Innovation Intelligence HyperWorks Einführung Jan Grasmannsdorf Dienstag, 18. September 2012
Altair s Brands and Companies Technologie Prozesse Know How Innovation Intelligence = Neue Wege in der Produktentwicklung entdecken
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got the knack? Dilbert 2010, United Feature Syndicate, Inc.
Global Presence Seattle, USA Montreal, Canada Lund, Sweden Moscow, Russia Beijing, China Mountain View, USA Toronto, Canada Gothenburg, Sweden Shanghai, China Los Angeles, USA Coventry, UK Delhi, India Austin, USA Manchester, UK Pune, India Tokyo, Japan Denver, USA Detroit, USA Böblingen, Germany Chennai, India Osaka, Japan Boston, USA Köln, Germany Hyderabad, India Nagoya, Japan Milwaukee, USA Hamburg, Germany Bangalore, India Mexico City, Mexico Charlotte, USA Hannover, Germany Seoul, Korea Huntsville, USA München, Germany KL, Malaysia Lyon, France Paris, France Sophia Antipolis, France Toulouse, France Melbourne, Australia Sao Paulo, Brazil Torino, Italy Madrid, Spain Over 40 offices across 16 countries
Was steckt in HyperWorks? HyperMesh (Preprocessing) Radioss FEM MotionSolve MKS AcuSolve CFD OptiStruct/ HyperStudy Optimierung & Parameter HyperForm / HyperXtrude Manufacturing HyperView / Graph / Math (Postprocessing)
Entwicklungsprozess ohne CAE Konzeptphase Konstruktion & Detaillierung Funktionsmuster & Prototyp Testphase & Validierung..n 2 1 1 F Freigabe & Fertigung
Entwicklungsprozess mit CAE Konzeptphase Konstruktion & Detaillierung CAE / Simulation Funktionsmuster & Prototyp F Testphase & Validierung Freigabe & Fertigung
Entwicklungsprozess mit CAE und Optimierung Konzeptphase Optimierung Konstruktion & Detaillierung Simulation / Gestaltopt. Funktionsmuster & Prototyp Simulation Testphase & Validierung Simulation Freigabe & Fertigung
Upfront CAE bei Volkswagen Original Bauteil 2.000g Neues Bauteil 1.550g Masse minus 23% Entwicklung Aggregate, Volkswagen
Upfront CAE bei Fortis Saxonia Quelle: Fortis Saxonia, TU Chemnitz
CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert
Geometrie Import & Cleanup Geometrie Import via Schnittstelle zu CAD Software (Direkt, IGES, STEP) Aufgabe im Preprozessor: Reparatur von CAD Geometrie Bereinigung hinsichtlich Netzqualität (z.b. Element Kantenlänge > 3mm) 0.34 mm
CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert Finite Elemente Modell FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit
FEM Vernetzung HyperMesh bietet Vernetzungsalgorithmen und Eigenschaften für 0- und 1D Elemente 2D Schalenelemente 3D Volumenelemente
FEM Vernetzung Es empfiehlt sich, in HyperMesh die Netzqualität zu prüfen. Visuelle Kontrolle Gleichmäßigkeit Elementform, -größe & -ebenheit Lücken im Netz? Nicht verbundene Geometrien? Elementnormale Stimmige Masse / Volumen?
FEM Vernetzung Mögliche Quellen für Kriterien: Solver hat meist voreingestellte Qualitätskriterien in HyperMesh prüfbar Erfahrungswerte An kritischen Stellen (Kerben, Verbindungen, etc.) sollte die Elementqualität immer besonders gut sein.
FEM Netzeigenschaften Vorsicht: Auf konsistente Einheiten achten!!!
CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Lastfall Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit Lasten und Randbedingungen, z.b. Kraft, Temperatur, Geschwindigkeit
Beispiel Lastfall Windkraftanlage Wie ermittelt man die korrekten Lasten für eine FEM Simulation? Dynamische Mehrkörper Simulation (MKS) Modelliert wird das System mit Massen, Schwerpunkten, Steifigkeiten, Dämpfern etc. Ergebnis: Auf die Struktur wirkende Kräfte bei dynamischen Ereignissen Ereignis Notstop Courtesy of Nordic, Sweden
Beispiel Lastfall Windkraftanlage Die ermittelten Kräfte können direkt in einer FEM Simulation verwendet werden: MKS Notstop FEM Simulation mit ermittelter Last
Lastfälle Wie ermittelt man die korrekten Lasten für eine FEM Simulation? Dynamische Mehrkörper Simulation (MKS) Messungen und Erfahrungswerte Überlegen: Statik, Dynamik (Beschleunigen, Bremsen, etc.), Gewicht, Umwelt, Temperaturen, Stoßlasten, Schwingungen. Normen Aus FE-Modell, Eigenschaften, Material und Lastfall ergibt sich (für statische Lastfälle): F = K u Lastvektor Steifigkeitsmatrix = Elemente Verschiebungsvektor
CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit Lasten und Randbedingungen, z.b. Kraft, Temperatur, Geschwindigkeit Lastfall Solver Programm zur Lösung des aufgestellten Gleichungssystems, z.b. statische, dynamische, lineare, nicht-lineare Gleichungssysteme
FE-Solver Radioss Linear Statisch & Dynamisch
Altair FEM Solver Radioss Nicht Linear Statisch & Dynamisch
Altair MKS Solver MotionSolve und CFD Solver AcuSolve MotionSolve MKS Simulation AcuSolve CFD Simulation Kinematik, Dynamik, Statik Systemverständnis, Lasten ermitteln, Kopplung mit flexiblen Körpern FEM basierter Solver für stationäre, instationäre, turbulente Strömungen Fluid-Struktur Kopplung
CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Lastfall Welche Daten benötigt man für die Simulation? CAD Daten bereinigt / repariert FEM Netz mit physikalischen Eigenschaften z.b. Wandstärke, Querschnitt, Masse, Steifigkeit Lasten und Randbedingungen, z.b. Kraft, Temperatur, Geschwindigkeit Programm zur Lösung des aufgestellten Gleichungssystems, z.b. Statische, Dynamische, lineare, nicht-lineare Gleichungssysteme Solver Auswertung der berechneten Ergebnisse, z.b. Verformung, Dehnung, Spannung oder Optimierungsvariable Auswertung / Analyse
Postprozessing einer FEM - Analyse Postprozessor: Abgleich der FE Simulation mit Versuchsergebnissen, Normen, Richtlinien, Erfahrungswerten etc. Wichtig: Sind die Ergebnisse stimmig (z.b. Kräftegleichgewicht)?
CAE Prozess Arbeitsschritte Geometrie Import & Cleanup FEM Modell Lastfall Preprozessor HyperMesh FEM Datei Solver Auswertung / Analyse Solver Radioss, Motionsolve, Acusolve H3D Datei Postprozessor HyperView
Topologie Optimierung Konzeptfindung Die Variable x bei der Topologie Optimierung ist die Steifigkeit & Masse jedes einzelnen Elements im Bauraum Optimierungsziel f(x) ist oft die maximal mögliche Steifigkeit bei beschränkter Masse g < kg Inspiration
Topologie Optimierung Konzeptfindung Casti ng Direction Stiffness Mass F 1 F 2 M 1 Netz Bauraum, Lasten und Randbedingungen Optimierungsaufgabe Iterative Berechnung Ergebnis & CAD Umsetzung Start CAD Design
Topologie Optimierung Konzeptfindung Solver Radioss + X 1 - X n ; min f(x) ; g(x) = Formulierung der Optimierungsaufgabe: Zielfunktion (Was ist das Ziel der Optimierung?) min f(x), max f(x) oder min [max f(x)] Design Variablen (Was kann ich verändern?) X il X i X iu i =1,2,3, N Randfunktion (Welche Randbedingungen muss ich einhalten?) g j (x) 0 j = 1, 2, 3,, M OptiStruct Optimierung
OPTIMISATION DISCIPLINES
Concept Design mit Solid Thinking & Inspired Easy to use industrial concept design
Altair Optimization Driven Innovation Fan Bracket - Example
Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Halter unzureichend dimensioniert (Rückläufer) Bauteil soll neu entworfen werden Ziel: Spannungen reduzieren Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim
Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Topologie Optimierung Ergebnis Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim
Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele CAD Rückführung mit OSSmooth: Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim
Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Original Bauteil Optimiertes Bauteil Max. v. Mises Stress Max. Displ. Mass Courtesy TECOSIM GmbH, Ruesselsheim
Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Kettenblatt Bauraum Optimierungsprozess Danke an das Elbflorace Racing Team e.v. Optimiertes Bauteil
Topologie Optimierung Anwendungsbeispiele Kettenblatt gefertigt Vergleich Masse, (Durchmesser 2011 +30%) Danke an das Elbflorace Racing Team e.v.
Case study Bracket Redesign Engine Mount Bracket - Material saving Design Space Design Proposal (1997) 7 Loadcases Objective: Minimize the Mass Stiffness should be the same Initial Design Mass: 950g Annual Cost Savings Weight reduction per part = 0,22 kg Annual Prodution Volume = 200,000 pcs Total Mass Reduction = 44,000 kg Nominal Material Cost = $0.80/kg (1997) Total cost Savings in Material = $35,200/yr Design Mass: -20%
Altair Optimization Driven Innovation Bus Body Structure Design Problem Develop an alternative body structure for a new 30 bus (compared to a conventional 40 bus) from concept through detail Optimization Problem statement: Minimize Weight With Constraints on Torsional and Bending frequencies Stiffness (Static Displacements) Final Design Method s Used: Design package space created based on overall bus dimensions and sub-system packaging constraints. Loads Determined analytically OptiStruct topology optimization used to create the initial concept design Concept Design interpreted to render it manufacturable OptiStruct Shape/Size optimization used for tuning the concept design
Altair Optimization Driven Innovation System Level Requirements (loads analysis & packaging) Design Space and Loads Topology Optimization CAD model with generic elements Final Design Parametric Shape Vectors Finite Element Modeling Size and Shape Optimization
Altair Optimization Driven Innovation Altair Bus June 2010 December 2010
Free Size Optimization Example: Bike Frame Design a Training Bike from a Clean Sheet Should be as light as possible, while maintaining stiffness, safety and comfort regulations Use Composite Materials
Free Size Optimization Example: Bike Frame Design Space = Maximum Thickness for all Fiber Layers (0, 45, -45, 90 ) Design Variable: Thickness of all Elements Objective: Minimize Mass, Constraint: Stiffness according to regulations
Free Size Optimization Example: Bike Frame Thickness Results for all Composite Fibre Layers The Layer at 0 needs the most material 0 +45-45 +90
Free Size Optimization Example: Bike Frame Design Interpretation and further optimization leads to 12 Composite Patches All regulations were met with this lightweight frame Patch 1 Patch 2
Shape Optimization Example: Plate The original design shows below. There are several circle holes in the support structure. Pressure P = 10 N/mm² applies on the top end The bottom end is fixed in x,y and z-direction Pressure P=10N/mm2 Fixation FE model of original design Load & Fixation
Shape Optimization Example: Plate Analysis Result: Von Mises stress The peak stress of the original model is 212MPa > 125MPa. Stress exceeds allowed limit almost by factor 2!
Shape Optimization Example: Plate Design variable: 1 free shape dv for each hole, totally 8 dvs Constraints: stress < 125 Mpa Objective: Minimize total volume 8 DVs
Shape Optimization Example: Plate After 17 iterations, the optimization run converged. Following is the shape change animation and stress of new design. -42% + 4% Peak Stress Volume
HyperWorks 11.0 Student Edition Altair Online Store: https://secure.altair.com/onlinestore/ Registrierung mit HOCHSCHUL MAIL ADRESSE! Danach Student Edition bestellen (bitte der Anleitung auf der Webseite folgen) Zum Abschluss den Code FREE_Edu_FS für eine kostenlose Version eingeben
Was sind die nächsten Schritte? The HyperWorks Academic Blog www.altairuniversity.com
Was sind die nächsten Schritte? The HyperWorks Starter Kit Videos www.altairuniversity.com/how-to-get-started Einführung für HyperWorks Anfänger Enthält wichtige Hinweise und Tipps zur Bedienung der Software Interaktive Videos begleiten durch das Programm Am besten Lesen und Üben, bevor der erste HyperWorks Kurs beginnt
Training Center www.altairuniversity.com Free Learning Training Center oder http://training.altairuniversity.com/ Zusammenfassung Altair Tutorials und Studienprojekte an einem zentralen Ort Übungsprojekte für verschiedene Themen und Level, z.b. auch Composite Optimierung, Optimierung Gitterrohrrahmen etc. Integration von theoretischen und praktischen Aspekten der FEM Simulation Modelldatenbank für eigene Projekte
Neues Altair E-Book Practical Aspects of Finite Element Simulation - A Student Guide Personalisierte PDF Datei, die kostenfrei bei Altair bestellt werden kann Inhalt Grundlegende Einführung in die FEM Simulation für Anfänger Von der Modellierung zur linear statischen Simulation Modellplanung 1D, 2D, 3D Vernetzung Linear-statische Simulation und Auswertung
Was sind die nächsten Schritte? 11.-13.Oktober HyperWorks für Studenten Workshop TU Freiberg 19./20.Oktober HyperWorks für Studenten Workshop FH Köln 15.-19.Oktober HyperWorks Online Seminare, englischsprachig Weitere Termine in BB, München, Graz, Köln, Hannover Registrieren Sie sich unter www.altairhyperworks.de/trainings
Was sind die nächsten Schritte? Workshop 21.September 2012: Installation HyperWorks und AcuSolve Paket + Updates www.altairhyperworks.de Installation Lizenzdatei ftp.altair.de/outgoing/altair_134/altair_workshop_2012.zip Speichern in der Installation <Pfad>/security/altair_lic.dat Systemsteuerung Umgebungsvariable Altair_License_Path=<Pfad>/altair_lic.dat Danke an Skyline Motorsport e.v.