Simulationen mit Inventor
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Simulationen mit Inventor
11 20 er hen iew isc rV m to na en dy nv nd k I u en es FE- tion a od ut zu ul : A en Sim VD ion f D at Au nim A Günter Scheuermann Simulationen mit Inventor FEM und dynamische Simulation Grundlagen und Beispiele ab Version 2011 Günter Scheuermann Simulationen mit Inventor FEM und dynamische Simulation Grundlagen und Beispiele ab Version 2011 Konstruktionsmethodik zur Modellierung von Volumenkörpern v Bleiben Sie einfach auf dem Laufenden: www.hanser.de/newsletter Sofort anmelden und Monat für Monat die neuesten Infos und Updates erhalten. Günter Scheuermann Simulationen mit Inventor FEM und dynamische Simulation Grundlagen und Beispiele ab Version 2011 Dipl.-Ing. Günter Scheuermann ist Autor zahlreicher CAD-Bücher und unterrichtet Konstruktion an der Fachhochschule für Techniker in Erlangen Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Weise aus der Benutzung dieser Informationen – oder Teilen davon – entsteht, auch nicht für die Verletzung von Patentrechten, die daraus resultieren können. Ebenso wenig übernehmen übernehmen Autor und Verlag die Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt also auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benützt werden dürften. CAD.DE ist mit fast 100.000 aktiven Mitgliedern und über 2,2 Mio. Besuchern pro Monat die größte CAD-CAM-CAE Community im deutschsprachigen Raum. Von den 500 CAx-Produktforen mit 1,4 Mio. Beiträgen werden 180 Foren von hochkarätigen Moderatoren betreut. Das Prinzip „Geben und Nehmen“ auf CAD.DE gewährleistet ein breites Spektrum an Meinungen und ist Garant für die Unabhängigkeit von CAD.DE. Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter http://dnb.ddb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. © 2010 Carl Hanser Verlag München Gesamtlektorat: Sieglinde Schärl Sprachlektorat: Sandra Gottmann, Münster-Nienberge Herstellung: Stefanie König Umschlagkonzept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Umschlagrealisation: Stephan Rönigk Datenbelichtung, Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany ISBN 978-3-446-42365-7 (www.hanser.de) Inhalt 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.5 1.5.1 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4 1.7 1.8 1.9 Einführung .................................................. 11 Autodesk Inventor Simulation ................11 Die Grenzen der Simulation.....................12 Was fehlt ....................................................13 Inventor-Schnittstellen.............................13 Importformate.........................................14 Exportformate.........................................14 Inventor für Schüler und Studenten.......15 Inventor kostenlos?................................16 Systemvoraussetzungen ...........................16 Hinweise zur Installation ......................16 Hardware .................................................16 Betriebssysteme ......................................17 Sonstige Anforderungen .......................17 Voraussetzungen für Anwender..............17 DVD zum Buch ..........................................17 Resümee......................................................18 2 2.1 2.2 Digital Prototyping und Produktdesign 19 Virtuelle 3D-Modelle ................................19 Herstellung von Prototypen, Rapid Prototyping .............................................20 2.3 Produktoptimierung..................................21 2.3.1 Flächen- bzw. Formoptimierung..........21 2.3.2 Berechnungen .........................................22 2.3.3 Dynamische Simulation ........................22 3 3.1 3.2 B a u t e i l a na l y s en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 Zebra-Analyse ...........................................25 Entwurf, Verjüngungsanalyse .................26 3.3 3.4 3.5 Fläche, Gauß-Analyse, Gauß´sche Flächenkrümmung .................................27 Schnitt, Querschnittsanalyse ...................28 Krümmungsanalyse, Krümmungskammanalyse.....................29 Technische Mechanik, Festigkeitslehre und Inventor .................................................... 31 4.1 Statik...........................................................31 4.2 Freiheitsgrade ............................................32 4.3 Freiheitsgrade überprüfen ........................34 4.3.1 Anzeige der Freiheitsgrade ...................34 4.3.2 Freiheitsgrad-Analyse............................35 4.4 Gelenke .......................................................36 4.4.1 Inventor-Gelenke....................................37 4.5 Reibung.......................................................38 4.6 Kinematik ...................................................38 4.7 Dynamik .....................................................40 4.7.1 Schwerkraft, Gravitation.......................40 4.7.2 Masse, Gewichtskraft, Trägheitsmomente..................................40 4.7.3 Gelenkkräfte und -momente.................41 4.7.4 Simulation...............................................42 4.7.5 Export nach FEM....................................42 4.7.6 Schwingungen, Eigenfrequenz, Resonanz, Modalanalyse .......................43 4.8 Festigkeitslehre und FEM-Ergebnisse.....45 4.8.1 Festigkeitshypothesen............................46 4.8.2 Spannungen ............................................47 4.8.3 Verformungen.........................................48 4 5 Inhalt 4.8.4 Sicherheitsfaktoren, Belastung, Dehnung ..................................................48 4.8.5 Kontaktdruck ..........................................49 4.8.6 Knicken und Beulen...............................49 4.9 Grenzen der Inventor-Mechanik .............50 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 FEM FEM............................................................... ............................................................... 53 FEM, allgemein..........................................53 Konvergenz ................................................54 Max. Anzahl der H-Verfeinerungen ....54 Stopp-Bedingung ...................................55 Schwellenwert für H-Verfeinerungen..55 Konvergenz-Plots ...................................55 Das FEM-Netz ............................................56 Netzeinstellungen...................................57 Lokale Netzsteuerung.............................59 Allgemeine Richtlinien für die Netzerstellung .........................................60 5.4 Erstes Beispiel einer einfachen FE-Analyse ..................................................................61 5.4.1 Das Bauteil und seine Eigenschaften...62 5.4.2 Die erste Simulation...............................63 5.4.3 Abhängigkeiten, Einspannung .............64 5.4.4 Lasten.......................................................66 5.4.5 Das Netz...................................................68 5.4.6 Simulation ausführen ............................69 5.4.7 Materialanpassung .................................71 5.4.8 Hauptspannungen ..................................73 5.4.9 Verformung, Verschiebung...................74 5.4.10 Rückstoßkräfte, Lagerkräfte ..................75 5.4.11 Ergebnisprotokoll ...................................76 5.4.12 Bericht ....................................................77 6 Parame Parametrische trische FE FEM-St M-Studien udien .................... ....................81 81 Das parametrische Bauteil........................81 Vorbereitung der parametrischen FE-Analyse..............................................82 6.2.1 Die parametrische Tabelle .....................82 6.3 Die parametrische Simulation .................87 6.4 Parametrische Ergebnisse.........................87 6.5 Das Modell anpassen ................................89 6 6.1 6.2 7 7.1 7.2 Modal- ode oderr Ei Eige genfre nfreque quenzanalyse nzanalyse........ ........91 91 Eine Modalanalyse durchführen .............91 Ein zweites Beispiel...................................93 8 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.3 8.4 Stimmgabel 440 440 Hz entwerfen entwerfen................ ................95 95 Die Konstruktion .......................................95 Die Belastungsanalyse ..............................96 Netzverfeinerung....................................97 Die erste Simulation...............................97 Frequenzermittlung iterativ .....................98 Frequenzermittlung mit parametrischer Tabelle................................................... 100 FE 9 FEM M an Sc Schwei hweißbaugruppen ßbaugruppen ................ 103 9.1 Erstes Beispiel ......................................... 103 9.1.1 Die Baugruppe ..................................... 103 9.1.2 Die Schweißverbindung ..................... 104 9.1.3 Die Vorbereitung der Belastungssimulation.......................... 106 9.1.4 Kontakte überprüfen ........................... 106 9.1.5 Die Simulation..................................... 108 9.2 Zweites Beispiel ...................................... 109 9.2.1 Die Schweißkonstruktion ................... 109 9.2.2 Simulation vorbereiten....................... 110 9.2.3 Kontakte kontrollieren........................ 111 Inhalt 9.2.4 Die Simulation ..................................... 113 9.2.5 Sicherheitsfaktor.................................. 114 9.3 Punktschweißen...................................... 114 9.3.1 Die Punktschweißung im Beispiel..... 115 9.3.2 Die Simulation vorbereiten ................ 116 9.3.3 Kontakte bearbeiten ............................ 116 9.3.4 Die Simulation ..................................... 117 Materialbi 10 Die Material bibliothek bliothek............................ ............................119 119 10.1 Der Stil- und Normen-Editor................ 119 10.2 Material.................................................... 120 10.2.1 Übersicht............................................... 120 10.2.2 Werkstoffkennwerte und Einheiten .. 121 10.2.3 Farbstil der Werkstoffe ....................... 122 10.3 Import und Export von Stilen .............. 122 10.4 Ein neues Material einfügen................. 123 10.4.1 Die Stilbibliothek bearbeiten ............. 125 10.5 Farbstile editieren................................... 126 10.6 Beleuchtungen einstellen ...................... 128 10.7 Bewegung im Inventor Studio.............. 129 10.8 Problematische Materialien in der FEM129 10.8.1 Beispiel Silentblock............................. 129 10.9 Nicht in der FE-Analyse verwendbare Werkstoffe ............................................ 131 10.9.1 Polymere Werkstoffe........................... 133 10.9.2 Verbundwerkstoffe.............................. 134 10.10 Bauteile mit großen Verformungen .. 135 11 11.1 11.2 Einfache Einfache Bewegungssimulati Bewegungssimulationen onen........ ........137 137 Baugruppen von Hand bewegen .......... 137 Automatische Bewegung in der Baugruppe ............................................................... 138 11.3 Bewegung in der Präsentation ............. 140 11.3.1 Eine Präsentation erstellen................. 140 11.3.2 Die automatische Explosionsmethode141 11.3.3 Die manuelle Explosion...................... 142 11.4 Die Präsentationsanimation von Schrauben............................................. 143 11.4.1 Eine neue Präsentation erstellen ....... 144 11.4.2 Komponentenpositionen .................... 144 11.4.3 Die Schraubenbewegung animieren, der Film geht ab......................................... 146 11.5 Bewegung im Inventor Studio.............. 149 11.5.1 Die Inventor StudioArbeitsumgebung ................................ 149 11.6 Beispiel einer Studio-Animation.......... 153 11.6.1 Vorbereitung der Animation ............. 154 11.6.2 Abhängigkeit animieren..................... 154 11.6.3 Die Ablaufsteuerung ........................... 156 11.6.4 Animation aufzeichnen ...................... 157 Die dynamische dynamische Simulations 12 Simulationsumgebung159 umgebung159 12.1 Die Arbeitsumgebung ............................ 159 12.1.1 Funktionsgruppe Verbindung............ 159 12.1.2 Funktionsgruppe Laden...................... 160 12.1.3 Funktionsgruppe Ergebnisse.............. 160 12.1.4 Funktionsgruppe Animieren .............. 161 12.1.5 Funktionsgruppe Verwalten............... 162 12.1.6 Funktionsgruppe Belastungsanalyse 162 12.1.7 Funktionsgruppe Beenden ................. 163 12.2 Der Objektbrowser in der dynamischen Simulation.................... 163 12.3 Bewegliche Gruppen einfärben ............ 166 12.4 Beschreibung der Gelenkarten.............. 167 12.4.1 Normgelenk.......................................... 168 12.4.2 Abhängigkeiten und Gelenke ............ 168 12.4.3 Vordefinierte Gelenke......................... 171 12.5 Gelenkeinfügungsarten ......................... 172 7 Inhalt 12.5.1 Gelenkeinfügung von Hand, die Funktion Gelenk einfügen ................. 173 12.5.2 Gelenk aus Abhängigkeit erzeugen, die Funktion Abhängigkeiten ableiten ... 177 12.5.3 Automatische Gelenkdefinition......... 178 12.6 Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten............................................. 180 12.6.1 Registerkarte Allgemein ..................... 181 12.6.2 Registerkarte Freiheitsgrad x (R/T) ... 183 12.7 Gelenkkräfte, Steifigkeit und Dämpfung............................................. 184 12.7.1 Nichts ist starr...................................... 184 12.7.2 Steifigkeit und Dämpfung - der Sprungbretteffekt ................................ 184 12.7.3 Inventor ist ein Starrkörpersystem ... 185 12.7.4 Inventor ist elastisch?......................... 185 12.7.5 Steifigkeit ............................................. 186 12.7.6 Dämpfung............................................. 186 12.8 Gelenkeigenschaften .............................. 187 12.8.1 Anfangsbedingungen bearbeiten ...... 188 12.8.2 Gelenkdrehmoment bzw. Gelenkkraft bearbeiten............................................. 188 12.8.3 Festgelegte Bewegung bearbeiten ..... 189 12.9 Das Eingabediagramm........................... 189 12.9.1 Die Diagrammfläche ........................... 190 12.9.2 Sektor-Optionen .................................. 191 12.9.3 Start- und Endpunkt........................... 192 12.9.4 Funktionsdefinitionen speichern und laden ................................................. 192 12.9.5 Referenzachsen bestimmen................ 192 13 13.1 13.2 13.3 8 Pendelklappe Pende lklappe mit Sc Schwer hwerkraft kraft .............. ..............193 193 Die Bauteile und die Baugruppe........... 193 Die dynamische Simulation starten..... 194 Schwerkraft definieren .......................... 195 13.4 Die erste Simulation............................... 195 13.5 Einen 3D-Kontakt einfügen.................. 196 13.6 Die zweite Simulation............................ 197 13.7 Ändern der Pufferdämpfung................. 198 13.8 Drehgelenkeigenschaften einstellen .... 198 13.9 Das Ausgabediagramm.......................... 199 13.9.1 Die Oberfläche des Ausgabediagramms............................. 200 13.9.2 Diagrammoptionen ............................. 200 13.9.3 Variable anzeigen................................ 201 13.9.4 Eine zweite Variable überlagern ....... 202 13.9.5 Eine neue Kurve erzeugen.................. 204 13.9.6 Darstellungs- und Wertegenauigkeit 205 13.9.7 Diagramm und Werte nach Excel exportieren ........................................... 205 Flie 14 Fliehkra hkraftregler ftregler........................................ ........................................ 207 14.1 Die Baugruppe ........................................ 208 14.2 Baugruppe bewegen............................... 211 14.3 Die dynamische Simulation .................. 212 14.3.1 Überbestimmungen ............................. 212 14.3.2 Der Objektbrowser............................... 213 14.4 Der Antrieb.............................................. 214 14.4.1 Antriebsmoment.................................. 214 14.4.2 Dämpfung............................................. 215 14.4.3 Reibung215 14.5 Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse........................................... 215 14.5.1 Die Rotation ......................................... 217 14.6 Andere Gelenke mit Reibwerten versehen................................................ 217 14.7 Die Simulation........................................ 219 14.8 Das Ausgabediagramm.......................... 220 14.8.1 Rotationsgeschwindigkeit interpretieren ....................................... 221 Inhalt 14.8.2 Schwingungen untersuchen............... 222 14.9 Feder einfügen........................................ 222 14.10 Simulation mit eingebauter Feder..... 227 14.11 Kurven im Ausgabediagramm bearbeiten............................................. 227 14.12 Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen....................................... 228 14.12.1 Die Vorbereitung ................................. 228 14.12.2 Zeitschritt auswählen.......................... 229 14.12.3 Bauteile zur FE-Analyse auswählen . 230 14.12.4 Überbestimmte Bauteile heilen.......... 231 14.12.5 In die Belastungsanalyse wechseln... 232 14.12.6 Die Belastungsanalysen...................... 233 14.12.7 Fazit 236 15 Spielere Spiele reii mit ei eine nem m Ba Ball ll ......................... .........................237 237 15.1 Die Bauteile und die Konstruktion....... 237 15.2 Die Simulationsumgebung.................... 239 15.2.1 Feder einfügen ..................................... 239 15.2.2 Schwerkraft definieren ....................... 240 15.2.3 Der Ball benötigt Gelenke .................. 240 15.2.4 Der Objektbrowser............................... 242 15.3 Die Simulation........................................ 243 15.3.1 Starres Abprallen................................. 244 16 Kurbelschw Kurbelschwin inge ge........................................ ........................................245 245 16.1 Die Funktion ........................................... 245 16.2 Die Bauteile ............................................. 246 16.3 Die Abhängigkeiten ............................... 248 16.4 Nach Abhängigkeit bewegen................ 249 16.5 Vorbereitung der Simulation ................ 250 16.5.1 Nichts geht mehr ................................. 250 16.5.2 Geht doch!............................................ 251 16.5.3 Der Antrieb........................................... 251 16.6 Die erste Simulation............................... 252 16.7 Schiebegelenk einfügen......................... 253 16.8 Die zweite Simulation............................ 254 16.9 Schwerkraft und Reibung ..................... 254 16.9.1 Schwerkraft .......................................... 254 16.9.2 Reibungswerte und Kraftübertragung255 16.9.3 Beidseitige Kraftübertragung an der Schwinge .............................................. 255 16.9.4 Gelenkreibungen der Drehgelenke.... 256 16.9.5 Startposition......................................... 256 16.10 Die dritte Simulation und das Ausgabediagramm .............................. 257 16.10.1 Das Ausgabediagramm....................... 258 16.11 Externe Kraft einfügen ....................... 260 16.12 Die vierte Simulation und das Ausgabediagramm .............................. 261 16.13 Spur aufzeichnen................................. 264 17 Kurbelschwin Kurbelschwinge-Schiebevorr ge-Schiebevorrichtung ichtung .. 267 17.1 Die Bauteile............................................. 267 17.2 Die Funktion ........................................... 268 17.3 Gelenke einfügen ................................... 269 17.3.1 Zylindrisches Schiebegelenk.............. 269 17.3.2 Punkt-Ebene-Gelenk........................... 269 17.3.3 Druckfeder............................................ 271 17.4 Die erste Simulation............................... 273 17.5 Status des Mechanismus ....................... 274 17.6 Redundante Abhängigkeiten ................ 276 17.6.1 Redundanz hinzufügen....................... 276 17.6.2 Redundanz untersuchen ..................... 277 17.7 Gelenkdrehmoment aktivieren ............. 278 17.8 Die zweite Simulation............................ 279 17.9 Externe Belastung .................................. 280 17.9.1 Externe Kraft definieren..................... 281 9 Inhalt 17.9.2 17.9.3 17.9.4 17.10 17.11 Antriebsmoment anpassen................. 281 Die dritte Simulation .......................... 282 Das Ausgabediagramm....................... 282 Export nach FEM................................. 283 Die FE-Analyse der Schwinge ........... 284 18 Kurbel Kurbelschwin schwinge, ge, die Dri Dritte tte .................... ....................287 287 18.1 Die Bauteile ............................................. 287 18.2 Die Baugruppe ........................................ 288 18.3 Die Simulationsumgebung.................... 288 18.4 Gelenke einfügen.................................... 289 18.4.1 Räumliches Gelenk.............................. 289 18.4.2 3D-Kontakte......................................... 289 18.5 Reibung definieren................................. 290 18.6 Die Simulation........................................ 292 19 Hubkolbe Hubkolbenn-Trie Triebwer bwerk.............................. k..............................293 293 19.1 Die Baugruppe ........................................ 293 19.2 Die Simulationsumgebung.................... 294 19.2.1 Schwerkraft definieren ....................... 295 19.2.2 Gelenke überprüfen und bearbeiten . 295 19.2.3 Gelenk Zylindrisch:1, Zylinder – Kolben ................................................. 296 19.2.4 Gelenk Drehung:2, Rillenkugellager Kurbelwelle........................................... 297 19.2.5 Gelenke an den Sicherungsringen .... 298 19.2.6 Gelenke am Pleuel............................... 298 19.3 Die erste Simulation............................... 299 19.4 Antrieb durch den Kolben..................... 300 19.4.1 Externe Kraft wirken lassen............... 300 19.4.2 Externe Kraft definieren..................... 300 19.4.3 Kraft im Eingabediagramm definieren ............................................. 301 19.5 Die zweite Simulation............................ 303 10 19.5.1 Das Ausgabediagramm....................... 303 19.6 Lastmoment hinzufügen........................ 304 19.7 Kraftkomponenten auswerten .............. 305 19.8 Variante mit Feder ................................. 306 19.8.1 Festgelegte Bewegung aktivieren...... 306 19.8.2 Feder einfügen..................................... 307 19.9 Die dritte Simulation ............................. 308 19.10 Das Ausgabediagramm....................... 308 19.11 Export nach FEM................................. 309 19.12 Die FE-Analyse der Kurbelwelle........ 310 19.13 Kolben exportieren.............................. 311 19.14 Die FE-Analyse des Kolbens .............. 313 19.14.1 Netzeinstellungen verändern ............. 314 19.14.2 Maximalspannung suchen ................. 314 19.14.3 Verformungen des Kolbens................ 315 Index ................................................................. 317 1 Einführung Jeder Konstrukteur kennt die nebenstehende Grafik und den dazugehörenden 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 dafür Digital Prototyping, und damit sollen die Entwicklungszeiten 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 Simulation Autodesk Inventor wird in fünf Ausstattungsvarianten ausgeliefert, die sich in den Grundlagen der 3D-Konstruktion nicht unterscheiden. Die Professional Version (AIP) beinhaltet alle Module, während die speziellen Pakete auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten sind. Die Programmversion Autodesk Inventor Simulation ist eine dieser fünf Varianten und umfasst neben allen Funktionen der 3D-Konstruktion die verschiedenen Module für die Aufgaben der Simulations- und Festigkeitsanalysen. Das 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 dem Schwingungsverhalten mechanischer Konstruktionen 11 1 Einführung 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 Eigenschaften der Reibung, Dämpfung, Steifigkeit und Elastizität beim Definieren von Gelenken als Funktion der Zeit zu verwenden 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. 12 1.3 Was fehlt Die aktuelle Aussage eines Simulationsfachmanns, dass sich „durch den rechtzeitigen Einsatz der modernen Simulationstechnik die Restfehlerquote einer BauteileKonstruktion 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- oder MechanicalDesktop-Dateien können auch Zeichnungen und Modelle aus anderen CADSystemen importiert und im Inventor weiter bearbeitet werden. Je nach Importquelle werden jedoch Bauteile mitunter lediglich als Basisteile ohne den inneren Aufbau importiert. 13 1 Einführung 1.4.1 Importformate Als Importformate werden unterstützt: ACIS- bzw. SAT-Zeichnungen/-Modelle (*.sat-Dateien) STEP-Zeichnungen/-Modelle (*.ste-, *.stp- oder *.step-Dateien) IGES-Zeichnungen/-Modelle (*.igs-, *.ige-, *.iges-Dateien) DXF-Zeichnungen/-Modelle (*.dxf-Dateien) 3D-Daten vom Autodesk® Alias-Studio 3D-Punktkoordinaten von Excel Parasolid, CATIA V4 und V5, Pro/Engineer Granite/Neutral, SolidWorks UGS NS Files (*.prt), SAT, STEP, STL 1.4.2 Exportformate a) Export in andere 3D-CAD Systeme: Zum Speichern/Exportieren von Inventor-Zeichnungen/-Modellen steht ebenfalls eine Reihe von Formaten zur Verfügung. Parasolid, CATIA V5, Pro/Engineer Granite/Neutral und SolidWorks b) Export von Bauteilen und Baugruppen: Inventor-Bauteile können in verschiedenen Formaten gespeichert werden, und zwar als: 14 Typ Art Anwendung *.DWF Vektor 3D, Internet, Browser, Viewer *.BMP Pixel 2D, Bilder *.GIF Pixel 2D, Bilder, Internet, Browser *.IGES Vektor 3D-Austauschformat, 3D-CAD-Programme, Flächen und Volumen *.JPEG Pixel 2D, Bilder, Internet, Browser *.JT Vektor und 3D-Austauschformat, 3D-CAD-Programme, zusätzliche Da- 3D-Produktdaten, Internet, Browser, ten Office-Programme, PLM-Systeme *.PNG Pixel *.SAT Vektor, Kernel 2D, Bilder, Internet, Browser ACIS- 3D-Austauschformat