MVP1 Lösungsbeispiele f. Übung Anwendungsbeispiel

Methoden der Virtuellen
Produktion
Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
A. E. Tekkaya, U. Dirksen, A. Selvaggio
Wintersemester 2008
Design
Produktvision
– Konstruktion, die einen ausreichend dimensionierten
Eindruck erzeugt
Produktleistungsprofil
– Befestigung generell einsetzbar
– Befestigung möglichst selten
– Führungsbereich für die Transportkette notwendig
– Maximales Gewicht des Stückguts
– Dynamische Belastung der Schiene beim Transport
– Fördersystem bleibt in der Ebene (Biegung nur 2D)
– Radienbereich festlegen
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.2
Konstruktion
Parametrische Modellierung
3D-Modellierung
Werkstoff definieren
Profilquerschnitt als 2D-Skizze erstellen
Querschnitt mittels parametrischer Modellierung detaillieren
– Wandstärke
– Parallelität
Aus 2D-Querschnitt mittels Extrusion verschiedene
Schienenkonturen erstellen
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.3
Konstruktion
Featurebasierte Modellierung
Featurebasiertes Ergänzungspaket zur Konstruktion von
Strangpressprofilen vorhanden
Definition von Grundeigenschaften des Profils
– Werkstoff,
– Minimale Wandstärken und Radien
Grundstruktur des Profilquerschnitts auswählen
(L-Profil, Hohlkammerprofil, usw.)
Konfiguration und Hinzufügen von Stegen
Modifikation von Stegen
Definition der Profilkontur mittels Extrusionspfaden
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.4
Simulation
Belastung der Schiene bei verschiedenen Lasten und
Geschwindigkeiten des Stückguts
– Mehrkörpersimulation
Festigkeitsberechnungen, ob die Schiene den auftretenden
Belastungen gerecht wird
– Finite-Elemente Analyse (linear)
– Welche Daten sind notwendig?
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.5
Simulation
Kann die Schiene in den geforderten Konturen gefertigt werden?
– FEA des Fertigungsprozesses (nicht linear), bspw. Biegen des
stranggepressten geraden Profils mittels Drei-Rollen-Biegen
– Erstellung des FE-Modells
• Welche Elemente einsetzen? -> Schalenelement
• Ist eine automatische Modellgenerierung möglich?
– Werkstoffdaten, komplette Geometrie, Vernetzung,
Maschinendaten, Werkzeugdaten (Rollengeometrie),
kompletter Belastungsfall (Drei-Rollen-Biegen mit
Rollenzustellung)
– Featurebasierte Modellierung erleichtert
Modellgenerierung
• Welche Daten fehlen oder wo können sie in den
Entwicklungsprozess integriert werden?
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.6
Simulation
Beschreibung des Profils
4 Knotenelement
Shell181 (Ansys)
• Große Verformungen
• Erlaubt plastische Verformungen
• Änderung der Schalendicke wird berücksichtigt
•…
Profilquerschnitt
WS08/09
Beschreibung als Graph
Beschreibung im FE-Modell
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.7
Simulation
FEA des Drei-Rollen-Biegen
Notwendige
Eingabeparameter
• Profilbeschreibung
• Materialkennwerte
• Zugversuche
• Drei-Punkt-Biegeversuche
• Beschreibung der
Rollengeometrie
• Reibungsparameter
• Numerische Parameter
• Pinball
• Elementdurchdringung
• …
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.8
Simulation
Generierung der Rollengeometrie
Automatische Generierung der Rollengeometrie
Radius vergrößern
Basis für
Rollenquerschnitt
Annäherung durch Polygonzug (Anzahl der
Eckpunkte verringern
oder
Schrägen überführen in Geraden parallel zur
Biegeachse
Arbeitsbereiche
der Operatoren
Geraden parallel zur Biegeachse werden in Richtung
der Mittelachse der Rolle verkleinern
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.9
Optimierung
Zielkriterien
– Kein Versagen (z.B. Risse, Falten, usw.)
– Minimale Querschnittsdeformation
– Minimale Konturabweichung
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.10
Optimierung
Problemfälle beim Biegen
Gründe für
•Querschnittsdeformation
• Verhältnis zwischen Wandstärke und
Gesamtquerschnitt
• Kleine Biegeradien
•…
•Torsion
• Querschnittsgeometrie
ÆAbstand zwischen Schubmittelpunkt und
Schwerpunkt
•…
WS08/09
SM
SP
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
=
=
Schubmittelpunkt
Schwerpunkt
U4.11
Optimierung
Algorithmenwahl
– Metaheuristiken (z.B. Evolutionäre Algorithmen,
Simulated Annealing), da viele Optima existieren
Fitnessfunktion
– Q(P)= Maß der Querschnittsdeformation
– T(P)= Torsion
– Bei einkriterieller Optimierung
F(P)= a1 * Q(P) + a2 * T(P)
Festlegung von Gewichtungskoeffizienten a1, a2
– Bei mehrkriterieller Optimierung
Pareto-Front approximieren
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.12
Optimierung
Ermittlung der Querschnittsdeformation
Ausgangsquerschnitt
Auswahl einer Schnittebene
BiegeProzess
Gütemaß für die
Querschnittsdeformation
Querschnittsdeformation
Gütemaß = Summe der Abstände2
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.13
Optimierung
Ermittlung der Torsion
GT
Ermittlung des Schubmittelpunktes
•
•
•
WS08/09
Einteilung des Profilquerschnittes in einzelne Elemente
Ermittlung des Schubmittelpunktes der Elemente
Berechnung des Schubmittelpunktes des gesamten Profilquerschnittes in Ansys
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.14
Optimierung
Algorithmenwahl
– Metaheuristiken (z.B. Evolutionäre Algorithmen,
Simulated Annealing), da viele Optima existieren
Fitnessfunktion
– Q(P)= Maß der Querschnittsdeformation
– T(P)= Torsion
– Bei einkriterieller Optimierung
F(P)= a1 * Q(P) + a2 * T(P)
Festelegung von Gewichtungskoeffizienten a1, a2
– Bei mehrkriterieller Optimierung
Pareto-Front approximieren
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.15
Optimierung
Measure for the cross section deformation
Approximation of the pareto front
Best result
according the
torsion
4
Approximation of the pareto front
3,5
Start individual
3
2,5
2
1,5
1
Best result according the
cross section deformation
0,5
0
0
2
4
6
8
10
12
Measure for the torsion
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.16
Optimierung
Algorithmenwahl
– Metaheuristiken (z.B. Evolutionäre Algorithmen,
Simulated Annealing), da viele Optima existieren
Fitnessfunktion
Anforderung an Konstruktion
– Definition von geometrischen Randbedingungen
Anforderung an Simulation
– Automatische Durchführung der Simulation,
bei FEA Pre-Processing, Solve, Post-Processing
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.17
Optimierung
Restriktionen beim Profilquerschnitt
1. Kante darf nicht verändert
werden
2. Bereich darf nicht von
einer Kante geschnitten
werden
3. Beschränkung des
Hüllquaders vom
Profilquerschnitt
2
3
4
1
5
4. Beschränkung der
Wandstärke
5. Beschränkung der
Steglänge
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.18
Optimierung
Fertigungsgerechte Modifikationen
Querschnittsdeformation verringern
Führung des
Profils verbessern
Torsion verringern
Ausgangsquerschnitt
Querschnittsdeformation und Torsion werden vergrößert
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.19
Optimierung
Modifikationen am Profilquerschnitt
1. Wandstärke erhöhen/erniedrigen
5. Wand/Steg hinzufügen/ entfernen
700
Ausgangsquerschnitt
Achse y in mm
600
500
400
300
2. Wand
verschieben
(symmetrisch/
4. Wand verlängern/
)
200
der Zeilenabstand
beträgt 6 mm
d.h. bei Bedarf eine
Zeile um diese Maß
nach unten kopieren
100
0
WS08/09
0
10
20
/
30
40
Achse x in mm
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
50
60
U4.20
Knowledge-based Engineering
Konstruktion (featurebasierte Modellierung)
– Wissen über den Fertigungsprozess Strangpressen und
Drei-Rollen-Biegen
– Welche Werkstoffe und daraus resultierende
Fertigungsgrenzen (minimale Wandstärken von Stegen
bzw. Winkel zwischen Stegen)
Simulation
– Elementtyp und Vernetzungsart
– Wo sind Vereinfachungen in der Geometrie möglich
– Ausnutzung von Symmetrien
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.21
Knowledge-based Engineering
Nebenklassen
0
1
0-3 Grund- abgewandelte
form Grundform (HohlHauptprofile mit zenklassen 1-7
trischer Bohrung)
2
abgewandelte
Nebenform (Hohlprofile
mit zentrischer Bohrung)
3
4
Kombinationsunsymmetrische Nebenformbeispiele zwischen
elemente (Hohlprofile mit
nichtzentrischer Bohrung) den einzelnen Hauptund Nebenklassen
10
11
12
13
10/30
20
21
22
23
20/42
30
31
32
33
33/53
40
41
42
43
42/10
50
51
52
53
52/10
60
61
62
63
60/33
7. geschlossene, 70
eckige Hohlprofile
71
72
73
70/43
1. volle, kreisnahe Profile
2. volle, eckige
Profile
3. breite Profile
4. Winkelprofile
5. gekrümmte
Profile
6. geschlossene,
runde Hohlprofile
(nach O. Kienzle)
WS08/09
ud_0551_b
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.22
Knowledge-based Engineering
4 Knotenelement
Shell181 (Ansys)
• Große Verformungen
• Erlaubt plastische Verformungen
• Änderung der Schalendicke wird berücksichtigt
•…
Profilquerschnitt
Beschreibung als Graph
Beschreibung im FE-Modell
ud_0581_b
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.23
Knowledge-based Engineering
ud_0580_b
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.24
Knowledge-based Engineering
Optimierung
– Welche Modifikationsoperatoren können mit welchen
Wahrscheinlichkeiten eingesetzt werden?
– Welche Modifikationsoperatoren können miteinander
kombiniert eingesetzt werden?
WS08/09
MVP I – Übung: Anwendungsbeispiel/Lösungsbeispiele
U4.25