Reiner Anderl Peter Binde Simulationen mit Unigraphics NX 4 Kinematik, FEM und CFD HANSER
Inhalt 1 Einleitung 15 1.1 Beispielsammlung, Voraussetzungen und Lernziele 17 1.2 Arbeitsumgebungen 19 1.3 Arbeiten mit dem Buch 20 2 Motion-Simulation (MKS) 23 2.1 Einführung 24 2.2 Lernaufgaben Kinematik 27 2.2.1 Lenkgetriebe 27 2.2.1.1 Aufgabenstellung 27 2.2.1.2 Überblick über die Funktionen 28 2.2.1.3 Überblick über die Lösungsschritte 32 2.2.1.4 Erzeugen der Motion-Simulationsdatei 32 2.2.1.5 Wahl der Umgebung 35 2.2.1.6 Definition der Bewegungskörper (Links) 37 2.2.1.7 Definition von Drehgelenken 38 2.2.1.8 Ermittlung unbestimmter Freiheitsgrade 41 2.2.1.9 Testlauf mit zwei unbestimmten Freiheitsgraden 42 2.2.1.10 Definition eines kinematischen Antriebs 44 2.2.1.11 Erzeugung eines Zahnradpaars 46 2.2.1.12 Visuelle Kontrolle durch Nutzung der Artikulation 47 2.2.2 Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik 49 2.2.2.1 Aufgabenstellung 49 2.2.2.2 Überblick über die Lösungsschritte 50 2.2.2.3 Vorbereitungen 50 2.2.2.4 Erzeugen einer Prinzipskizze der Lenkhebel 51 2.2.2.5 Erzeugen der Motion-Simulationsdatei 52 2.2.2.6 Definition der Bewegungskörper durch Skizzenkurven 53 2.2.2.7 Erzeugung von Drehgelenken 55
2.2.2.8 Testlauf mit einem unbestimmten Freiheitsgrad 57 2.2.2.9 Bedeutung redundanter Freiheitsgrade 58 2.2.2.10 Einbau eines Kugelgelenks 60 2.2.2.11 Einbau eines Zylindergelenks 61 2.2.2.12 Erzeugung eines kinematischen Antriebs 61 2.2.2.13 Durchführung der Artikulation 62 2.2.2.14 Graphenerstellung der Radwinkelbewegung 63 2.2.2.15 Erstellung von Baugruppenkomponenten aus Prinzipkurven 66 2.2.2.16 Zufügen der neuen Komponenten zum Motion-Modell 68 2.2.3 Kollisionsprüfung am Gesamtmodell der Lenkung 71 2.2.3.1 Aufgabenstellung 71 2.2.3.2 Erstellen der Motion-Datei 72 2.2.3.3 Importieren der Motion-Untermodelle 72 2.2.3.4 Zufügen der Lenkstange 75 2.2.3.5 Erzeugung des Drehkreuzes mit einem Hilfskörper 76 2.2.3.6 Erzeugung eines Kugelgelenks 76 2.2.3.7 Artikulation des Gesamtsystems 77 2.2.3.8 Mechanismus für das Einfedem zufügen 78 2.2.3.9 Durchfahren der Bewegungen beim Einfedern und Lenken 80 2.2.3.10 Kollisionsprüfung 81 2.3 Lernaufgaben Dynamik 83 2.3.1 Fallversuch am Fahrzeugrad 83 2.3.1.1 Aufgabenstellung 83 2.3.1.2 Vorbereitungen 84 2.3.1.3 Zuordnung von Masseneigenschaften 84 2.3.1.4 Definition der Bewegungskörper (Links) 86 2.3.1.5 Funktionsweise des 3D-Kontakt 87 2.3.1.6 Funktionsweise der Reibung am 3D-Kontakt 88 2.3.1.7 Funktionsweise der Dämpfung am 3D-Kontakt 89 2.3.1.8 Voreinstellungen für Kontakte und Genauigkeit 90 2.3.1.9 Erzeugung eines 3D-Kontakts 90 2.3.1.10 Animation der Ergebnisse 91 2.3.1.11 Erzeugung einer Bewegungsspur 91
3 Design-Simulation (FEM) 93 3.1 Einführung 94 3.1.1 Lineare Statik 95 3.1.1.1 Nichtlineare Effekte 97 3.1.1.2 Einfluss der Netzfeinheit 99 3.1.1.3 Singularitäten 100 3.1.2 Eigenfrequenzen 100 3.1.3 Thermotransfer 101 3.1.4 Lineares Beulen 102 3.2 Lernaufgaben lineare Analyse 105 3.2.1 Kerbspannung am Lenkhebel (Sol1O1) 105 3.2.1.1 Aufgabenstellung 106 3.2.1.2 Laden und Vorbereiten der Baugruppe 106 3.2.1.3 Starten der FE-Anwendung und Erstellen der Dateistruktur 107 3.2.1.4 Wählen der Lösungsmethode 109 3.2.1.5 Umgang mit dem Simulation-Navigator 109 3.2.1.6 Überblick über die Lösungsschritte 113 3.2.1.7 Materialeigenschaften definieren 113 3.2.1.8 Vorbereitungen der Geometrie 115 3.2.1.9 Allgemeines zur Vernetzung 124 3.2.1.10 Standardvernetzung erzeugen 126 3.2.1.11 Erzeugen der Last 127 3.2.1.12 Überblick über weitere Lasttypen 128 3.2.1.13 Erzeugender fixen Einspannung 129 3.2.1.14 Erzeugen der drehbaren Lagerung 130 3.2.1.15 Erzeugen der Bedingung für Spiegelsymmetrie 131 3.2.1.16 Vollständigkeit der Einspannung prüfen 132 3.2.1.17 Überblick über weitere Randbedingungen 132 3.2.1.18 Ergebnisse berechnen 134 3.2.1.19 Überblick über den Postprozessor 134 3.2.1.20 Verformungsergebnisse beurteilen 136 3.2.1.21 Vorläufige Spannungsergebnisse ablesen 138 3.2.1.22 Vergleich der FE-Ergebnisse mit der Theorie 140 3.2.1.23 Beurteilung der FE-Netzgüte 141 3.2.1.24 Möglichkeiten zur Verbesserung des FE-Netzes 144 3.2.1.25 Unterteilung von Flächen am interessierenden Bereich 145 3.2.1.26 Verbesserung der Polygongeometrie 147
3.2.1.27 Flächenattribute zur Netzsteuerung definieren 149 3.2.1.28 Weitere Verfeinerungen bis zur Konvergenz 150 3.2.1.29 Gegenüberstellung der Ergebnisse und Bewertung 150 3.2.1.30 Der Effekt von Singularitäten 152 3.2.2 Temperaturfeld in einer Rakete (Soll53) 155 3.2.2.1 Aufgabenstellung 155 3.2.2.2 Laden der Teile 156 3.2.2.3 Erzeugen der Dateistruktur 156 3.2.2.4 Überlegungen zu Symmetrie und Lösungstyp 157 3.2.2.5 Lösung erzeugen 158 3.2.2.6 Erzeugen von Promotion-Features 158 3.2.2.7 Erzeugen der Symmetrieschnitte 159 3.2.2.8 Materialeigenschaften erzeugen und zuordnen 159 3.2.2.9 Netzverbindung erzeugen 160 3.2.2.10 Vernetzung erzeugen 161 3.2.2.11 Temperaturrandbedingung erzeugen 162 3.2.2.12 Konvektionsrandbedingung erzeugen 162 3.2.2.13 Die thermische Symmetrierandbedingung 163 3.2.2.14 Ergebnisse berechnen und anzeigen 163 4 Advanced-Simulation (FEM) 165 4.1 Einführung 166 4.1.1 Sol 101: Lineare Statik und Kontakt 167 4.1.2 Sol 103: Eigenfrequenzen 167 4.1.3 Sol 106: Nichtlineare Statik 167 4.1.4 Sol 601: Advanced Nichtlinear 168 4.2 Lernaufgaben lineare Analyse und Kontakt (Sol 101/103) 169 4.2.1 Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 169 4.2.1.1 Aufgabenstellung Teil 1 170 4.2.1.2 Auswählen der Baugruppe 170 4.2.1.3 Überlegungen zur Vernetzung 170 4.2.1.4 Erzeugen der Dateistruktur für Schalenelemente-Simulation 172 4.2.1.5 Markierungen für spätere Randbedingungen erzeugen 173 4.2.1.6 Entfernen unrelevanter Formelemente 174 4.2.1.7 Erzeugen der Mittelfläche 176 4.2.1.8 Unterteilen der Fläche für den Lastangriff 178
Inhal 4.2.1.9 Polygongeometrie für die Mittelfläche erzeugen 178 4.2.1.10 2D-Vernetzen des Flächenmodells 180 4.2.1.11 Angeben der Wandstärke 180 4.2.1.12 Verbinden des Netzes mit den Lagerungspunkten 181 4.2.1.13 Materialeigenschaften 182 4.2.1.14 Erzeugen der Last 183 4.2.1.15 Erzeugen der Lagerungen 183 4.2.1.16 Lösungen berechnen und bewerten 184 4.2.1.17 Aufgabenstellung Teil 2 186 4.2.1.18 Klonen der Simulationsdateistruktur 187 4.2.1.19 Löschen von Features 187 4.2.1.20 Erzeugen der Mittelflächen 188 4.2.1.21 Schnitt an der Symmetrieebene 189 4.2.1.22 Flächenunterteilungen für die Nietverbindungen 189 4.2.1.23 Hilfspunktefür die Nietverbindungen 190 4.2.1.24 Materialeigenschaften 190 4.2.1.25 Polygongeometrien für die Mittelflächen zufügen 190 4.2.1.26 Vernetzen der Teile 191 4.2.1.27 Neuerzeugung der Verbindungsnetze 191 4.2.1.28 Erzeugen von Modellen für Nietverbindungen 191 4.2.1.29 Erzeugen der Symmetrierandbedingung 193 4.2.1.30 Lösungen berechnen und bewerten 193 4.2.2 Auslegung einer Schraubenfeder 197 4.2.2.1 Aufgabenstellung 197 4.2.2.2 Überblick über die Lösungsschritte 198 4.2.2.3 Aufbau des parametrischen CAD-Modells 198 4.2.2.4 Überlegungen zur Vernetzungsstrategie 198 4.2.2.5 Überlegungen zu Randbedingungen 200 4.2.2.6 Erzeugung der Dateistruktur und der Lösungsmethode 200 4.2.2.7 Vorbereitungen für Randbedingungen 201 4.2.2.8 Erzeugen eines Balkenquerschnitts 202 4.2.2.9 Vernetzung mit Balkenelementen 203 4.2.2.10 Verschmelzen dicht angrenzender Knoten 205 4.2.2.11 Zuordnen von Material 206 4.2.2.12 Zuordnen des Querschnitts 206 4.2.2.13 Erzeugen der Einspannung 207 4.2.2.14 Erzeugen der vorgegebenen Verschiebung 208 4.2.2.15 Lösungen berechnen 209 4.2.2.16 Ermitteln der Reaktionskraft 209
4.2.2.17 Ermitteln der maximalen Zughauptspannung 211 4.2.2.18 Schlussfolgerungen für die Konstruktion 212 4.2.2.19 Änderung der Konstruktion und Neuanalyse 212 4.2.3 Eigenfrequenzen des Fahrzeugrahmens 215 4.2.3.1 Aufgabenstellung 215 4.2.3.2 Klonen eines ähnlichen Modells 216 4.2.3.3 Erzeugen einer Punktmasse am Rahmen 217 4.2.3.4 Einfügen einer Lösung für Eigenfrequenzen 218 4.2.3.5 Zuweisen der Randbedingungen zur neuen Lösung 219 4.2.3.6 Berechnen und Bewerten der Schwingungsformen und Frequenzen220 4.2.3.7 Bewerten sonstiger Ergebnisgrößen 221 4.2.4 Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit Kontakt 225 4.2.4.1 Aufgabenstellung 225 4.2.4.2 Notwendigkeit für nichtlinearen Kontakt 226 4.2.4.3 Funktionsweise des nichtlinearen Kontakts 226 4.2.4.4 Laden der Baugruppe und Erzeugen der Dateistruktur 228 4.2.4.5 Kontaktspezifische Parameter in der Lösungsmethode 229 4.2.4.6 Symmetrieschnitte, Vereinfachungen und Materialeigenschaften...231 4.2.4.7 Erzwingen einer übereinstimmenden Vernetzung im Kontaktbereich 231 4.2.4.8 Netzverfeinerung im Kontaktbereich 233 4.2.4.9 Vernetzung mit linearen Tetraedern 234 4.2.4.10 Definition von Randbedingungen und weichen Federlagerungen 235 4.2.4.11 Definition des Kontaktbereichs 236 4.2.4.12 Erzeugung der Schraubenkraft 238 4.2.4.13 Lösungen berechnen und Ergebnisse beurteilen 238 4.3 Lernaufgaben Basic Nichtlineare Analyse (Sol 106) 241 4.3.1 Analyse der Blattfeder mit großer Verformung 241 4.3.1.1 Aufgabenstellung 241 4.3.1.2 Notwendigkeit für geometrisch nichtlineare Analyse 241 4.3.1.3 Funktionsweise der geometrisch nichtlinearen Analyse 242 4.3.1.4 Überblick über die Lösungsschritte 243 4.3.1.5 Vorbereitungen und Erzeugung der Lösung für lineare Statik 243 4.3.1.6 Mittelfläche erzeugen und der Polygongeometrie zufügen 244 4.3.1.7 Kantenunterteilung an der Polygongeometrie 245 4.3.1.8 Vernetzung für Analysen mit nichtlinearer Geometrie 246 4.3.1.9 Erzeugung der Randbedingungen 247
4.3.1.10 Erzeugung der Lasten für zwei Lastfälle 247 4.3.1.11 Erzeugung einer zweiten Lösung für lineare Statik 248 4.3.1.12 Erzeugung der Lösungen für nichtlineare Statik 249 4.3.1.13 Automatisches Abarbeiten aller Lösungen 250 4.3.1.14 Gegenüberstellen und Bewerten der Ergebnisse 251 4.3.2 Plastische Verformung des Bremspedals 253 4.3.2.1 Aufgabenstellung 254 4.3.2.2 Effekte bei Plastizität 254 4.3.2.3 Vorbereitungen und Erzeugen der Lösung 256 4.3.2.4 Vereinfachen der Geometrie 256 4.3.2.5 Vernetzung für plastische Analyse 257 4.3.2.6 Definieren der plastischen Materialeigenschaften 258 4.3.2.7 Definieren der Randbedingungen 260 4.3.2.8 Definieren der Lastschritte für Be- und Entlastung 260 4.3.2.9 Lösungen berechnen und bewerten 261 4.4 Lernaufgaben advanced nichtlinear (Sol 601) 263 4.4.1 Schnapphaken mit Kontakt und großer Verformung 263 4.4.1.1 Aufgabenstellung 264 4.4.1.2 Vorbereitungen und Erzeugung der Lösung 264 4.4.1.3 Optionales Importieren der vorbereiteten Geometrie 264 4.4.1.4 Verändern der Baugruppenposition im idealisierten Teil 265 4.4.1.5 Vereinfachen der Geometrie 267 4.4.1.6 Entfernen von störenden Kanten 268 4.4.1.7 Hexaedervernetzung und Verfeinerung 269 4.4.1.8 Definition der Materialeigenschaften 271 4.4.1.9 Definition der Kontaktflächen 271 4.4.1.10 Definieren eines zeitabhängigen Verfahrwegs 272 4.4.1.11 Definieren der weiteren Randbedingungen 276 4.4.1.12 Aktivierung der Option für große Verformungen 276 4.4.1.13 Lösungsversuch ohne automatisches Zeitschrittverfahren 277 4.4.1.14 Interpretation des Lösungsverlaufs anhand der fo6-datei 278 4.4.1.15 Steuerparameter zur Erreichung einer konvergenten Lösung 601...279 4.4.1.16 Weitere Empfehlungen für konvergente Lösungen 280 4.4.1.17 Lösung mit automatischem Zeitschrittverfahren 280
5 Advanced-Simulation (CFD) 283 5.1 Prinzip der numerischen Strömungsanalyse 284 5.2 Lernaufgaben (NX-Flow) 285 5.2.1 Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil 285 5.2.1.1 Aufgabenstellung 285 5.2.1.2 Erstellen der Dateistruktur und Auswahl der Lösung 286 5.2.1.3 Zeitschrittgröße und Konvergenzsteuerung 287 5.2.1.4 Auswahl eines Turbulenzmodells 288 5.2.1.5 Weitere Optionen des Lösungselements 290 5.2.1.6 Erstellen des Strömungsraums 291 5.2.1.7 Materialeigenschaften für Luft zuordnen 294 5.2.1.8 Entfernung von Miniflächen 295 5.2.1.9 Erstellung von Gitterverknüpfungen 295 5.2.1.10 Hexaedervernetzung des Strömungsraums 296 5.2.1.11 Übersicht über Strömungs-Randbedingungen 298 5.2.1.12 Einlass mit Geschwindigkeitsrandbedingung definieren 302 5.2.1.13 Auslassöffnung definieren 302 5.2.1.14 Randbedingung für das Flügelprofil 303 5.2.1.15 Randbedingung Reibungsfreies Gleiten" an den übrigen Wänden..304 5.2.1.16 Durchführen der Lösung 304 5.2.1.17 Beobachten des Lösungsfortschritts 304 5.2.1.18 Ergebnis der Druckverteilung und des Auftriebs 306 5.2.1.19 Darstellen der Geschwindigkeiten 308 Literatur 311 Farbplots 313 Funktionsindex der Lernaufgaben 327 Begriffsindex 334 14