31 Beim Start der Simulation ist zu erkenn, dass die Bewegung jetzt viel harmonischer aussieht. Pendelklappe Ausgabediagramm es können sich nun verschiedene Ergebnisse in Form eines Ausgabediagramm dargestellt werden Bitte oben auf Ausgabediagramm klicken die Speicherung (über Symbol Speicher ) erfolgt in einer.iaa Datei) somit ist es möglich Diagrammkurven überlagert darzustellen und auszuwerten das Dialogfenster ist in drei Bereiche gegliedert Wertebereich Variablenbrowser: hier sind die berechneten Größen, wie Position, Kräfte und Geschwindigkeiten dargestellt Wertebereich: neben den Zeitschritten werden, in Spalten farbig geordnet, die jeweiligen Werte der selektierten Variablen listenförmig angezeigt Variablenbrowser Diagrammfläche Diagrammfläche: graphische Darstellung zeigt den Größenverlauf der selektierten Variablen über der Zeitachse, wobei mehrere Darstellungen überlagert werden können Folie 32

17 Pendelklappe Diagrammoptionen an fast jeder Stelle in jedem Bereich zeigt das Kontextmenüfenster die Auswahlmöglichkeit Diagrammoption an Diagrammachse min. und max. für x und y Achse können definiert werden Achsenintervall Anzahl der Werte usw. kann hier definiert werden Wertetabelle Anzahl der Dezimalstellen usw. Folie 33 Pendelklappe Auswertung der erste Anschlag liegt bei etwas mehr als 90 (Dämpfer!) und jetzt kann der Zeitpunkt exakt abgelesen werden die weiten Anschläge lassen sich zeitlich ebenfalls genau auswerten Folie 34

18 Pendelklappe Auswertung noch genauer als in dem Diagramm lassen sich die Werte in der Tabelle ablesen Doppelklick auf den Wert produziert eine vertikale Linie im Diagrammbereich das farbige Quadrat vor der Spaltenbezeichnung gibt die Kurve im Diagramm wieder Folie 35 Folie 36 Pendelklappe Überlagerung einer zweiten Variable wird als zweites die Geschwindigkeit des selben Gelenkes V[1] zur Anzeige gebracht (Haken im Objektbrowser setzen) jeweils bei den vertikal dargestellten Geschwindigkeitswechseln bzw. Unstetigkeiten erfolgt ein Anschlag an den Puffern die Maximalgeschwindigkeit beim ersten Anschlag nach einer Zeit von 0,15 Sekunden beträgt 660 Grad/Sekunde und der zweite Anschlag findet schon bei rund 0 Grad/Sekunde statt (also die Klappe ist schon fast wieder in Ruhe)

19 Pendelklappe Überlagerung einer zweiten Variable die Überlagerung von sehr großen und kleinen Werten führt zu einer gewissen Unübersichtlichkeit oben in der Listendarstellung bitte auf P[1] gehen und rechte Maustaste klicken und Kurvenverlauf selektieren im unteren Bereich kann ein Haken bei Multiplikator Aktiv gesetzt werden und dann bitte den Wert 10 eingeben eine Nullpunktverschiebung ist leider nicht möglich Folie 37 Pendelklappe Eine neue Kurve erzeugen hier die Lösung zur Nullpunktverschiebung über das Icon Neue Kurve lassen sich Diagrammkurven aufgrund existierender Variablen berechnen und erzeugen bitte folgende Werte eingeben (und über Kurveneigenschaften wieder Faktor 10 wählen) Folie 38

20 Folie 39 Pendelklappe Diagramm und Werte nach Excel exportieren das entsprechende Icon auswählen jetzt kann festgelegt werden, ob alles in einem Diagramm oder in einzelne Diagramme exportiert werden soll als Speicherung der Schrittzahl empfiehlt sich die Vorgabe 1 zu belassen wird sonst relativ eckig die Darstellung nach Bestätigung der Eingabe öffnet sich Excel und zeigt auf unterschiedlichen Arbeitsblättern das die Diagramm und die Werteliste an Noch ein Beispiel Fliehkraftregler Folie 40

21 Fliehkraftregler Folie 41 Fliehkraftregler Die Baugruppe besteht aus folgenden Komponenten (siehe auch Lernplattform) Schauen Sie sich bitte die Abhängigkeiten innerhalb der Baugruppe genau an, da diese später in der dynamischen Simulationsumgebung in Gelenke umgewandelt werden (daher ist hier sehr genau zu arbeiten) Folie 42

22 Fliehkraftregler Bewegen der Baugruppe über ein Festhalten mit dem Mauszeiger können die Bauteile der Baugruppe bewegt werden dabei sind alle möglichen aber auch unmöglichen Bewegungen darstellbar es fällt zum Teil schwer wieder den ursprünglichen Zustand herzustellen Folie 43 Fliehkraftregler Die dynamische Simulation bei einem Wechsel in die Umgebung Dynamische Simulation erscheint zunächst eine Mitteilung, das der Mechanismus mit 12 Graden überbestimmt ist (kann ignoriert werden bei FEM Analyse allerdings wichtig) im Objektbrowser sind mit i die Gelenke markiert, bei denen Redundanzen auftreten im Objektbrowser finden wir wieder alle notwendigen Einträge und Hinweise: Fixiert: fixierte Elemente Bewegliche Gruppen: alle Objekte die an Bewegung teilnehmen (geschweißte Gruppe bedeutet hier nur, dass die Teile über Abhängigkeiten fest verbunden sind) Normverbindungen: hier finden wir alle automatisch erzeugten Gelenke Externe Belastung: hier ist die Schwerkraft eingetragen Folie 44

23 Fliehkraftregler Der Antrieb eher zufällig steht bei den Normverbindungen ganz oben das Gelenk Drehung: 1 es handelt sich um die Abhängigkeit zwischen Lagerbuchse und Welle über diese Gelenk soll der Antrieb des Fliehkraftreglers erfolgen mit rechter Maustaste auf die Drehung: 1 klicken und im Kontextmenü Eigenschaften auswählen auf der Registerkarte gibt es einen Freiheitsgrad 1 (R) nun auf die mittlere Schaltfläche Gelenkdrehmoment bearbeiten klicken Haken bei Gelenkdrehmoment aktivieren setzen die Eingabe erfolgt über das Eingabediagramm (bitte im obersten Pull-down-menü auswählen) folgende Einstellung sind vorzunehmen: in den ersten 0,5 Sekunden steigt das Drehmoment auf 150 Nmm linear an danach 1 Sekunde konstant bis es in 0,5 Sekunden wieder auf null sinkt (Hinweis: neue Diagrammpunkte sind mit einem Doppelklick einzufügen Dämpfung wird mit 0,1 Nmm s/grad dem Moment gefühlsmäßig zugeordnet Reibung: der Koeffizient mit 0,2 entspricht etwa einer trockenen Reibung Radius 6 (Wellendurchmesser 12) Folie 45 Fliehkraftregler Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse bitte die Normalverbindung Zylindrisch: 3 Unten mit der rechten Maustaste im Objektbrowser anklicken und Eigenschaften auswählen wir sehen die Buchse hat 2 Freiheitsgrade (eine Translation und ein Rotation) bitte Freiheitsgrad 2 (T) auswählen und auf die linke Schaltfläche Anfangsbedingungen bearbeiten klicken folgende Einstellungen sind vorzunehmen: 2 Sek. Antrieb und 3 Sek. Abklingen Position der Ruhelage: -130 mm Haken bei Drehzahl berechnen prüfen und ggf. setzen Grenzen setzen: (Hinweis: richtig wäre hier zwischen der Gleitbuchse und der unteren Lagerbuchse eine Kontaktgelenk zu platzieren, allerdings erhöht sich hierdurch der Rechenaufwand Abhilfe ist eine hohe Steifigkeit, die eine mechanischen Kontakt gleichkommt Folie 46

24 Fliehkraftregler Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse jetzt bitte auf Gelenkkraft bearbeiten (mittlere Button) umschalten Haken bei Gelenkkraft aktivieren setzen Für die Reibung einen Koeffizienten von 0,15 setzen Folie 47 Fliehkraftregler Die Rotation wir bleiben beim der Normalverbindung Zylindrisch: 3 unten auf der dritten Registerkarte finden wir Freiheitsgrad 1 (R) die Anfangsbedingungen sind ohne Belange die Drehzahl soll berechnet werden (Haken setzen) bei Gelenkmoment bearbeiten (mittlerer Button) Haken entfernen bei Gelenkdrehmoment aktivieren Folie 48

25 Fliehkraftregler Andere Gelenke mit Reibwerten versehen in allen Gelenken in denen Bewegungen stattfinden tritt Reibung auf, z.b.: Rotation in den beiden Lagerbuchsen Rotation in allen Bolzenverbindungen usw. bitte überall bitte folgendes Vorgehen durchführen: Eigenschaften (rechte Maustaste über Gelenk) auswählen richtigen Freiheitsgrad auswählen Gelenkdrehmoment bearbeiten Haken bei Gelenkdrehmoment aktivieren setzen Reibwert von 0,2 eingeben und entsprechenden Radius Folie 49 Fliehkraftregler Die Simulation Simulationswiedergabe Dauer auf 5 Sekunden festlegen (2 Sekunden Antrieb und 3 Sekunden Auslauf) Play drücken Interpretation: es treten unschöne Schwingungen in den Extremlagen auf Ausgabediagramm aufrufen und bei Drehung: 1 Antrieb die Geschwindigkeit v(1) auswählen Maximalwert sollte bei einer Zeit von 1,62 Sekunden liegen (also zu einem Zeitpunkt wo der Antrieb bereits weg ist) Wird dann noch die Geschwindigkeit der Buchse überlagert sieht man deutlich Schwingungen Lösung wäre hier eine schwache Spiralfeder einzufügen um die Schwingungen unter Kontrolle zu bringen Folie 50

26 Fliehkraftregler Feder einfügen es ist leider nicht möglich (ohne Tricks) problemlos eine Feder als Baugruppenkomponente zu erstellen in der dynamischen Simulation ist das zwar möglich (wird auch dargestellt und funktioniert), sie ist aber kein Bauteil der Baugruppe (fehlt also in Stückliste und hat auch kein Gewicht) mit der Funktion Gelenk einfügen wählen wir aus dem Abrollmenü Feder/Dämpfer/Buchse aus nun die beiden Komponenten anwählen, zwischen denen die Feder platziert werden soll (also der Innendurchmesser der Gleitbuchse und der Innendurchmesser der Lagerbuchse oben) Folie 51 Fliehkraftregler Feder einfügen im Objektbrowser finden wir nun die Kategorie Kraftverbindungen und dort auch die eingefügte Feder nun mit der rechten Maustaste auf dieses Element klicken und Eigenschaften auswählen Einstellungen siehe Bild Hinweis: die Anzahl der Facetten steuert die optische Darstellung der Feder Folie 52 Die geometrischen Einstellung sind unerheblich auf das Verhalten, da dies über Steifigkeit und Dämpfung definiert wird.

27 Fliehkraftregler Simulation mit integrierter Feder die Schwingungen sind fast vollständig verschwunden mit rechter Maustaste auf die Verbindung Zylindrisch: 3 unten gehen und Kurveneigenschaften auswählen Multiplikator auf 10 setzen (jetzt sind beide Kurven deutlich erkennbar) Mit 10 als Faktor Folie 53 Fliehkraftregler Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen der Übergang von der dynamischen zur Belastungsanalyse erfolgt über das Ausgabediagramm Vorbereitung ersten die Bewegungsanalyse muss durchgelaufen sein die Belastungskurven wurden im Ausgabediagramm angezeigt (der erste Schritt ist bereits geschehen und für den zweiten Schritt ist das Gelenk Drehung: 19 zwischen Bolzen und Gewichtsstange auszuwählen im Ordner Kraft bitte Haken bei Kraft setzen Folie 54 Hinweis: am Ende ist eine Kraftspitze zu erkennen (Aufsetzen der unteren Gleitbuchse auf die untere Lagerbuchse dies soll nun näher untersucht werden.

28 Fliehkraftregler Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen Zeitschritt auswählen Doppelklick in der Zeitdarstellung (möglichst bei dem Maxwert) erzeugt eine entsprechend Markierung (vertikale Linie) Alternativ: rechte Maustaste und Suche Max auswählen Folie 55 Fliehkraftregler Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen Bauteil zur FE-Analyse auswählen entsprechenden Button klicken jetzt erschein die Aufforderung entsprechend Bauteile auszuwählen (bitte klicken Gewichtsarm, Bolzen und Gleitbuchse anklicken) Folie 56

29 Fliehkraftregler Überbestimmte Bauteile heilen klickt man nach der Auswahl auf Ok erscheint ein Dialogfenster zur Auswahl lasttragender Flächen für FEM (hier ist der Bolzen betroffen) die beiden Einträge im unteren Bereich betreffen die beiden Gelenke über die der Bolzen einmal mit der Gleitbuchse und einmal mit der Gewichtsstange verbunden ist für das Gelenk Zylindrisch: 13 ist am Bolzen die Fläche auszuwählen, die als lasttragend zu vermuten ist derselbe Schritt wird für den zweiten Eintrag Drehung: 19 durchgeführt wird die gewählte Fläche akzeptiert verschwindet das gelbe Ausrufezeichen Folie 57 Fliehkraftregler Wechsel in die Belastungsanalyse die Vorbereitungen sind jetzt abgeschlossen Dynamische Simulation beenden klicken und über die Registerkarte Umgebung ist nun Belastungsanalyse aufzurufen im erschienenen Auswahlfenster sind folgende Einstellungen vorzunehmen Folie 58 Wichtig: Haken bei Analyse der Bewegungslasten setzen erst jetzt kann das betreffende Bauteil ausgewählt werden. Zudem sind jetzt die vorher markierten Zeitschritte auswählbar.

30 Fliehkraftregler Wechsel in die Belastungsanalyse entsprechend der Vorgabe werden alle auf das Bauteil wirkenden Lasten mit gelben Pfeilen dargestellt der Button Begrenzungsbedingungen anzeigen in der Funktionsgruppe Anzeigen schaltet die Anzeige der Lasten ein und aus (grauer Pfeil) Folie 59 Fliehkraftregler Die Belastungsanalysen Simulation ausführen die Verformung des Bolzen ist nicht ganz so dramatisch wie es aussieht und die Spannung ist mit 0,003 MPa sehr gering der Sicherheitsfaktor ist entsprechend hoch Folie 60

31 Fliehkraftregler Die Belastungsanalysen über den Button Simulation erstellen kann eine neue Simulation erzeugt werden jetzt kann im Dialogfenster nicht der Bolzen sondern die Gelenkstange ausgewählt werden hier sind zwar höhere Spannung als im Bolzen zu erkennen, aber diese sind nicht kritisch Folie 61 Fliehkraftregler Die Belastungsanalysen bei noch einer weiteren Simulation kann nun die Gewichtsstange ausgewählt werden hier haben wir immerhin eine Spannung von ca. 45 MPa Material ist Blei und dementsprechend niedrig ist der Sicherheitsfaktor (minimal bei 0,2) Folie 62

32 Fliehkraftregler Fazit hier fängt jetzt die eigentliche Arbeit an die Optimierung weitere dynamische Simulationen: verschiedenen Drehzahlen unterschiedlichen Drehzahlverläufen müssen durchgeführt werden die Optimierung der Formgebung wird immer ein Kompromiss zwischen belastungs-, werkstoffund fertigungsmäßigen Optimum sein Folie 63 Das letzte Beispiel Der Hubkolben Folie 64

33 Hubkolben Baugruppe bitte wieder von Lernplattform laden Über Umgebung in die Dynamische Simulation wechseln Folie 65 Hubkolben der erste Blick richtet sich auf den Objektbrowser Gelenke sind nun zu prüfen, da diese automatisch basierend auf den festgelegten Abhängigkeiten erzeugt wurden. Folie 66

34 Hubkolben Gelenk Zylindrisch:1 Zylinder Kolben Eigenschaften aufrufen Wir sehen hier ist eine Translation und eine Rotation möglich (die Rotation sollte nicht möglich sein, da diese durch den Kolbenbolzen und dem Pleuel behindert wird) Daher ist ein Haken bei Gesperrt zu setzen Über Gelenkmoment bearbeiten (bei der Translation) wird mittels Haken bei Gelenkkraft aktivieren der Reibungskoeffizient definiert Folie 67 Hubkolben Gelenk Drehung 2: Rillenkugellager - Kurbelwelle Haken setzen bei Festgelegte Bewegung bearbeiten 90 Grad/s definieren Reibung definieren Folie 68

35 Hubkolben Gelenke an den Sicherungsringen Sind vollkommen unnötig, da kein Zusammenhang mit der Simulation des Mechanismus Beide markieren und im Kontektmenü alle Freiheitsgrade sperren Folie 69 Hubkolben Drehung:3 Mit Reibung versehen Folie 70

36 Hubkolben Punkt-Linie 5 Mit Reibung versehen Folie 71 Hubkolben Erste Simulation Antriebsdrehzahl ist 90 grad/s Folie 72

37 Hubkolben Im nächsten Schritt soll, wie im Verbrennungsmotor auch, der Antrieb durch den Kolben erfolgen Dazu muss zunächst bei Drehung:2 im Freiheitsgrad die Festgelegte Bewegung deaktiviert werden Folie 73 Hubkolben Externe Kraft wirken lassen Kraft anklicken Position hier kann der Kolbendurchmesser angeklickt werden Die Kraft soll nach unten zeigen (über Umschalten wechseln) Bei Größe im Pull-down Eingabediagramm auswählen Folie 74

38 Hubkolben Externe Kraft wirken lassen Es wird nun nur ein kurzer Impuls von 0 bis 0,01 s mit einem Anstieg auf 100N und einem schnellen Fall der Kraft von 0,01s bis 0,02 wieder auf 0 N definiert (Gesamtzeit 4 s) Folie 75 Hubkolben Jetzt noch die Startposition ändern Bei Gelenk Zylindrisch:1 Folie 76

39 Hubkolben Zweite Simulation durchführen Der Kolben wird durch den Impuls stark beschleunigt Schon vor dem Totpunkt ist der Impuls zu Ende die Beschleunigung und die Schwungmasse der Kurbelwelle erreichen eine relativ hohe Drehzahl und werden nur durch die Reibung gebremst Folie 77 Es werden extrem hohe Geschwindigkeiten erreicht Achtung wir haben hier Leerlauf (ohne Last) nur gebremst durch Reibung Daher wird nun ein Lastmoment hinzugefügt! Hubkolben Lastmoment hinzufügen Etwas anders sieht es aus, wenn der Kurbelwelle ein Lastmoment hinzugefügt wird Eigenschaften bei Drehung:2 öffnen und im Freiheitsgrad 1 über den mittleren Button (Gelenkdrehmoment bearbeiten) folgende Werte einstellen Folie 78

40 Hubkolben Simulation starten Die Geschwindigkeit ist ähnlich hoch, aber es kommt deutlich schneller zum stehen Folie 79 Hubkolben Variante mit Feder Statt Impuls hier zunehmende Kommpression entsprechend einer Federkraft Zunächst alle bisherigen Antriebe löschen Kraft löschen Drehung: 2 bearbeiten (siehe Bild) Antrieb wird wie in der ersten Simulation auf 90 grad/s gesetzt Folie 80

41 Hubkolben Feder einfügen Über Gelenk einfügen Folie 81 Hubkolben Feder einfügen Eigenschaften bearbeiten Typ: Feder einstellen Folie 82

42 Hubkolben Neue Startposition festlegen -60 mm Folie 83 Hubkolben Dritte Simulation starten Es ist genau eine Umdrehung zu sehen und man sieht ebenfalls sehr gut die Kompression Folie 84

43 Hubkolben Export FEM Maximales Drehmoment von Gelenk Zylindrisch:1 ermitteln (über suche Max) Zeitschritt markieren (Doppelklick, Haken) Folie 85 Hubkolben Export FEM Export Button klicken Kurbelwelle als Bauteil auswählen Dynamische Simulation beenden Über Umgebung in Belastungsanalyse wechseln Folie 86

44 Hubkolben Neue Simulation erstellen anklicken und folgende Einstellungen vornehmen Folie 87 Hubkolben Simulation starten Die Spannungen sind gering überdimensioniert Man sieht aber sehr gut in welchen Bereich die Hauptbeanspruchungen liegen Folie 88

45 Hubkolben Analysieren Sie selbstständig den Kolben Bitte bei Netzeinstellungen Kurvenförmige Elemente verwenden aktivieren Folie 89