Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik. Mit 30 Übungsbeispielen
E-Book, Deutsch, 442 Seiten
ISBN: 978-3-446-45740-9
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Autoren/Hrsg.
Fachgebiete
- Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Statik, Dynamik, Kinetik, Kinematik
- Technische Wissenschaften Technik Allgemein Modellierung & Simulation
- Naturwissenschaften Physik Mechanik Klassische Mechanik, Newtonsche Mechanik
- Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Produktionstechnik Computergestützte Fertigung
Weitere Infos & Material
1;Inhalt;6
2;Vorwort;12
3;1 Vorteile der simulationsgetriebenen Produktentwicklung;14
3.1;1.1 Zahl der Prototypen reduzieren;14
3.2;1.2 Kosten einsparen;16
3.3;1.3 Produktinnovationen fördern;17
3.4;1.4 Produktverständnis vertiefen;19
4;2 Voraussetzungen;22
4.1;2.1 Grundlagenkenntnisse;22
4.2;2.2 Organisatorische Unterstützung;23
4.3;2.3 Geeignete Soft- und Hardware-Umgebung;23
5;3 Grundlagen der FEM;26
5.1;3.1 Grundidee;26
5.2;3.2 Was heißt Konvergenz?;31
5.3;3.3 Was heißt Divergenz?;32
5.4;3.4 Genauigkeit;33
6;4 Anwendungsgebiete;36
6.1;4.1 Nichtlinearitäten;37
6.1.1;4.1.1 Kontakt;38
6.1.2;4.1.2 Nichtlineares Material;39
6.1.3;4.1.3 Geometrische Nichtlinearitäten;41
6.2;4.2 Statik;42
6.3;4.3 Beulen und Knicken;49
6.4;4.4 Dynamik;52
6.4.1;4.4.1 Modalanalyse;52
6.4.2;4.4.2 Angeregte Schwingungen;56
6.4.3;4.4.3 Fortgeschrittene modalbasierte Dynamik;58
6.4.4;4.4.4 Nichtlineare Dynamik;66
6.5;4.5 Design for Additive Manufacturing;80
6.6;4.6 Betriebsfestigkeit;84
6.7;4.7 Composites;92
6.8;4.8 Weitergehende Simulationen;95
6.8.1;4.8.1 Temperaturfelder;95
6.8.2;4.8.2 Strömung;96
6.8.3;4.8.3 Elektromagnetische Felder;97
6.8.4;4.8.4 Gekoppelte Analysen;98
6.8.5;4.8.5 Systemsimulation;101
6.9;4.9 Robust-Design-Optimierung;103
7;5 Standardisierung und Automatisierung;110
7.1;5.1 Generische Lastfälle;110
7.2;5.2 Skriptprogrammierung;112
7.3;5.3 Makrosprache Mechanical APDL;114
7.4;5.4 FEM-Simulation mit dem Web-Browser;116
8;6 Implementierung;118
8.1;6.1 Training;118
8.2;6.2 Anwenderunterstützung;120
8.3;6.3 Qualitätssicherung;121
8.4;6.4 Datenmanagement;122
8.5;6.5 Hardware und Organisation der Berechnung;122
9;7 Erster Start;128
9.1;7.1 Analyse definieren;129
9.2;7.2 Berechnungsmodell und Lastfall definieren;131
9.3;7.3 Ergebnisse erzeugen und prüfen;135
10;8 Der Simulationsprozess mit ANSYS Workbench;140
10.1;8.1 Projekte;141
10.1.1;8.1.1 Systeme und Abhängigkeiten;142
10.1.2;8.1.2 CAD-Anbindung und geometrische Varianten;145
10.1.3;8.1.3 Archivieren von Daten;150
10.2;8.2 Analysearten;152
10.3;8.3 Technische Daten für Material;154
10.4;8.4 Geometrie;156
10.4.1;8.4.1 Modellieren mit dem DesignModeler;156
10.4.2;8.4.2 Geometrie erstellen;157
10.4.2.1;8.4.2.1 Geometrie aufbereiten;165
10.4.3;8.4.3 Analysen in 2D;171
10.4.4;8.4.4 Balken;173
10.5;8.5 Modell;176
10.5.1;8.5.1 Die Mechanical-Applikation;177
10.5.1.1;8.5.1.1 Selektion;177
10.5.1.2;8.5.1.2 Komponenten;179
10.5.1.3;8.5.1.3 Steuerung der Ansichten;179
10.5.2;8.5.2 Geometrie in der Mechanical-Applikation;181
10.5.3;8.5.3 Koordinatensysteme;182
10.5.4;8.5.4 Virtuelle Topologie;184
10.5.5;8.5.5 Kontakte;185
10.5.5.1;8.5.5.1 Funktionsprinzip von Kontaktelementen;185
10.5.5.2;8.5.5.2 Baugruppen-Handling;186
10.5.5.3;8.5.5.3 Kontaktdefinition;188
10.5.6;8.5.6 Netz;194
10.5.6.1;8.5.6.1 Adaptive Vernetzung;195
10.5.6.2;8.5.6.2 Manuelle Vernetzung;199
10.5.6.3;8.5.6.3 Kontrolle der Vernetzung;205
10.5.6.4;8.5.6.4 Dünnwandige Bauteile;209
10.6;8.6 Setup;217
10.6.1;8.6.1 Analyseeinstellungen;217
10.6.2;8.6.2 Randbedingungen;219
10.6.2.1;8.6.2.1 Mechanische Randbedingungen;220
10.6.2.2;8.6.2.2 Thermische Randbedingungen;229
10.6.2.3;8.6.2.3 Symmetrie;231
10.6.2.4;8.6.2.4 Schrauben;236
10.6.2.5;8.6.2.5 Schweißnähte;244
10.6.3;8.6.3 Definitionen vervielfältigen;246
10.7;8.7 Lösung;247
10.7.1;8.7.1 Solver-Informationen;250
10.7.2;8.7.2 Konvergenz nichtlinearer Analysen;251
10.7.3;8.7.3 Wenn die Berechnung nicht durchgeführt wird;254
10.8;8.8 Ergebnisse;256
10.8.1;8.8.1 Spannungen, Dehnungen, Verformungen;256
10.8.2;8.8.2 Darstellung der Ergebnisse;260
10.8.2.1;8.8.2.1 Fokussierung der Ergebnisdarstellung;263
10.8.2.2;8.8.2.2 Animation;266
10.8.3;8.8.3 Automatische Dokumentation – Web-Report;267
10.8.4;8.8.4 Schnitte;268
10.8.5;8.8.5 8.8.5?Reaktionskräfte und -momente;270
10.8.6;8.8.6 Ergebnisbewertung mit Sicherheiten;271
10.9;8.9 Lösungskombinationen;272
11;9 Übungen;274
11.1;9.1 Biegebalken;275
11.2;9.2 Scheibe mit Bohrung;277
11.3;9.3 Parameterstudie;279
11.4;9.4 Designstudien, Sensivitäten und Optimierung mit optiSLang;285
11.5;9.5 Temperatur und Thermospannungen;296
11.6;9.6 Festigkeit eines Pressenrahmens;298
11.7;9.7 FKM-Nachweis;304
11.8;9.8 Presspassung;310
11.9;9.9 Hertz’sche Pressung;314
11.10;9.10 Steifigkeit von Kaufteilen;318
11.11;9.11 Druckmembran mit geometrischer Nichtlinearität;324
11.12;9.12 Elastisch-plastische Belastung einer Siebtrommel;328
11.13;9.13 Bruchmechanik an einer Turbinenschaufel;337
11.14;9.14 Schraubverbindung;346
11.15;9.15 Elastomerdichtung;350
11.16;9.16 Aufbau und Berechnung eines Composite-Bootsrumpfs;359
11.17;9.17 Beulen einer Getränkedose;371
11.18;9.18 Schwingungen an einem Kompressorsystem;378
11.19;9.19 Mehrkörpersimulation;385
11.20;9.20 Containment-Test einer Turbine;391
11.21;9.21 Falltest für eine Hohlkugel;398
11.22;9.22 Lineare Dynamik einer nichtlinearen Elektronikbaugruppe;404
11.23;9.23 Kopplung von Strömung und Strukturmechanik;415
11.24;9.24 Akustiksimulation für einen Reflexionsschalldämpfer;417
11.25;9.25 Schallabstrahlung eines Eisenbahnrades;420
11.26;9.26 Elektrisch-thermisch-mechanischer Mikroantrieb;425
11.27;9.27 Verhaltensmodell für die Systemsimulation einer Messmaschine;429
11.28;9.28 Topologieoptimierung;434
11.29;9.29 Lattice-Optimierung;439
11.30;9.30 Simulation der Additiven Fertigung;441
12;10 Konfiguration von ANSYS Workbench;444
12.1;10.1 Maßeinheiten und Geometriearten festlegen;444
12.2;10.2 Simulationseinstellungen;445
13;11 Export von Daten;448
13.1;11.1 Einbindung von alternativen Solvern;448
13.2;11.2 Export zu Excel;449
14;Index;452
1
Vorteile der simulationsgetriebenen Produktentwicklung
Herausforderungen
Das Umfeld, in dem sich die heutige Produktentwicklung befindet, erfährt immer schnellere Zyklen. Die Anforderungen von Kundenseite steigen, die Komplexität von technischen Systemen nimmt zu. Steigende Variantenvielfalt und höhere Qualitätsanforderungen zwingen zu einer verbesserten Produktqualität. Gleichzeitig treten neue Konkurrenten auf den Weltmarkt, welche die traditionelle Produktentwicklung zu deutlich niedrigeren Kosten bewerkstelligen können.
Um sich unter diesen verschärften Wettbewerbsbedingungen behaupten zu können, müssen alle Anstrengungen unternommen werden,
die Entwicklungszeiten zu verringern,
die Herstellkosten zu senken,
die Innovation und Kreativität zu steigern,
und eine höhere Qualität zu erzielen.
Entwicklungszeit
Die Verkürzung der Entwicklungszeit erlaubt es, mit einem Produkt schneller am Markt zu sein, und ermöglicht einen schnelleren Produktwandel. Besonders bedeutsam ist eine rasche Prototypenentwicklung. Prof. Bullinger stellte in der Zeitschrift Technica fest, dass häufig 25 % der Entwicklungszeit für die Erstellung von Prototypen aufgewendet wird und dass bei 60 % der Prototypen die Fertigungszeit mehrere Monate in Anspruch nimmt.
1.1
Zahl der Prototypen reduzieren
Zahl der Prototypen reduzieren
Die FEM-Simulation erlaubt es, die Anzahl der Prototypen deutlich zu reduzieren. Bereits während der Entwicklung können in frühen Phasen des Entwurfs die wesentlichen Eigenschaften überprüft werden. Gerät z. B. der Maschinentisch einer Werkzeugmaschine in Resonanz, weil die Eigenfrequenz in der Nähe der Anregungsfrequenz des Antriebes liegt, sind tief greifende Änderungen notwendig. Anstatt solche Probleme erst am realen Prototypen festzustellen, wo Änderungen sehr zeit- und kostenintensiv sind, werden durch entwicklungsbegleitende Überprüfungen per FEM Problemzonen noch vor dem Bau eines Prototypen sichtbar. Mit dem Einsatz der FEM-Simulation werden weniger Änderungen notwendig und die Entwicklungszeiten verkürzen sich dadurch drastisch.
Aufwendige Versuche
Ein wichtiger Aspekt, der zur Verkürzung der Entwicklungszeit beiträgt, ist, dass problematische Bereiche nicht mühsam in mehreren Versuchen ermittelt werden müssen. Im realen Versuch tritt beispielsweise bei einer bestimmten statischen Belastung oder nach einer bestimmten Anzahl von Lastzyklen ein Versagen eines Bauteils auf. Damit ist in der Regel der Versuch zu Ende und die maximale ertragbare Last ermittelt. Man sieht, welcher Bereich das Versagen verursacht hat (z. B. Anriss an einer Kerbe; Messpunkt 3, siehe Bild 1.1), und kann entsprechende Konstruktionsänderungen vornehmen. In einem nächsten Versuch wird dann die maximal ertragbare Last der verbesserten Struktur ermittelt. Leider kann es jetzt geschehen, dass die neue, verbesserte Variante nur knapp bessere Werte ergibt, da das Spannungsniveau in anderen Bereichen der Struktur (hier Messpunkt 1, siehe Bild 1.1) ähnlich hoch ist, im ersten Versuch jedoch nicht erkannt werden konnte. Der große Vorteil des Versuchs ist, dass er für klare Versuchsbedingungen genaue Werte ergibt, ein Gesamtüberblick über das Bauteilverhalten gerade hinsichtlich Festigkeit ist jedoch schwer zu erreichen. Selbst bei Verwendung von Dehnmessstreifen muss die Lage der DMS im Vorfeld schon richtig eingeschätzt werden, weil man auch mit falscher oder fehlender Positionierung eines Messpunktes kritische Bereiche nicht erkennt.
Bild 1.1 Ertragbare Belastung an vier verschiedenen Messpunkten
Weniger Durchläufe
Im Vergleich hierzu liefert die Berechnung nach der Finite-Elemente-Methode einen besseren Gesamtüberblick. Innerhalb der zu untersuchenden Baugruppe werden überall die Spannungen ermittelt und dargestellt, sodass in einem einzigen Durchlauf nicht nur ein einziges lokales Spannungsmaximum erkannt und bearbeitet werden kann, sondern auch alle weiteren Bereiche, deren Spannungsniveau sich in kritischen Regionen befindet.
Ausgelagerte Fertigung
Bei der Breyton Design GmbH entwickelt ein kleines Team von wenigen Ingenieuren Leichtmetallräder und Fahrwerkskomponenten für die Automobilindustrie. Gefertigt wird in Osteuropa, Test und Abnahme finden in Deutschland statt. Vor der Einführung der FEM-Simulation musste jede Design-Verifikation an realen Prototypen mit einem Biegeumlaufversuch durchgeführt werden. Die Zeit zur Beschaffung von Guss-Prototypen war und ist zeitaufwendig; mehrere Wochen sind hier nicht unüblich. Auch die Durchführung der Versuche braucht einige Zeit: Um die Streuung der im Versuch ermittelten Lebensdauer auszumerzen, werden mehrere Tests an gleichen Bauteilen durchgeführt. Insgesamt führte der hohe Aufwand bei der Beschaffung der Prototypen und im Versuch dazu, dass die Entwickler mit dieser traditionellen Methode erst sehr spät im Entwicklungsprozess auf eine zu geringe Lebensdauer aufmerksam wurden.
Virtueller Versuch
Mit der Einführung von ANSYS Workbench wird heute ein „virtueller Biegeumlaufversuch“ direkt am 3D-CAD-Modell durchgeführt (siehe Bild 1.2). Kritische Belastungen werden so rechtzeitig erkannt. Über eine Design-Studie mit zwei bis drei konstruktiven Änderungen kann innerhalb eines halben Tages ein verbessertes, validiertes Design ermittelt werden.
Bild 1.2 Lebensdauerbewertung an Autofelgen
1.2
Kosten einsparen
Materialkosten
Die Kosten eines Produktes werden vielfach auch durch das Material mitbestimmt. Die Stahlpreise haben sich seit 2000 mehr als verdoppelt, der zunehmende Ressourcenbedarf wird langfristig ein sinkendes Preisniveau für Rohstoffe verhindern. Die FEM-Berechnung erlaubt es, Bauteile hinsichtlich Festigkeit zu überprüfen. Überdimensionierungen gehören damit der Vergangenheit an. Überflüssiges Material kann eingespart und das Gewicht minimiert werden.
Beispiel AGCO FENDT: Durch Optimierung des mittragenden Antriebsstrangs bei Traktoren kann Material eingespart werden.
Bild 1.3 Spannungsverteilung eines Traktor-Antriebsstrangs
Fertigungskosten senken
Gerade bei schnell bewegten Strukturen wie z. B. Bestückungsautomaten oder Robotern kann dadurch der Antrieb verkleinert werden, was zusätzliche Kostenreduzierungen nach sich zieht. Geringeres Gewicht erfordert geringe Antriebsleistung, sodass auch der Energieverbrauch reduziert wird. Als mögliche Alternative können kostengünstigere oder leichtere Werkstoffe (Kunststoffe, Leichtmetalle) in einer Simulation sehr schnell auf ihre Tauglichkeit getestet werden.
Die in ANSYS Workbench enthaltene Materialdatenbank ist mit einem Grundstock von Materialien verschiedener Gruppen (Metalle, Keramik etc.) ausgestattet, kann aber einfach um die unternehmensspezifisch bevorzugten Materialien erweitert werden. Vom Anbieter, der CADFEM GmbH, wird eine kostenfreie Materialdatenbank mitgeliefert, die ca. 250 vorwiegend metallische Werkstoffe enthält.
Fertigungskosten senken
Neben dem Materialeinsatz selbst spielt auch die Verarbeitung eine wichtige Rolle. Große Schweißstrukturen, bei denen Wandstärken reduziert werden können, helfen nicht nur, Gewicht einzusparen, sondern minimieren auch die Größe der Schweißnähte und damit Fertigungskosten.
1.3
Produktinnovationen fördern
Innovation und Kreativität
Durch den zunehmenden Wettbewerb muss die traditionelle Entwicklung, die auch von den (internationalen) Mitbewerbern zunehmend beherrscht wird, in den Bereichen Innovation und Kreativität gestärkt werden. Nur durch eine höhere Produktivität kann ein höheres Kostenniveau ausgeglichen werden....
