Reiner Anderl Peter Binde Simulationen mit Unigraphics NX 4 Kinematik, FEM und CFD
Inhalt 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 7
Inhalt 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 Einfedern 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 8
Inhalt 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 (Sol101)...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 Erzeugen der 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 9
Inhalt 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 (Sol153)...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 10
Inhalt 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 Hilfspunkte für 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 11
Inhalt 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 12
Inhalt 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 f06-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 13
Inhalt 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
1 Einleitung Die Ingenieurwissenschaften zählen zu den wichtigsten Aufgaben für die Entwicklung innovativer Produktlösungen. Der konstruktiven Auslegung, Gestaltung und Detaillierung kommt dabei eine entscheidende Rolle zu. Ebenso wichtig ist allerdings auch die Voraussage des Produktverhaltens unter verschiedenen Nutzungsszenarien und Betriebszuständen. Gerade vor dem Hintergrund der rasanten Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologie sowohl durch die zunehmenden Leistungsmerkmale der Hardware wie auch der Software, wie auch durch die steigende Integrationstiefe von Anwendungssoftwaresystemen gelingt es immer besser rechnergestützte, numerische Simulationsverfahren und rechnerunterstützte Konstruktionsverfahren aufeinander abzustimmen. Stufen der virtuellen Produktentwicklung Virtualität 3D-CAD Virtuelle Produktentwicklung Functional Digital Mockup Virtueller Prototyp/ Digital virtuelles Mockup Produkt Virtuelle Fabrik Informationsintegration + Geometrie + Zusammenbau- + Funktionale + Baugruppenstruktur + Features + Parametrik information information + Material + (Software Logik) + Fertigung + Controlling + Logistik + Finanzen + Marketing... Produktdatenmanagement Die Informations- und Kommunikationstechnologie hat auf das Leistungsprofil des Produktentwicklungsprozesses einen entscheidenden Einfluss bekommen. Dieser Einfluss resultiert aus - der schnellen Informationsgewinnung aus weltweit verfügbaren Quellen, - der Verfügbarkeit von neuen, rechnerbasierten Methoden zur Produktentwicklung und -konstruktion wie die zur Produktmodellierung (CAD), zur Auslegungs- und Nachweisrechnung (FEM, MKS, CFD), zur schnellen Validierung und Verifikation (z.b. über Digital Mock Ups, DMU), zur schnellen Prototypher- Einfluss der Informationstechnik auf die Produktentwicklung 15
1 Einleitung 3D-CAD ist Grundlage. DMU Die wichtigsten Simulationsverfahren sind die FEM, MKS und CFD. stellung (Virtual und Rapid Prototyping) sowie den Methoden zur Weiterverarbeitung von Produktdaten in Prozessketten (CAX-Prozessketten) und - der Abbildung aufbau- und ablauforganisatorischer Strukturen in Produktdatenmanagementsystemen (PDM) mit der Bereitstellung der Produktentwicklungsergebnisse per Mausklick. Durch den bereits sehr hohen Durchdringungsgrad des Produktentwicklungsprozesses mit Rechnerunterstützung wurde auch der Begriff der virtuellen Produktentwicklung geprägt. Die virtuelle Produktentwicklung kann über mehrere Stufen erreicht werden (siehe Abbildung). Sie führen über - 3D CAD, - Digital Mock Ups, - virtuellen Prototypen bis zum - virtuellen Produkt und auch zur - virtuellen Fabrik. Der Einsatz von 3D-CAD ist dabei die Grundlage zur dreidimensionalen Beschreibung der Produktgeometrie. Diese Produktbeschreibung bezieht sich dabei sowohl auf die Einzelteilmodellierung wie auch auf die Baugruppenmodellierung. Vielfach erfolgt diese Modellierung featurebasiert und parametrisch. Digital Mock Ups (kurz DMU, im Deutschen auch als digitale Attrappe bezeichnet) repräsentieren hauptsächlich die Produktstruktur sowie die approximierte Geometrie der Einzelteile und Baugruppen auf der Basis von Volumen- und Flächengeometrien. Wurden auch Materialeigenschaften zum Volumen zugewiesen, so sind Gewicht, Schwerpunktlagen sowie Trägheitsmomente und -tensoren berechenbar. Digital Mock Ups werden insbesondere zur Simulation von Ein- und Ausbauvorgängen sowie für Kollisionsprüfungen eingesetzt. Digitale Prototypen besitzen neben der Repräsentation der 3D-dimensionalen Geometrie von Einzelteilen und Baugruppen, der Materialeigenschaften, sowie der Produktstruktur auch physikalische Eigenschaften. Damit sind sie in der Lage, im Rahmen der modellierten Merkmale eine Simulation des physikalischen Produktverhaltens zu berechnen und auch grafisch darzustellen. Digitale Prototypen werden meist disziplinenspezifisch erstellt, also für z.b. die mechanische Festigkeitsberechnung, die Bewegungssimulation oder die Strömungssimulation. Die wichtigsten dazu eingesetzten Verfahren sind die Finite-Elemente-Methode (FEM, im Englischen auch häufig als Finite Element Analysis, kurz FEA bezeichnet), die Mehrkörpersimulation (MKS, im Englischen auch als Multi Body Simulation, kurz MBS, bezeichnet) und die Strömungssimulation (im Englischen als Computational Fluid Dynamics bezeichnet). Der Begriff virtuelles Produkt fasst mehrere physikalische Eigenschaften eines Produktes zusammen, ergänzt auch logische Abhängigkeiten und vereinigt sie interoperabel in einem gemeinsamen Produktmodell. 16
1.1 Beispielsammlung, Voraussetzungen und Lernziele Der Begriff virtuelle Fabrik bezieht sich auf die modellhafte Abbildung der Objekte einer Fabrik mit ihren physikalischen Eigenschaften und der Herstellungsprozesse. Auch hierbei ist das Ziel, mit Hilfe von Simulationsverfahren die einzelnen Abläufe der Fertigung, der Montage und auch der Prüfung simulieren zu können. Die in den jeweiligen Anwendungssoftwaresystemen entstehenden Produktdaten werden schließlich nach den aufbau- und ablauforganisatorischen Strukturen in einem Produktdatenmanagementsystem (kurz PDM-System) gespeichert. Durch die zunehmende Einführung von 3D-CAD-Systemen in die industrielle Praxis zeigt sich auch, dass der Bedarf an integrierten numerischen Simulationsverfahren steigt. Das Ziel ist es dabei, die 3D-Produktdaten zu vielfältigen Aufgaben weiterzuverarbeiten, um das Ergebnis des Produktentwicklungsprozesses bereits in der digitalen Welt zu optimieren und damit das geforderte Anforderungsprofil möglichst maximal zu erfüllen. Im PDM-System werden alle anfallenden Produktdaten gespeichert. 1.1 Beispielsammlung, Voraussetzungen und Lernziele Ausgehend von der Zielsetzung, 3D-CAD-Daten zur Nachrechnung, Simulation und Optimierung zu verwenden, ergibt sich die Frage, wie können 3D-CAD-Daten weiter genutzt werden. Dazu wurden in diesem Lehrbuch für die Verfahren der Finite- Elemente-Methode, der Mehrkörpersimulation und der Strömungssimulation repräsentative Beispielszenarien entwickelt, anhand derer die Integration von Berechnungen und Simulationen dargestellt werden. Die dabei aufgezeigten Szenarien basieren auf dem 3D-CAD-System Unigraphics-NX4 und den Berechnungs- und Simulationssystemen der NX Nastran-Reihe. Die Lerninhalte werden anhand von Methodikbeispielen vermittelt. Um dem Leser das Verständnis für die Methodik zu erleichtern und die Einarbeitung zu verkürzen, wurde für die Lernaufgaben dieses Buchs eine einzige zusammenhängende Baugruppe ausgewählt. Es handelt es sich dabei um das CAD-Modell des legendären Opel Rak2, das in der Vergangenheit am Institut für Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) der technischen Universität Darmstadt (TUD) in studenti- Der Opel Rak2 bildet die Beispielsammlung. 17
1 Einleitung Einige Beispielbilder der Lernaufgaben schen Projekten erstellt wurde, wofür an dieser Stelle allen Beteiligten herzlich gedankt sein soll. Alle CAD- und Berechnungsdaten, die in den Lernaufgaben gebraucht oder erstellt werden, liegen auf der beiliegenden CD vor und sollten vom Leser zum Nachvollziehen der Beispiele genutzt werden. Die Lerninhalte werden also anhand von aus dem Leben gegriffenen Beispielen vermittelt. Funktionen des NX-Systems werden niemals isoliert, sondern immer in Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert. Weil dies dem Lernen durch reale Projekte ähnelt, ist diese Methode effizient, einprägsam und didaktisch modern. Voraussetzungen Die einzelnen Kapitel sind so strukturiert, dass sie zwar das didaktische Konzept des kontinuierlichen Lernfortschritts verfolgen, jedoch Grundlagen im Arbeiten mit 3D- CAD, insbesondere Unigraphics NX4 voraussetzen. Vorausgesetzt werden daher Kenntnisse für den Aufbau von parametrischen 3D-Modellen und Baugruppen so- 18
1.2 Arbeitsumgebungen wie allgemeines technisches Verständnis, so wie es in technischen Berufsausbildungen üblicherweise vermittelt wird. Ziel ist es, dem Studenten, Konstrukteur oder Berechnungsingenieur einen Einstieg zu vermitteln, der es ihm ermöglicht, einfache Aufgaben der Finite-Elemente- Methode, der Mehrkörpersimulation und der Strömungssimulation mit Unigraphics NX4 selbst zu lösen und ein Verständnis für diese Technologien zu entwickeln. Es darf jedoch nicht erwartet werden, dass komplexe praktische Probleme mit dem vermittelten Wissen sofort lösbar sind. Dies wäre ein wahnwitziger Anspruch. Vielmehr entwickelt sich ein Anfänger zum Experten, indem er im Laufe der Zeit möglichst viele praktische Aufgaben durcharbeitet und daran Erfahrungen sammelt. Sein Erfahrungsschatz ergibt sich aus den erfolgreich erarbeiteten Projekten. Dieses Buch vermittelt mit seinen Lernbeispielen wichtige grundlegende Erfahrungen und bildet so den Grundstock für einen beliebig erweiterbaren Erfahrungsschatz. Ziel ist der Aufbau eines grundlegenden Erfahrungsschatzes. 1.2 Arbeitsumgebungen Mechanische Problemstellungen erlauben eine Unterteilung in die drei Klassen starre Körper, flexible Körper und Fluide. Starrkörpersysteme werden dabei mit Mehrkörpersimulationsprogrammen (MKS), flexible Körper mit Programmen für Finite- Elemente-Methode (FEM) und Strömungsaufgaben mit Computational Fluid Dynamics (CFD) berechnet. Starre Körper Starrkörpermechanik MKS (Mehr-Körper- Systeme) -Mechanik - Flexible Körper Strukturmechanik FEM (Finite- Elemente-Methode) Fluide Strömungsmechanik CFD (Computational Fluid Dynamics) Dementsprechend gibt es in Unigraphics NX4 mehrere Arbeitsumgebungen im Bereich der digitalen Simulation. Diese sind (neben einigen anderen, die hier nicht behandelt werden): - Kinematik (Motion-Simulation) für Bewegungssimulationen mit MKS, - FEM Finite-Elemente-Methode (Design-Simulation) für einfache Strukturmechanik, die konstruktionsbegleitend eingesetzt werden kann, und - Erweiterte Simulation (Advanced-Simulation) für o komplexe Strukturmechanik auch nichtlinearer Effekte mit FEM und o Strömungssimulation mit CFD. Die Arbeitsumgebungen haben eine gemeinsame Oberfläche, und die verfügbaren Funktionen hängen von der jeweils vorhandenen Lizenz ab. In diesem Buch wird Die Mechanik kann grob in drei Teile gegliedert werden. Das NX-System stellt für digitale Simulation drei Module bereit. 19
Funktionsindex der Lernaufgaben Schieber (Slider) Zylindergelenk (Cylinder) Kollisionsprüfung am Gesamtmodell der Lenkung Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik, Schraubgelenk (Screw) Erläuterung 29 Kardangelenk (Universal) Erläuterung 29 Kugelgelenk (Sphere) Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik, 60 Kollisionsprüfung am Gesamtmodell 76 der Lenkung Planargelenk (Planar) Erläuterung 30 Fixgelenk (Fix) Fallversuch am Fahrzeugrad 86 Zahnstange und Ritzel (Rack Erläuterung 30 and Pinion) Zahnradpaar (Gear) Lenkgetriebe 46 Kabel (Cable) Erläuterung 30 Kontakte: Punkt auf Kurve Erläuterung 30 Kurve an Kurve Erläuterung 30 Punkt auf Fläche Erläuterung 30 3D Kontakt Fallversuch am Fahrzeugrad 87 2D Kontakt Erläuterung 30 Feder, Dämpfer: Feder (Spring) Erläuterung 30 Dämpfer (Damper) Erläuterung 31 Buchse (Bushing) Erläuterung 31 Kräfte: Skalare Kraft Erläuterung 31 Skalares Moment Erläuterung 31 Vektor Kraft Erläuterung 31 Vektor Moment Erläuterung 31 weitere: Intelligenter Punkt Erläuterung 31 44, 78 61 328
Funktionsindex der Lernaufgaben Markierung Erläuterung 31 Objekt bearbeiten Erläuterung 31 Geom. Berechnung: Durchdringung (Collision) Kollisionsprüfung am Gesamtmodell 81 der Lenkung Messen (Measure) Erläuterung 31 Zeichen (Trace) Fallversuch am Fahrzeugrad 91 Simulationsmethoden: Animation Lenkgetriebe 42 Fallversuch am Fahrzeugrad 91 Artikulation Kollisionsprüfung am Gesamtmodell 77, 80 der Lenkung Graphenerstellung Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik, 63 Tabellenkalkulation ausführen Erläuterung 32 (Spreadsheet Run) Transfer Laden (Load Transfer) Erläuterung 32 Design/Advanced-Simulation Basisfunktionen Name Lernaufgabe(n) / Erläuterung: Seite: Finitelementmodell aktualisieren Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 149 (Update Finite Element Model) Modellvorbereitung: Geometrie optimieren (Idealize Erläuterung 116 Geometry) Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 174 Plastische Verformung des Bremspedals 256 Defeature Geometry Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 123 Zerlegungsmodell (Partition Erläuterung 234 Model) Mittelfläche (Midsurface) Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 176 329
Funktionsindex der Lernaufgaben Zusammenfügen (Sew) Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 177 Fläche unterteilen (Subdivide Erläuterung 116 Face) Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 146 Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 178 Materialeigenschaften (Material Properties) Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 113, 139 Temperaturfeld in einer Rakete 159 (Sol153) Lasten: Kraft (Force) Erläuterung 128 Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 127 Lager (Bearing) Erläuterung 128 Druck (Pressure) Erläuterung 128 Erdanziehungskraft (Gravity) Erläuterung 128 Temperaturlast (Temperature Erläuterung 128 Load) Moment Erläuterung 128 Drehmoment (Torque) Erläuterung 128 Hydrostatischer Druck Erläuterung 128 Zentrifugalkraft (Centrifugal) Erläuterung 128 Constraints: Feste Randbedingung (Fixed Erläuterung 132 Constraint) Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 129 Feste Verschiebungsrandbedingung Erläuterung 132 (Fixed Translation Constraint) Feste Rotationsrandbedingung Erläuterung 132 (Fixed Rotation Constraint) Erzwungene Verschiebungsrandbedingung Erläuterung 132 (Enforced Schnapphaken mit Kontakt und großer 273 Displacement Constraint) Verformung Einfach unterstützte Randbedingung (Simply Supported Constraint) Erläuterung 132 330
Funktionsindex der Lernaufgaben Verstiftet (Pinned Constraint) Zylindrische Randbedingung (Cylindrical Constraint) Schiebereglerrandbedingung (Slider Constraint) Rollenrandbedingung (Roller Constraint) Symmetrische Randbedingung (Symmetric Constraint) Antisymmetrische Randbedingung (Anti-Symmetric Constraint) Anwenderdefinierte Randbedingung (User Defined Constraint) Thermal Constraints Konvektion erzeugen (Create Convection) Vernetzung: Gitterverknüpfungsbedingung (Mesh Mating Condition) 3D Tetraeder Gitter (3D Tetrahedral Mesh) Erläuterung 132 Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 130 Plastische Verformung des Bremspedals 260 Erläuterung 132 Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 130 Erläuterung 132 Erläuterung 132 Erläuterung 132 Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 131 Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 193 Erläuterung 132 Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 183, 193 Temperaturfeld in einer Rakete (Sol153) Temperaturfeld in einer Rakete (Sol153) 162 162 Temperaturfeld in einer Rakete 160 (Sol153) Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit 231 Kontakt Strömungsverhalten und Auftrieb am 295 Flügelprofil Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 126, 141 Temperaturfeld in einer Rakete 161 (Sol153) Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit 234 Kontakt 331
Funktionsindex der Lernaufgaben Gitter mit 3D-Extrusion (3D- Swept Mesh) Schnapphaken mit Kontakt und großer Verformung Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil 2D Gitter (2D-Mesh) Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 170, 180 1D Gitter (1D-Mesh) Auslegung einer Schraubenfeder 198, 203 1D Element Schnitt (1D Element Auslegung einer Schraubenfeder 202 Section) 0D-Gitter (0D Mesh) Eigenfrequenzen des Fahrzeugrahmens 217 weiteres: Attribute Editor Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 149 Check Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 143 - Elementformen Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 185 - Elementnormalen - Doppelte Knoten Auslegung einer Schraubenfeder 206 269 296 Identifizieren (Identify) Lösen (Solve) Postprozessor Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 139 Auslegung einer Schraubenfeder 210 Alle Beispiele Alle Beispiele Funktionen nur in Advanced-Simulation FEM/CFD Name Lernaufgabe(n) / Erläuterung: Seite: Geom. autom. reparieren (Auto heal Geometry) Erläuterung 245 Kante teilen (Split Edge) Fläche teilen (Split Face) Erläuterung 245 Analyse der Blattfeder mit großer Verformung 245 Erläuterung 116, 245 332
Funktionsindex der Lernaufgaben Kante vereinigen (Merge Edge) Fläche vereinigen (Merge Face) Erläuterung 245 Erläuterung 117, 245 Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 148 Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil 295 An Kante anpassen Erläuterung 245 (Match Edge) Kante zusammenfassen Erläuterung 245 (Collapse Edge) Flächenreparatur (Face Erläuterung 245 repair) Zurücksetzen (Reset) Erläuterung 245 Simulationsobjekte: Fläche-zu-Fläche Kontakt (Surf to Surf Contact) Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit Kontakt 236 Eingang (Inlet) Erläuterung 300 Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil 302 Auslass (Outlet) Erläuterung 300 Interner Ventilator Erläuterung 300 (Internal Fan) Umlaufende Schleifen Erläuterung 300 Öffnung (Opening) Erläuterung 300 Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil 302 Begrenzungsflussoberfläche (Boundary Flow Surface) Erläuterung 298 Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil 303 333
Begriffsindex 3D-Kontakt... 87 A Abhebende Kontakte... 83 adiabatisch...300 ADINA...168 Anregung...222 Antrieb... 44 Auftrieb...306 Auslassöffnung...302 B Balkenelement... 200, 203 Balkenquerschnitt...202 Beschränkung bei MKS... 24 Bestimmte Freiheitsgrade... 25 Bewegungskörper... 86 Bewertung der Genauigkeit...105 Bibliothek... 85 Blattfeder... 241, 332 C CFD...283 D Dämpfung... 89, 222 DMU... 16 drehbare Lagerung...130 Drehfreiheitsgrad...192 Drehgelenke... 39 Druckverteilung...306 Dynamik...36, 83 dynamische Viskosität...295 E Eigenfrequenzen...100, 215, 332 Einheiten... 46 Einlass...302 Elastizitätsmodul... 114 Erhaltungsgleichungen... 284 F f06-datei... 278 Finite-Volumen-Methode... 284 Flächenunterteilungen... 116 FVM... 284 G geometrisch nichtlineare Analyse 241 Gitterpunkt... 201 Gitterverknüpfungen... 295 Graphenerstellung... 63 große Verformung.. 98, 241, 263, 277 H Hexaedervernetzung...269, 296 Hook sches Gesetz... 97 K Kantenunterteilung... 245 K-Epsilon-Turbulenzmodell... 289 Kerbspannung...105, 329, 330, 331, 332, 333 Klemmsitz... 225 Klonen... 216 Kollisionsprüfung... 81 Kontakt...263, 330, 332 Kontakt-Nichtlinearität... 97 Konvektionsrandbedingung... 162 Konvergenz... 150 Konvergenzkriterium... 288 Konvergenznachweis... 151 Konvergenzsteuerung... 306 Kopplungselemente... 192 Körperwände... 298 Kugelgelenk... 76 334
Begriffsindex L Lasttypen...128 Lineare Statik...95 lineare Tetraeder...234 Lineares Beulen...102 M Masseneigenschaften...38 Master-Model-Concept...32 Materialeigenschaften... 113, 159, 294 maximale Zughauptspannung...211 Miniflächen...295 Mittelfläche...176, 188 Motion-Joint-Wizard...33 N Netzfeinheit...99 Netzsteuerung...149 Netzverbindung...160 Netzverfeinerung...233 Nichtlineare Effekte...97 nichtlineare Geometrie...277 nichtlinearer Kontakt...226 Nichtlineares Material...98 Nietverbindungen... 186, 189, 191 numerischer Fehler...151 O Oberflächenrauhigkeit...299 Öffnungen...300 Opel Rak2...17 P PDM...17 Plastische Verformung. 253, 329, 331 Plastizität...254 Polygongeometrie...147, 245 Polygonkörper...111 Postprozessor...134 Presspassung...225 Prinzip der linearen FEM...96 Prüfung der Elementformen...143 Punktmasse...217 Q Querkontraktionszahl...114 R Randbedingungen...132 Reaktionskraft...209 redundante Freiheitsgrade...36, 59 Reibung... 88 Reibungsfreies Gleiten...304 Rotationsfreiheitsgrade...171 S Schalenelemente...171 Schiebegelenk... 78 Schnapphaken...263, 330, 332 Schraubenfeder...197 Schraubenkraft...238 Simulation File View...110 Singularitäten... 100, 152 Sol 101...167 Sol 103...167 Sol 106...167 Sol 601...168 Spannelement...225 Standardvernetzung...126 Strömungsanalyse...284 Strömungs-Randbedingungen...298 Strömungsraum...291 Symmetrie...157 Symmetrierandbedingung...193 T Temperaturfeld...155, 330, 331 Temperaturrandbedingung...162 Thermotransfer...101 Toleranzen... 60 Top-down-Methode... 51 Totwassergebiet...309 Transportgleichungen...284 Turbulenzmodell...288 335
Begriffsindex U überbestimmte Freiheitsgrade... 36 übereinstimmende Vernetzung...231 unbestimmte Freiheitsgrade... 25 V variable Positionierung...266 Ventilatoren...300 Verbindung... 181, 186 Verfeinerung...145 Verformungsergebnisse...136 Verschmelzen von Knoten...205 virtuelle Produktentwicklung... 15 Voreinstellungen...21, 90 vorgegebene Verschiebung... 208 vorgespannte Lagerungen... 197 W Wandstärke... 180 Wärmeaustausch... 300 weiche Federlagerungen...235, 236 Z Zahnradpaar... 46 zeitabhängiger Verfahrweg... 272 Zeitschritt... 306 Zeitschrittgröße... 287 Zeitschrittverfahren... 280 Zylindergelenk... 61 336