FEM und dynamische Simulation. Grundlagen und Beispiele ab Version 2017
E-Book, Deutsch, 368 Seiten
ISBN: 978-3-446-45013-4
Verlag: Carl Hanser
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark
Dieses Praxisbuch zeigt, wie Sie mit Autodesk Inventor Professional einfache bis komplexe Simulationen durchführen, um so die Leistungsfähigkeit von digitalen Prototypen testen und optimieren zu können. Es wendet sich an Anwender und technisch Verantwortliche aus den Bereichen Konstruktion und Produktentwicklung sowie an Studenten technischer Fachrichtungen.
Kompakt und leicht verständlich vermittelt das Buch alle notwendigen Grundlagen der Technischen Mechanik, Festigkeitslehre und Kinematik. Es stellt die Möglichkeiten der Oberflächenanalyse sowie die Finite-Elemente-Methode (FEM) vor und zeigt die Bedeutung der Materialien und Werkstoffe für die Simulation und deren Grenzen auf.
Das Buch behandelt alle wichtigen Simulationsmethoden – von der Bauteil- und FE-Analyse über die Bewegungssimulation bis hin zur dynamischen Simulation umfassender Baugruppen und zur Festigkeitsuntersuchung mit dynamischen Lasten.
Zahlreiche Simulationsbeispiele (Fliehkraftregler, Kurbelschwinge, Hubkolbentriebwerk u.v.m.) bieten Ihnen die Möglichkeit, das erlangte Wissen praktisch nachzuvollziehen.
Auf der beiliegenden DVD befinden sich:
- Alle Beispieldateien zu den Übungen (auf Basis von Version 2017, aber auch ab Version 2013 verwendbar)
- Viele Animationen (AVI-Filme), die dem besseren Verständnis der Bewegungsabläufe dienen und sich hervorragend zur Präsentation eignen
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1;Inhalt;6
2;Teil I Digital Prototyping;16
2.1;1 Einführung;18
2.1.1;1.1 Autodesk Inventor;18
2.1.2;1.2 Die Grenzen der Simulation;20
2.1.3;1.3 Was fehlt;20
2.1.4;1.4 Inventor-Schnittstellen;21
2.1.5;1.5 Inventor für Schüler und Studenten;22
2.1.5.1;1.5.1 Inventor kostenlos?;22
2.1.6;1.6 Systemvoraussetzungen;22
2.1.6.1;1.6.1 Hinweise zur Installation;22
2.1.6.2;1.6.2 Hardware;22
2.1.6.3;1.6.3 Betriebssysteme;23
2.1.6.4;1.6.4 Sonstige Anforderungen;23
2.1.7;1.7 Voraussetzungen für Anwender;24
2.1.8;1.8 Übungsdateien und Videos auf DVD;24
2.1.9;1.9 Resümee;24
2.2;2 Digital Prototyping und Produktdesign;26
2.2.1;2.1 Virtuelle 3D-Modelle;26
2.2.2;2.2 Herstellung von Prototypen, Rapid Prototyping;27
2.2.3;2.3 Produktoptimierung;28
2.2.3.1;2.3.1 Flächen- bzw. Formoptimierung;28
2.2.3.2;2.3.2 Berechnungen;29
2.2.3.3;2.3.3 Dynamische Simulation;29
3;Teil II Oberflächenanalysen und Grundlagen;30
3.1;3 Bauteilanalysen;32
3.1.1;3.1 Zebra-Analyse;34
3.1.2;3.2 Entwurf, Verjüngungsanalyse;35
3.1.3;3.3 Fläche, Gauß-Analyse, Gauß’sche Flächenkrümmung;36
3.1.4;3.4 Schnitt, Querschnittsanalyse;38
3.1.5;3.5 Krümmungsanalyse, Krümmungskammanalyse;39
3.2;4 Technische Mechanik, Festigkeitslehre und Inventor;42
3.2.1;4.1 Statik;42
3.2.2;4.2 Freiheitsgrade;43
3.2.3;4.3 Freiheitsgrade überprüfen;45
3.2.3.1;4.3.1 Anzeige der Freiheitsgrade;45
3.2.3.2;4.3.2 Freiheitsgrad-Analyse;46
3.2.4;4.4 Gelenke;47
3.2.4.1;4.4.1 Inventor-Gelenke;48
3.2.5;4.5 Reibung;49
3.2.6;4.6 Kinematik;49
3.2.7;4.7 Dynamik;51
3.2.7.1;4.7.1 Schwerkraft, Gravitation;51
3.2.7.2;4.7.2 Masse, Gewichtskraft, Trägheitsmomente;52
3.2.7.3;4.7.3 Gelenkkräfte und -momente;52
3.2.7.4;4.7.4 Simulation;53
3.2.7.5;4.7.5 Export nach FEM;54
3.2.7.6;4.7.6 Schwingungen, Eigenfrequenz, Resonanz, Modalanalyse;55
3.2.8;4.8 Festigkeitslehre und FEM-Ergebnisse;56
3.2.8.1;4.8.1 Festigkeitshypothesen;57
3.2.8.2;4.8.2 Spannungen;58
3.2.8.3;4.8.3 Verformungen;59
3.2.8.4;4.8.4 Sicherheitsfaktoren, Belastung/Dehnung;59
3.2.8.5;4.8.5 Kontaktdruck;60
3.2.8.6;4.8.6 Knicken und Beulen;60
3.2.9;4.9 Grenzen der Inventor-Mechanik;61
3.3;5 Die Materialbibliothek;64
3.3.1;5.1 Der Materialien-Browser;64
3.3.2;5.2 Mit Materialien und Darstellungen arbeiten;65
3.3.2.1;5.2.1 Übersicht;65
3.3.3;5.3 Eine eigene Bibliothek mit neuen Materialien erstellen;70
3.3.3.1;5.3.1 Eigene Bibliothek und eigene Kategorien erstellen;70
3.3.3.2;5.3.2 Ein neues Material definieren;71
3.3.4;5.4 Problematische Materialien in der FEM;73
3.3.4.1;5.4.1 Beispiel: Silentblock;73
3.3.4.2;5.4.2 Material ohne Kennwerte;74
3.3.5;5.5 Nicht in der FE-Analyse verwendbare Werkstoffe;77
3.3.5.1;5.5.1 Polymere Werkstoffe;77
3.3.5.2;5.5.2 Verbundwerkstoffe;78
3.3.6;5.6 Bauteile mit großen Verformungen;79
4;Teil III Grundlagen und Anwendungsbeispiele der Finiten-Elemente-Methode;82
4.1;6 FEM;84
4.1.1;6.1 FEM, allgemein;84
4.1.2;6.2 Konvergenz;85
4.1.2.1;6.2.1 Maximale Anzahl der H-Verfeinerungen;86
4.1.2.2;6.2.2 Stopp-Bedingung;86
4.1.2.3;6.2.3 Schwellenwert für H-Verfeinerungen;86
4.1.2.4;6.2.4 Konvergenz-Plots;87
4.1.2.5;6.2.5 Beispiel: Konvergenzeinstellungen und Auswirkung;87
4.1.3;6.3 Das FEM-Netz;90
4.1.3.1;6.3.1 Netzeinstellungen;90
4.1.3.2;6.3.2 Lokale Netzsteuerung;92
4.1.3.3;6.3.3 Allgemeine Richtlinien für die Netzerstellung;93
4.1.3.4;6.3.4 Netzgenerierungen und Simulationen mit dünnen Bauteilen;95
4.1.4;6.4 Abhängigkeiten, Einspannungen;95
4.1.5;6.5 Lasten und Lastangriffsfälle;96
4.1.5.1;6.5.1 Lastarten;96
4.1.5.2;6.5.2 Lastangriffsfälle;97
4.1.6;6.6 Beispiel einer einfachen vollständigen FE-Analyse;104
4.1.6.1;6.6.1 Das Bauteil und seine Eigenschaften;105
4.1.6.2;6.6.2 Funktion des Bauteils;106
4.1.6.3;6.6.3 Die erste Simulation erstellen;107
4.1.6.4;6.6.4 Das Bauteil einspannen;107
4.1.6.5;6.6.5 Trennen von Bauteilflächen;107
4.1.6.6;6.6.6 Das Bauteil belasten;108
4.1.6.7;6.6.7 Das Bauteilnetz;109
4.1.6.8;6.6.8 Simulation ausführen;110
4.1.6.9;6.6.9 Anpassung der Gestalt (Gestaltfestigkeit);112
4.1.6.10;6.6.10 Materialanpassung;113
4.1.6.11;6.6.11 Hauptspannungen;115
4.1.6.12;6.6.12 Verformung, Verschiebung;116
4.1.6.13;6.6.13 Rückstoßkräfte, Lagerkräfte;117
4.1.6.14;6.6.14 Ergebnisprotokoll;118
4.1.6.15;6.6.15 Bericht;119
4.2;7 Rückstoßkraft und Kraftermittlung über Verformungen;122
4.2.1;7.1 Beispiel: Rückstoßkraft ermitteln;122
4.2.2;7.2 Verformungskraft ermitteln;123
4.2.3;7.3 Fehlerbetrachtung;125
4.3;8 Parametrische FEM-Studien;126
4.3.1;8.1 Das parametrische Bauteil;126
4.3.2;8.2 Vorbereitung der parametrischen FE-Analyse;127
4.3.2.1;8.2.1 Die parametrische Tabelle;127
4.3.3;8.3 Die parametrische Simulation;132
4.3.4;8.4 Parametrische Ergebnisse;133
4.3.5;8.5 Das Modell anpassen;135
4.4;9 FEM an dünnen Bauteilen;138
4.4.1;9.1 Beispiel: Blechtraverse;138
4.4.2;9.2 Simulation als normaler Körper;139
4.4.3;9.3 Simulation als dünnwandiges Bauteil;140
4.5;10 Modal- oder Eigenfrequenzanalyse;144
4.5.1;10.1 Eine Modalanalyse durchführen;144
4.5.2;10.2 Ein zweites Beispiel;147
4.6;11 Stimmgabel 440?Hz entwerfen;150
4.6.1;11.1 Die Konstruktion;150
4.6.2;11.2 Die Belastungsanalyse;151
4.6.2.1;11.2.1 Netzverfeinerung;152
4.6.2.2;11.2.2 Die erste Simulation;152
4.6.3;11.3 Frequenzermittlung iterativ;153
4.6.4;11.4 Frequenzermittlung mit parametrischer Tabelle;155
4.7;12 FEM an Schweißbaugruppen;158
4.7.1;12.1 Erstes Beispiel;158
4.7.1.1;12.1.1 Die Baugruppe;158
4.7.1.2;12.1.2 Die Schweißverbindung;159
4.7.1.3;12.1.3 Die Vorbereitung der Belastungssimulation;160
4.7.1.4;12.1.4 Kontakte überprüfen;161
4.7.1.5;12.1.5 Die Simulation;163
4.7.2;12.2 Zweites Beispiel;164
4.7.2.1;12.2.1 Die Schweißkonstruktion;164
4.7.2.2;12.2.2 Simulation vorbereiten;165
4.7.2.3;12.2.3 Kontakte kontrollieren;166
4.7.2.4;12.2.4 Die Simulation;167
4.7.2.5;12.2.5 Sicherheitsfaktor;168
4.7.3;12.3 Punktschweißen;169
4.7.3.1;12.3.1 Die Punktschweißung im Beispiel;170
4.7.3.2;12.3.2 Die Simulation vorbereiten;170
4.7.3.3;12.3.3 Kontakte bearbeiten;171
4.7.3.4;12.3.4 Die Simulation;171
5;Teil IV Einfache Bewegungssimulationen und Baugruppenvereinfachung;174
5.1;13 Einfache Bewegungssimulationen;176
5.1.1;13.1 Baugruppen von Hand bewegen;176
5.1.2;13.2 Automatische Bewegung in der Baugruppe;177
5.1.3;13.3 Bewegung in der Präsentationsumgebung;179
5.1.3.1;13.3.1 Eine Präsentation erstellen;180
5.1.3.2;13.3.2 Die Präsentationsfunktionen;180
5.1.4;13.4 Die Präsentationsanimation von Schrauben;184
5.1.4.1;13.4.1 Komponentenpositionen;184
5.1.5;13.5 Bewegung im Inventor Studio;186
5.1.5.1;13.5.1 Die Inventor Studio-Arbeitsumgebung;187
5.1.6;13.6 Beispiel einer Studio-Animation;191
5.1.6.1;13.6.1 Vorbereitung der Animation;191
5.1.6.2;13.6.2 Abhängigkeit animieren;192
5.1.6.3;13.6.3 Die Ablaufsteuerung;193
5.1.6.4;13.6.4 Animation aufzeichnen;194
5.2;14 Bauteil- bzw. Baugruppenvereinfachung;196
5.2.1;14.1 Beispiel: Kurbeltrieb;197
5.2.2;14.2 Detailgenauigkeit erstellen;197
5.2.3;14.3 Bauteile mit vereinfachtem Bauteil ersetzen;199
6;Teil V Die dynamische Simulation anhand zahlreicher Beispiele;202
6.1;15 Die dynamische Simulationsumgebung;204
6.1.1;15.1 Die Arbeitsumgebung;204
6.1.1.1;15.1.1 Funktionsgruppe Verbindung;205
6.1.1.2;15.1.2 Funktionsgruppe Laden;205
6.1.1.3;15.1.3 Funktionsgruppe Ergebnisse;206
6.1.1.4;15.1.4 Funktionsgruppe Animieren;206
6.1.1.5;15.1.5 Funktionsgruppe Verwalten;207
6.1.1.6;15.1.6 Funktionsgruppe Belastungsanalyse;208
6.1.1.7;15.1.7 Funktionsgruppe Beenden;208
6.1.2;15.2 Der Objektbrowser in der dynamischen Simulation;208
6.1.3;15.3 Bewegliche Gruppen einfärben;211
6.1.4;15.4 Beschreibung der Gelenkarten;212
6.1.4.1;15.4.1 Normgelenk;212
6.1.4.2;15.4.2 Abhängigkeiten und Gelenke;212
6.1.4.3;15.4.3 Vordefinierte Gelenke;214
6.1.5;15.5 Gelenkeinfügungsarten;216
6.1.5.1;15.5.1 Gelenkeinfügung von Hand: die Funktion Gelenk einfügen;216
6.1.5.2;15.5.2 Gelenk aus Abhängigkeit erzeugen: die Funktion Abhängigkeiten ableiten;221
6.1.5.3;15.5.3 Automatische Gelenkdefinition;222
6.1.6;15.6 Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten;224
6.1.6.1;15.6.1 Registerkarte Allgemein;224
6.1.6.2;15.6.2 Registerkarte Freiheitsgrad x (R/T);226
6.1.7;15.7 Gelenkkräfte, Steifigkeit und Dämpfung;227
6.1.7.1;15.7.1 Nichts ist starr – alles ist Gummi!;227
6.1.7.2;15.7.2 Steifigkeit und Dämpfung – der Sprungbretteffekt;227
6.1.7.3;15.7.3 Inventor ist ein Starrkörpersystem;228
6.1.7.4;15.7.4 Inventor ist elastisch?;228
6.1.7.5;15.7.5 Steifigkeit;229
6.1.7.6;15.7.6 Dämpfung;230
6.1.8;15.8 Gelenkeigenschaften;230
6.1.8.1;15.8.1 Anfangsbedingungen bearbeiten;231
6.1.8.2;15.8.2 Gelenkdrehmoment bzw. Gelenkkraft bearbeiten;232
6.1.8.3;15.8.3 Festgelegte Bewegung bearbeiten;233
6.1.9;15.9 Das Eingabediagramm;233
6.1.9.1;15.9.1 Die Diagrammfläche;234
6.1.9.2;15.9.2 Sektor-Optionen;234
6.1.9.3;15.9.3 Start- und Endpunkt;235
6.1.9.4;15.9.4 Funktionsdefinitionen speichern und laden;236
6.1.9.5;15.9.5 Referenzachsen bestimmen;236
6.2;16 Pendelklappe mit Schwerkraft;238
6.2.1;16.1 Die Bauteile und die Baugruppe;238
6.2.2;16.2 Die dynamische Simulation starten;239
6.2.3;16.3 Schwerkraft definieren;240
6.2.4;16.4 Die erste Simulation;241
6.2.5;16.5 Einen 3D-Kontakt einfügen;242
6.2.6;16.6 Die zweite Simulation;243
6.2.7;16.7 Ändern der Pufferdämpfung;243
6.2.8;16.8 Drehgelenkeigenschaften einstellen;244
6.3;17 Das Ausgabediagramm;246
6.3.1;17.1 Die Oberfläche des Ausgabediagramms;247
6.3.2;17.2 Diagrammoptionen;247
6.3.3;17.3 Variable anzeigen;248
6.3.4;17.4 Eine zweite Variable überlagern;250
6.3.5;17.5 Nullpunktverschiebung;251
6.3.6;17.6 Darstellungs- und Wertegenauigkeit;252
6.3.7;17.7 Diagramm und Werte nach Excel exportieren;253
6.4;18 Fliehkraftregler;254
6.4.1;18.1 Die Baugruppenabhängigkeiten;255
6.4.2;18.2 Baugruppe bewegen;257
6.4.3;18.3 Die dynamische Simulation;258
6.4.3.1;18.3.1 Überbestimmungen;258
6.4.3.2;18.3.2 Der Objektbrowser;259
6.4.4;18.4 Der Antrieb;260
6.4.4.1;18.4.1 Antriebsmoment;261
6.4.4.2;18.4.2 Dämpfung;261
6.4.4.3;18.4.3 Reibung;262
6.4.5;18.5 Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse;262
6.4.5.1;18.5.1 Die Rotation;263
6.4.6;18.6 Andere Gelenke mit Reibwerten versehen;264
6.4.7;18.7 Die Simulation;265
6.4.8;18.8 Das Ausgabediagramm;266
6.4.8.1;18.8.1 Rotationsgeschwindigkeit interpretieren;266
6.4.8.2;18.8.2 Schwingungen untersuchen;267
6.4.9;18.9 Feder einfügen;268
6.4.10;18.10 Simulation mit eingebauter Feder;272
6.4.11;18.11 Kurven im Ausgabediagramm bearbeiten;273
6.4.12;18.12 Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen;274
6.4.12.1;18.12.1 Die Vorbereitung;274
6.4.12.2;18.12.2 Zeitschritt auswählen;275
6.4.12.3;18.12.3 Bauteile zur FE-Analyse auswählen;275
6.4.12.4;18.12.4 Überbestimmte Bauteile heilen;276
6.4.12.5;18.12.5 In die Belastungsanalyse wechseln;278
6.4.12.6;18.12.6 Die Belastungsanalysen;279
6.4.12.7;18.12.7 Fazit;281
6.5;19 Spielerei mit einem Ball;282
6.5.1;19.1 Die Bauteile und die Konstruktion;282
6.5.2;19.2 Die Simulationsumgebung;284
6.5.2.1;19.2.1 Feder einfügen;284
6.5.2.2;19.2.2 Schwerkraft definieren;285
6.5.2.3;19.2.3 Der Ball benötigt Gelenke;286
6.5.2.4;19.2.4 Der Objektbrowser;288
6.5.3;19.3 Die Simulation;289
6.5.3.1;19.3.1 Starres Abprallen;289
6.6;20 Kurbelschwinge;292
6.6.1;20.1 Die Funktion;292
6.6.2;20.2 Die Bauteile;293
6.6.3;20.3 Die Abhängigkeiten;294
6.6.4;20.4 Nach Abhängigkeit bewegen;295
6.6.5;20.5 Vorbereitung der Simulation;296
6.6.5.1;20.5.1 Nichts geht mehr;296
6.6.5.2;20.5.2 Geht doch!;297
6.6.5.3;20.5.3 Der Antrieb;297
6.6.6;20.6 Die erste Simulation;298
6.6.7;20.7 Schiebegelenk einfügen;299
6.6.8;20.8 Die zweite Simulation;301
6.6.9;20.9 Schwerkraft und Reibung;301
6.6.9.1;20.9.1 Schwerkraft;301
6.6.9.2;20.9.2 Reibungswerte und Kraftübertragung;302
6.6.9.3;20.9.3 Beidseitige Kraftübertragung an der Schwinge;302
6.6.9.4;20.9.4 Gelenkreibungen der Drehgelenke;303
6.6.9.5;20.9.5 Startposition;303
6.6.10;20.10 Die dritte Simulation und das Ausgabediagramm;304
6.6.10.1;20.10.1 Das Ausgabediagramm;305
6.6.11;20.11 Externe Kraft einfügen;307
6.6.12;20.12 Die vierte Simulation und das Ausgabediagramm;308
6.6.13;20.13 Spur aufzeichnen;310
6.7;21 Schiebevorrichtung;314
6.7.1;21.1 Die Bauteile;314
6.7.2;21.2 Die Funktion;315
6.7.3;21.3 Gelenke einfügen;316
6.7.3.1;21.3.1 Zylindrisches Schiebegelenk;316
6.7.3.2;21.3.2 Punkt-Ebene-Gelenk;317
6.7.3.3;21.3.3 Druckfeder;318
6.7.4;21.4 Die erste Simulation;320
6.7.5;21.5 Status des Mechanismus;321
6.7.6;21.6 Redundante Abhängigkeiten;323
6.7.6.1;21.6.1 Redundanz hinzufügen;323
6.7.6.2;21.6.2 Redundanz untersuchen;324
6.7.7;21.7 Gelenkdrehmoment aktivieren;325
6.7.8;21.8 Die zweite Simulation;326
6.7.9;21.9 Externe Belastung;328
6.7.9.1;21.9.1 Externe Kraft definieren;328
6.7.9.2;21.9.2 Antriebsmoment anpassen;329
6.7.9.3;21.9.3 Die dritte Simulation;329
6.7.9.4;21.9.4 Das Ausgabediagramm;330
6.7.10;21.10 Export nach FEM;331
6.7.11;21.11 Die FE-Analyse der Schwinge;331
6.8;22 Kurbelschwinge, die Dritte;334
6.8.1;22.1 Die Bauteile;334
6.8.2;22.2 Die Baugruppe;335
6.8.3;22.3 Die Simulationsumgebung;335
6.8.4;22.4 Gelenke einfügen;336
6.8.4.1;22.4.1 Räumliches Gelenk;336
6.8.4.2;22.4.2 3D-Kontakte;337
6.8.5;22.5 Reibung definieren;338
6.8.6;22.6 Die Simulation;339
6.9;23 Hubkolben-Triebwerk;340
6.9.1;23.1 Die Baugruppe;340
6.9.2;23.2 Die Simulationsumgebung;341
6.9.3;23.3 Untersuchung der Redundanz;342
6.9.3.1;23.3.1 Status des Mechanismus;342
6.9.3.2;23.3.2 Schwerkraft definieren;343
6.9.3.3;23.3.3 Gelenke überprüfen und bearbeiten;344
6.9.4;23.4 Die erste Simulation;347
6.9.5;23.5 Zweites Beispiel: Antrieb durch den Kolben;348
6.9.5.1;23.5.1 Externe Kraft wirken lassen;349
6.9.5.2;23.5.2 Externe Kraft definieren;349
6.9.5.3;23.5.3 Kraft im Eingabediagramm definieren;350
6.9.6;23.6 Die zweite Simulation;351
6.9.6.1;23.6.1 Das Ausgabediagramm;352
6.9.7;23.7 Beispiel: Verbrennungsmotor;353
6.9.7.1;23.7.1 Lastmoment hinzufügen;353
6.9.7.2;23.7.2 Zyklischen Antrieb hinzufügen;353
6.9.7.3;23.7.3 Die Simulation;356
6.9.8;23.8 Variante mit Feder;357
6.9.8.1;23.8.1 Festgelegte Bewegung aktivieren;357
6.9.8.2;23.8.2 Feder einfügen;357
6.9.8.3;23.8.3 Die Simulation;358
6.9.8.4;23.8.4 Das Ausgabediagramm;359
6.9.9;23.9 Export nach FEM;360
6.9.9.1;23.9.1 Die FE-Analyse der Kurbelwelle;360
6.9.9.2;23.9.2 Die FE-Analyse des Kolbens;362
7;Stichwortverzeichnis;364
1
Einführung
Jeder Konstrukteur kennt die hier gezeigte Grafik und den daraus ablesbaren Zusammenhang, dass Änderungskosten im Entwicklungsprozess eines Produktes immer höher zu Buche schlagen, je weiter die Produktentwicklung, von der Planung bis zum Vertrieb, fortgeschritten ist. Der triviale Umkehrschluss lautet also, dass die Produktoptimierung so früh wie möglich stattfinden muss.
Seit einigen Jahren heißt das Stichwort hierfür Digital Prototyping. Die Entwicklungszeiten sollen dadurch verkürzt, die Kosten gesenkt und die Qualität der Produkte verbessert werden. Die Grundlage dafür stellt dabei ein virtuelles 3D-CAD-Modell dar, an dem mit rechnerischen Methoden, wie kinematische und dynamische Simulation, Finite-Elemente-Methode, Visualisierung, Funktions- und Montagesimulation, sowohl die Werkstoff- und Festigkeitseigenschaften als auch die fertigungs- und die montageseitigen Bedingungen optimiert werden können.
1.1
Autodesk Inventor
Autodesk Inventor wird in drei Ausstattungsvarianten (Inventor LT, Inventor und Inventor Professional) ausgeliefert, die sich in den Grundlagen der 3D-Konstruktion nicht unterscheiden. Die Professional Version (AIP) beinhaltet alle Module.
Autodesk bietet als komplette Branchenlösungen verschiedene Programm-Pakete (Suites) an, in deren Ultimate-Versionen i.d.R. die Professional Version enthalten ist.
Die Programmversion Autodesk Inventor Professional umfasst neben allen Funktionen der 3D-Konstruktion die verschiedenen Module für die Aufgaben der Simulations- und Festigkeitsanalysen.
Dieses Funktionspaket umfasst:
die Belastungsanalyse für die Bauteil-, Baugruppen-, Gestell(Rahmen)- und Blechumgebungen
die Analyse von Spannungen, Belastungen und Deformationen für statische und dynamische Lasten
die Modalanalyse für die Ermittlung von Eigenfrequenzen und des Schwingungsverhaltens mechanischer Konstruktionen
die Konvertierung aller Baugruppen-3D-Abhängigkeiten (Constrains) in Standardgelenke
eine große Bibliothek mit Bewegungsgelenken
die Möglichkeit, externe Kräfte und Momente zu definieren
die Möglichkeit, Bewegungssimulationen anhand der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und des Drehmoments als Funktion der Zeit erstellen
die Möglichkeit, 3D-Bewegungen mithilfe von Spuren visuell darzustellen
den Export vollständiger Ausgabedaten in Microsoft® Excel®
die Möglichkeit, dynamische und statische Gelenke und Trägheitskräfte in die Autodesk Inventor-Simulation-Belastungsanalyse oder ANSYS Workbench zu übertragen
die Möglichkeit, die Kraft zu berechnen, die erforderlich ist, um eine dynamische Simulation in einen Zustand des statischen Gleichgewichts zu versetzen
die Möglichkeit, die Eigenschaften der Reibung, Dämpfung, Steifigkeit und Elastizität beim Definieren von Gelenken als Funktion der Zeit zu verwenden
die Möglichkeit, die dynamische Bauteilbewegung interaktiv anzuwenden, um dynamische Kräfte auf die Gelenke zu simulieren
ein umfangreiches Reportsystem, mit dem 3D-Volumenplots darzustellen sind, Berichte für alle Ergebnisse und parametrische Studien erstellt werden können
und abschließend den Zugriff auf Inventor Studio, um beispielsweise ein realistisches oder veranschaulichendes Video der Simulation auszugeben oder fotorealistische Bilder oder Grafiken zu produzieren.
All diese Punkte, mit Ausnahme des Exports nach ANSYS, werden Gegenstand der Beispiele und Übungen in diesem Buch sein. Darüber hinaus werden sowohl die theoretischen Grundlagen für das Verständnis der Vorgänge als auch angrenzende Gebiete wie z.?B. die Oberflächenanalyse ausreichend behandelt.
1.2
Die Grenzen der Simulation
Die vielfältigen Möglichkeiten und vor allem die vermeintlich eindeutigen Ergebnisse der verschiedenen Simulations- und Berechnungsraten verführen dazu, die Resultate als absolute und richtige Folgen der Beanspruchungen zu interpretieren.
Man sollte jedoch bei aller Begeisterung über die Einfachheit, mit der man zu diesen Ergebnissen kommt, nicht vergessen, dass es sich um Näherungsverfahren handelt, die immer mehr oder weniger fehlerbehaftet sind.
Die aktuelle Aussage eines Simulationsfachmanns, dass sich „durch den rechtzeitigen Einsatz der modernen Simulationstechnik die Restfehlerquote einer Bauteile-Konstruktion inzwischen auf unter zehn Prozent senken lässt“, beschreibt treffend sowohl die revolutionären Möglichkeiten im Entwicklungsbereich, aber auch die Grenzen dieser Möglichkeiten. Zehn Prozent können den Konstruktionsprozess erheblich beeinflussen.
In vielen diesbezüglichen Kapiteln werden deshalb auch die Grenzen in Bezug auf die Genauigkeit und die möglichen Fehlerquellen genannt.
1.3
Was fehlt
Die Inventor-Simulation ist eine rein mechanische Simulation, die Bewegungs- und Belastungsvorgänge untersucht.
In der Praxis sind diese Vorgänge jedoch häufig mit thermischen und strömungstechnischen Problemen befrachtet. Das Beispiel eine Turboladers oder einer Gasturbine zeigt die drei wesentlichen Problembereiche, die mit verschiedenen Simulationsarten untersucht werden müssen.
Neben der Stress- und Kinematik-Analyse, die der Inventor recht gut beherrscht, sind
die Strömungsmechanik und
die thermische Simulation (CFD ? Computational Fluid Dynamics)
ganz wichtige Bereiche, die in der Konstruktion häufig die mechanische Problematik überlagern.
Simulationspakete, die alle zurzeit möglichen Techniken beherrschen, sind jedoch nicht mehr an CAD-Systeme gekoppelt, sondern sind eigene sehr leistungsfähige und umfangreiche Programme.
1.4
Inventor-Schnittstellen
Neben den AutoCAD-Dateien können auch Zeichnungen, Modelle und Baugruppen aus anderen CAD-Systemen importiert und im Inventor weiter bearbeitet werden. Je nach Importquelle werden Bauteile jedoch mitunter lediglich als Basisteile ohne den inneren Aufbau importiert.
Der Inventor bringt zu diesem Zweck eine ganze Reihe von Translatoren mit:
Translator
Import
Export
Alias
V10 oder höher
CATIA V4
Alle Versionen
CATIA V5
R6 ? V5-6R2015
R10 ? V5-6R2015
Creo Parametric
1.0; 2.0; 3.0
DWF/DWFx
6.0 ? 7.5
7.5
DWG
Alle Versionen
R2000; R2004; R2007; R2010; R2013; R2017
IDF
2.0; 3.0
IFC
IFC 2x3
IGES
Alle Versionen
5.3
JT
7.0 ? 10.0
7.0 ? 10.0
...
