FEM-Berechnungen an volldetaillierten CAD-Modellen

Transcription

Konflikt und Widerspruch in der Abbildung der Realität
© 2010 INNEO Solutions GmbH
Herzlich willkommen beim TCW
Vortragsthema :
Durchführung :
Christoph Bruns
Produktmanager für die Produktsparte Berechnung und Simulation
Kontakt : 07961-890-203 ; cbruns@inneo.de
Inhalte und Ablauf :
- Vorstellung INNEO Solutions GmbH
- Integrierte Produktentwicklung / Simultaneous Engineering
- Einführung in FEM
- Konflikte in der FEM
- Einflussfaktoren auf die Modellkomplexität
- Vereinfachungsstrategien
- Beispiele
Folie 2
FEM-Berechnung an volldetaillierten CAD-Modellen
Christoph Bruns ; 07961-890-203 ; cbruns@inneo.com
© 2010
2009 INNEO Solutions GmbH
INNEO Solutions GmbH – Zahlen und Fakten
Hamburg
Berlin
Birmingham
Hannover
Köln
Leipzig
o Gegründet 1984
Langen
o 12 Niederlassungen in Europa
Stuttgart
o Über 230 Beschäftigte
o Über 3.500 Kunden
Zürich
Ellwangen
München
Lindau
o 40 Mio. EUR Jahresumsatz in 2009
o ISO 9001 zertifiziert
Folie 3
INNEO Highlights
2004
INNEO Solutions
in der Schweiz
2006
2007
2005
Startup TOOLS
Relaunch
INNEO Solutions Ltd.
in Birmingham, England
Microsoft Gold
Partner Zertifizierung
3. TOP 100
Auszeichnung
4. TOP 100
Auszeichnung
2008
Weltweites
Startup TOOLS
Reseller-Netzwerk
2. TOP 100
Auszeichnung
5. TOP 100
Auszeichnung
1. TOP 100
Auszeichnung
2003
2009
INNEO Solutions GmbH
Neuer Geschäftsbereich:
Projektmanagement
Prios Foundation
Markteinführung
6. TOP 100
Auszeichnung
1999
Aufbau eines
professionellen Call
Centers,
heute: „INNEO Infocenter“
1984
Gründung von
ISICAD
1997
Neuer
Geschäftsbereich
Informationstechnologien
1995
1989
PTC verleiht
Exklusivrechte für
Pro/ENGINEERVertrieb
1994
1991
ISICAD-RAND
GmbH
Erweiterung des
Produktportfolios:
CoCreate
Erweiterung des
Produktportfolios:
Pro/ENGINEER
Folie 5
Unsere Lösungen – „Best-in-Class“-Technologien
Produktentwicklung
Informationstechnologien
Projektmanagement
Qualität steigern.
Kosten senken.
Hohe Verfügbarkeit.
Sichere Speicherkonzepte.
Mehr Projekt.
Weniger Management.
o CAD/CAM
o Server, Storage, Backup
o Prozessmanagement
o PDM/PLM
o Archivierungslösungen
o Ressourcenmanagement
o Technische Berechnungen
o Virtualisierung
o Projektcontrolling
o Automatisierungslösungen
o Workstations, Peripherie
o Datenmanagement
o Training und Consulting
o IT-Management
o ERP/CAD-Integration
Folie 8
Kompetent:
Mit Auszeichnung.
Mehr Zeit für´s Wesentliche – mit
unseren ganzheitlichen, individuellen
Lösungen.
o INNEOs Innovationskraft
für Ihre Produktivität und Ihren Erfolg.
o Ausgezeichneter Lösungsanbieter
und zwar einer der Innovativsten in
Deutschland.
…
Folie 12
Kompetent:
Mit Auszeichnung.
Mehr Zeit für´s Wesentliche – mit
unseren ganzheitlichen, individuellen
Lösungen.
„TOP 100 ausgezeichnete Unternehmen wie
INNEO Solutions sichern sich weltweit einen
Spitzenplatz.“
Lothar Späth, Ministerpräsident a.D.
Folie 14
Schnell:
Von Null auf Hundert.
Unsere Schnelligkeit für Ihre
Schnelligkeit – zum Nutzen Ihres
Unternehmens.
„Unsere Entwicklungsprojekte sind seit den
INNEO Tools steuerbar und sehr transparent.“
Uwe Marrack, KUKA Roboter GmbH
Folie 16
Erreichbar:
Immer im Stand-by für Sie.
Probleme?
Bei uns werden sie gelöst.
„Es ist noch nie passiert, dass wir die INNEO
Hotline nicht erreicht haben.“
Stefan Regenfuß, Röder Zelt- und
Veranstaltungsservice GmbH
Folie 18
Servicefreundlich:
Der gute Ton macht´s.
Partnerschaftlicher Umgang nach
innen und außen.
„Die exzellente Kompetenz und das
Engagement der INNEO-Mitarbeiter sind für
unsere Projekte von unschätzbarem Wert.“
Heiko Neumetzler, ADC GmbH
Folie 20
Unsere Kunden sind zufrieden …

Zahlreiche aktive Referenzkunden

Repräsentative Ergebnisse:
Teilnehmerquote in 2009 15,5 %

Bedeutsames und richtungsweisendes
Feedback zu Produkten, Leistungen und
Service
… wir sind zufriedener.
KUKA
Röder
ADC
Sedus Stoll
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INNEO
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Stefan
Regenfuss,
Röder
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Uwe Marrack, KUKA Roboter GmbHVeranstaltungsservice GmbH
Folie 23
INNEO Hotline – Wir sind immer in Stand-by für Sie!

Schnelle Lösungswege mit OnlineWissensdatenbank und OnlineUnterstützung

Ein Ansprechpartner für Software,
Hardware, Peripherie, IT

ISO 9001- und herstellerzertifiziert,
mehrsprachige Hotline mit Sitz in
Deutschland
„Ob Anforderungen, Fragen oder Probleme – INNEO-Mitarbeiter haben
immer ein offenes Ohr für Sie, wenn nötig auch rund um die Uhr. Wir
helfen Ihnen gerne weiter – wann und wo immer Sie uns brauchen.“
INNEO Hotline Team, INNEO Solutions GmbH
Folie 26
Integrierte Produktentwicklung /
Simultaneous Engineering
INNEO Philosophie zur Verbesserung der Produktqualität
Prozessoptimierung durch Projektmanagement
Gezieltes Engineering mit dem richtigen Werkzeug
Folie 31
Integrierte Produktentwicklung: Die Ausgangssituation


Konzeption

Konstruktion

Sequentielle Arbeitsweise
Probleme werden spät erkannt: Lange
und kostenintensive
Iterationsschleifen
Änderungen sind aufwendig,
Produktdaten sind nicht aktuell
Hohes Qualitätsrisiko
bei Änderungen
Fertigung
Montage
Test
Folie 32
Integrierte Produktentwicklung: Das Ideal



Konzeption

Konstruktion
Direkter Zugriff auf aktuelle
Produktdaten
Weniger Fehler und geringer Aufwand
bei Änderungen
Gemeinsames
Kommunikationsmedium
Informationsrückfluss :
kurze Iterationsschleifen
Fertigung
Montage
Test
Integriertes Produktmodell
Folie 33
Integrierte Produktentwicklung:
ideale Vorraussetzungen mit 3D-CAD
Lasten- und
Pflichtenheft
Industriedesign
Systemarchitektur,
Layout
Konzeption
Visualisierung
Beschaffung
Analyse und
Simulation
Qualitätssicherung
Musterbau
Zeichnungen
und Stücklisten
Werkzeugbau
Technische
Dokumentation
NC-Programmierung
Ersatzteilkatalog
Prozessplanung
Folie 34
100
80
Wissen über
das Produkt
(verifizierte
Eigenschaften)
[%]
integrierte Arbeitsweise
sequentielle Arbeitsweise
60
40
Modellbildung
20
Zeit
Konzept Konstruktion Prozessplanung
Fertigung, Prüfung Kunde
Montage
Folie 35
Die Kostenoptimierung im Entwicklungsprozess wird durch folgende
Faktoren bestimmt:

ideales Design
 ideale Funktionalität
(Strukturmechanik, Kinematik, Strömungsverhalten, ...)
 idealer Fertigungsprozess
Weitere Faktoren spielen nur noch eine untergeordnete Rolle.
Mit der Prozessgüte 6-Sigma läßt sich die Qualität kostenoptimiert messen.
Folie 36
Ziel soll es sein:

geometrieoptimierte Funktionalität gewährleisten

Toleranzen fertigungsgerecht und wirtschaftlich festzulegen, um eine
optimale Kostenstruktur zu garantieren

Gesamtheitliches Wissen vom Produkt frühzeitig zusammenführen
–
–
integrierte Arbeitsweise
Simultaineous Engineering
Folie 37
Berechnungslösungen in Pro/ENGINEER
Berechnungs- und Simulationslösungen
am Beispiel von Pro/ENGINEER









Topologieoptimierungen mit HyperShape/Pro
Structural and Thermal Simulation Option
(Pro/MECHANICA)
Kunststoffspritzgusssimulation mit Moldflow
Funktions- und verhaltensgesteuerte
Geometrieoptimierung mit BMX
Bewegungssimulation mit MDX/MDO
Wandstärkenprüfung, detaillierte Abstandsprüfung
und Teilevergleiche mit dem 3D-Caliper
Strömungssimulation
Mathcad – Integration komplexer Mathematik
CAD-gestütztes Qualitätsmanagement und
Toleranzanalyse mit CETOL
Alle können mit der FEM kommunizieren und dabei
einen interdisziplinären Zusammenhang abbilden. Damit
steigt automatisch die komplexität der modelle.
Folie 39
in Pro/ENGINEER
FEM: Topologieoptimierungen mit HyperShape/Pro
Vom Bauraum zur idealen Gestalt
Innerhalb Pro/E:
Bester am Markt
Bauraum modellieren
verfügbarer Solver
Lastfall definieren
Direkter Geometrievorschlag in Pro/E
Nachkonstruktion
Folie 40
in Pro/ENGINEER
Strukturmechanische und thermische Simulation
(FEM mit Pro/MECHANICA)







stationäre, transiente Temperaturfeldberechnungen
statische Analysen
Modalanalysen
Dynamische Analysen (Random, Impuls, Zeit- und Frequenzanalysen)
Nichtlineare Analysen (Kontakt, Große Verformung, ...)
Vorspannungsanalysen
Lebensdaueranalysen
Analysen
Was-Wäre-Wenn-Studien
Optimierungen
Vollständige Integration von Preprocessing, Solver und Postprocessing in Wildfire
Folie 41
in Pro/ENGINEER
Moldflow: FEM-basierende Kunststoffspritzgussimulation
(Marktanteil > 90 %)








geführte Analysedefnitionen
Ermittlung der optimalen Werkstoffverarbeitungsparameter und optimaler
Anspritzpunkte
weltweit einmalig große Materialdatenbank
robuste CAD-Datenverarbeitung mit Schnittstellen zu allen gängigen CAD-Systemen
Schmelzenverlauf, Füllqualitätsvorhersage, Druckverlust, Temperaturverlauf,
Bindenähte, Lufteinschlüsse, Einfallstellen, Haltekräfte, Schussgewicht, …
Einfach- , Mehrfach- und Familienkavitäten rechenbar
Werkzeugplattenabmessungen und Angussgeometrie sicher ableitbar/modellierbar
Optimierung des Angusssystems
(Heisskanal, Kaltkanal, Balancierung des Angusssystems)
Geometrie-, Werkstoffund Angussoptimierung
für beste Füllqualität
Werkzeugseitige
Simulation des
Spritzvorganges
Optimierungen der
Verarbeitungsparameter
und der Angusssystematik
Folie 42
in Pro/ENGINEER
Moldflow: FEM-basierende Spritzprozessoptimierung







in Mold Adviser integriert mit erstklassiger Hilfe und Lernprogramm
erweitert die Ergebnisse der reinen Spritzgusssimulation
Einfallstellen, Volumenkontraktion, Schwindung, Verzug …
berechnet Kühlung durch den Kühlkreislauf mit
ermittelt Kühlkreislaufparameter
Nachdruckphase wird mit einbezogen
Spezialverfahren möglich …
Geometrie-, Werkstoff-,
Kühlkreislauf- und
Angussoptimierung für
beste Füllqualität
Werkzeugseitige
Simulation des
Spritzvorganges
Optimierungen der
Verarbeitungsparameter,
der Kühlung und der
Angusssystematik
Folie 43
in Pro/ENGINEER
Bewegungssimulation mit MDX/MDO kann mit FEM gekoppelt werden








volle Integration in Pro/E
MDX ist in jeder Basis Lizenz von Pro/E vorhanden (Foundation)
Bewegungsabläufe, kinematisch und dynamisch simulieren
Motorenantriebe, Kräfte, Momente, Federn, Dämpfer, Servoantriebe
freie Kontakte, Führungen
vielseitige Ergebnisauswertung (Movie, Diagramme, Tabellen, ...)
dynamische Kollisionskontrolle
Inverse Kinematik (2D + 3D Geometrieableitung)
Intuitive Arbeitsweise
in der Pro/E-Baugruppe
Hierarchische Modellierung
ermöglicht selbst komplexe
Simulationen
Vielseitige Verwendbarkeit von Beginn an
für jeden Anwender
Folie 44
in Pro/ENGINEER
Funktions- und verhaltensgesteuerte Geometrieoptimierung mit BMX







volle Integration in Pro/E (als optionales Modul oder in Paketen enthalten; z.B. in Flex3C)
Funktions- und Verhaltensregeln durch Beziehungen und Berechnungen einbinden
Verknüpfung verschiedener Analysen in eine Modellierungsstrategie
Automatisierte Designkontrolle durch Analyse-Kes
Einbindung von Excel-Analysen, MDO-Analysen, ProMECHANICA-Analysen
Steuerung von Parametern durch verschiedene Analysen
Einflussstudien, Multizielstudien, Optimierungen
Vorgabengesteuerte
Konstruktionselemente
Analyse der Baugruppenfunktion + Problemlösungen durch
Studien des Änderungsverhaltens zielorientiertes Konstruieren
Folie 45
in Pro/ENGINEER
Mathcad – Integration von komplexer Mathematik in die Produktentwicklung








Verknüpfung von Mathcad-Berechnungen mit BMX zur Steuerung von CADKonstruktionen
leicht erlernbare Bedienung
umfangreiche Dokumentationsfähigkeit in
verständlicher Notation
Abbildung komplexer Mathematik
Wissensdokumentation in technischen Abläufen
Nutzung von Arbeitsblättern als Projektvorlagen
XML-basierende Dokumentenstruktur ermöglicht
volle Windchill Verwaltungsmöglichkeiten
Integration komplexer
Mathematik
Hochwertige
Solverfunktionalität
für Experten
Wissensdatenbank für
voll dokumentierte technische
Berechnung
Folie 46
in Pro/ENGINEER
Toleranzoptimierung mit CETOL 6 Sigma






volle Integration in Pro/E und CATIA V5
funktionale Zusammenbaukinematik direkt aus Pro/E
Maßkettenableitung und Toleranzvergabe flexibel und bidirektional
assoziativ
Worst-Case-Berechnung uns statistische Vorhersage des möglichen
Ausschusses
welches Maß hat den größten Einfluß auf das Qualitätskriterium
direkte Einbindung der Arbeitsvorbereitung und des
Qualitätsmanagements durch Verknüpfung der
Prozessfähigkeitswerte aus einer zentralen Datenbank
in der Pro/E-Baugruppe
Hierarchische Modellierung
ermöglicht selbst komplexe
3D Toleranzsimulationen
Toleranzoptimierungen auch
unabhängig von Pro/E möglich
Folie 47
in Pro/ENGINEER
Wandstärkenprüfung, detaillierte Abstandsprüfung und Teilevergleiche mit
dem 3D-Caliper





misst Abstände in einer vorgegebenen Geometrie zur
Wandstärkenprüfung, Abstandsanalyse und dem Bauteilvergleich
automatische Dokumentation
direkte Kennzeichnung gefährdeter Stellen in der Geometrie
in Pro/E
Vielseitige Verwendbarkeit für
unterschiedliche Aufgaben:
Druckguss, Spritzguss, Einbaukontrollen
Folie 48
in Pro/ENGINEER
FEM - Strömungssimulation






Strömungssimulation, Simulation von Erwärmungsund Kühlprozessen, Mischungen
laminare + turbulente Strömung
kompressible + inkompressible Medien
Wärmeaustausch
Direkte Modelldefinition
in Pro/E
Vollwertige Solverfunktionalität für Experten
Folie 49
FEM – vereinfachte Darstellung des Prinzips
Einführung
(σ)
Spannungs- Dehnungsdiagramm
Hook´sches Gesetz:
Spannung

σ= ε E
τ= γ G
Zug
Scherung
Linearer Bereich
Dehnung (ε)
σ (sigma)
Normalspannungen [ N / m2 ] or [ lbf / in2 ] or [ Kraft / Fläche ]
ε (epsilon) Dehnung
γ (gamma) Scherwinkel
[ in / in ] or % Dehnung
[rad]
E
E-Modul (Young’s modulus) [ N / m2 ] oder [ lbf / in2 ] oder [ Kraft / Fläche ]
G
Schermodul [ N / m2 ] oder [ lbf / in2 ] oder [ Kraft / Fläche ]
Folie 51
Einführung

Spannungs- Dehnungsdiagramm
Normalspannungen
Belastete Region ist normal
oder im rechten Winkel zur Lastebene
Scherspannung
Zugkraft
Belastete Region ist parallel
zur Lastebene
Normalspannung
Scherspannung
Zugkraft
Zugkraft
Folie 52
Einführung

Weitere Spannungsarten:
Druckkraft
Biegespannungen
Lagerdruck
Biegemoment
+
Normalspannung
Kontaktdruck
Ringspannungen
Ringspannungen
Normalspannung
Zugkraft
Zugkraft
und
Innendruck
Folie 53
Einführung
σz

3D-Spannungen
τzy
τzx
τ
τyz
σy
xz
τxy
τyx
σx
Für
die
Beurteilung
des
Materialversagens
ist
sehr
komfortabel
alle
Spannungskomponenten in eine Betragsfunktion zusammen zu fassen (von Mises stress)
σeq:
σeq = 0.5 * [(σx − σy ) 2 + (σy − σz ) 2 + (σz − σx ) 2 ] + 3 * (τxy 2 + τyz 2 + τzx 2 )
Der Sicherheitsfaktor wird dann wie folgt ermittelt :
FS =
σ max allowable
σeq
mit σeq Vergleichsspannnungen und σ max als die maximal zulässige Spannung
Folie 54
FEM Überblick

Load
Load
Grundgleichung für Spannungen.
σ = F/A

Geometriefaktoren ergänzen diese
Grundgleichung.
σ = kconc F/A
Load

Bei umfangreicheren Geometrien ist
eine exakte Spannungsberechnung
nicht mehr möglich.
σ=?
Folie 55
FEM Überblick
Spannung = ??
Verformung = ??
Feste
Einspannung
Anheben mit einer
definierten Kraft
Es gibt keine exakte Formel, die diese Aufgabe
strukturmechanisch, modal oder gar thermisch
berechnen kann
Folie 56
Modellbildung in der FEM
Bekanntes Bauteilverhalten
Bauteilverhalten = ??
Das Grundprinzip in der FEM ist es, eine Geometrie in viele kleine
Regelkörper mit bekanntem Verhalten zu unterteilen.
Folie 57
Vernetzungsprozess
Geometrie
H-Element Netz
Folie 58
aus Steinke: „Finite-Elemente-Methode“
Folie 59
Ergebnisqualität in der FEM
Element/Netz-Dichte
A
B
Rundung
B
A
Tatsächliche Spannungsverteilung
Folie 60
Element/Netz-Dichte
Max. Spannung nicht gefunden
A
B
10 Elemente entlang der Rundung
A
B
Folie 61
Element/Netz-Dichte
Maximum gefunden
A
B
40 Elemente entlang der Rundung
A
B
Folie 62
Netzqualität an einfachen Beispielen
Biegebalken, model 1
Sehr schlechtes Ergebnis
Genauso schlecht
Besser !
Balkengröße: 10” x 1” x 1”
E-Modul: 30,000,000 psi
Last: 150 lb. am Ende
Theorie max. Verformung: 0.2”
Theorie max. Spannung: 90,000 psi
Akzeptables Ergebnis
model #
D.O.F.
FEA deflection
[in]
deflection
error
[%]
FEA
stress
[psi]
stress
error
[%]
1
40
0.1358
32
1,500
98
2
120
0.1791
10
39,713
56
3
400
0.1950
2.5
65,275
27
4
1440
0.1996
0.2
80,687
10
Folie 63
Elementierung
Vergrößerung des Kantenwinkels an einem Quad Element
90
95
100
Korrekte Antwort
10 % Unterschied
Abweichende
Antwort
90
95
100
105
Kantenwinkel
110
Folie 64
Ansatzfunktion in der Elementierung
1. lineare Ansatzfunktionen
α = Partielle _ Ableitungen
2. quadratische Ansatzfunktionen
u = α 1 + α 2 ⋅ x + α 3 ⋅ y + α 4 ⋅ x 2 + α 5 ⋅ y 2 + α 6 ⋅ xy
v = α 7 + α 8 ⋅ x + α 9 ⋅ y + α 10 ⋅ x 2 + α 11 ⋅ y 2 + α 12 ⋅ xy
u = α1 + α 2 ⋅ x + α 3 ⋅ y
Diese Ansätze sind sogenannte vollständige Ansätze, da
alle Bestandteile vollständig beschrieben werden
können.
Beispiel Biegung :
v = α 4 + α5 ⋅ x + α6 ⋅ y
Beispiel Zug/Druck :
∂u
= α 2 + 2α 4 ⋅ x + α 6 ⋅ y
∂x
σ x ≈ ε x ≈ α 2 + 2α 4 ⋅ x + α 6 ⋅ y
εx =
∂u
= α 2 = konst
∂x
σ x = E ⋅ ε x = E ⋅ α 2 = konst
εx =
Folgerung : Zug/Druckspannungen werden
mit linearen Ansatzfunktionen exakt
berechnet. Verwendbares Element sollte 3
Knoten haben z.B. TRIM3 = Triangulare
Membrane.
Folgerung : Biegespannungen werden mit
quadratischen Ansatzfunktionen exakt berechnet. Das
verwendete Element sollte ein Dreieckselement mit 6
Knoten sein (z.B. TRIM6). Bei der Verwendung von
Viereckselementen wird mit einem "Trick" ein
gewisser Bestandteil der Funktion weggelassen, so
dass sich die Funktion unvollständig darstellt
(kalkulierbarer Genauigkeitsverlust).
Folie 65
Ansatzfunktion in der Elementierung
3. Kubische Ansatzfunktionen
4. Ansatzfunktionen höherer Ordnung
Erweiterung der Ansatzfunktion um
kubische Anteile in der gleichen Weise, wie
in der quadratischen Ansatzfunktion.
Die Folge ist eine exakte Berechnung der
Querkraftschubspannungen. Das
notwendige Element müsste 10 Knoten
(einen davon im Schwerpunkt) besitzen,
was es aber in der Praxis nicht gibt und so
wird auf ein 9-knotiges Viereckselement
zurückgegriffen und der
Genauigkeitsverlust über die
Elementanzahl in der kritischen Region
gesteuert.
In der P-Methode werden solche
Ansatzfunktionen verwendet, um einerseits die
durch die Mathematik bedingten
Einschränkungen zu vermeiden, aber viel
mehr noch um durch die Anzahl der
bekannten Größen die Approximationsräume
zu verkleinern, was in der H-Methode (lineare
und quadratische Ansätze) nur mit der
Erhöhung der Elementanzahl in einem
bestimmten Bereich erreichbar ist.
Folie 66
Methoden des Verschiebungsansatzes
H-Code






P-Code
Anwender legt Elemente fest mit
vorgeschriebener Ansatzfunktion
(linear oder quadratisch)
viele kleine Elemente:
500-50,000+
Konvergenz nur mit Nachvernetzung
erreichbar (Erhöhung der
Elementanzahl)
Eine Rechnung = ein Ergebnis mit
unbekannter Genauigkeit
Automatische Vernetzung erzeugt
häufig unzureichende Elemente
Manuelle Optimierungen







Variable Elementordnung (1-9), die
automatisch angepasst werden und zur
höchstmöglichen Genauigkeit führen
Wenige große Elemente
50-500
Konvergenzberechnung ist Bestandteil
jeder Analyse und wird mit der Erhöhung
des Polynomgrades der Elemente erreicht
Eine Rechnung = automatische
Iterationen, um die gewünschte
Genauigkeit zu erreichen
Automatische Vernetzung ist i.d.R.
akzeptabel und wird durch die
hochwertigen Elemente sehr genau
Automatisierte Optimierung
Weniger multiphysikalische Möglichkeiten
Folie 67
65 Elemente
Seitenverhältnis > 3
Folie 68
Fall 1: Kerbe unverrundet
Fall 1: Kerbe verrundet
Folie 69
Spannung an Punkt
Steigende Elementanzahl im
Bereich der Kerbe.
In rot das Ergebnis der Spannung
mit verrundeter Kerbe.
Zahl der Elemente
Verschiebung an Punkt
In grün der Bereich ± 10%.
Zahl der Elemente
Folie 70
Maximale Spannung
Steigende Elementanzahl im
Bereich der Kerbe.
In rot das Ergebnis der Spannung
mit verrundeter Kerbe.
Zahl der Elemente
Maximale Verschiebung
In grün der Bereich ± 10%.
Zahl der Elemente
Folie 71
Netzqualität an realen Aufgaben
Region der maximalen Spannungen
Turbinenschaufel
Pro/MECHANICA
FEM (H-Code)
Nur eine Näherung an die Geometrie
Präzise Abbildung der Geometrie
Folie 72
Netzqualität an realen Aufgaben
FEA Run 1
FEA Run 2
FEA Run 3
Manuell
Elemente: 2710
Max Spannung: 466 psi
Manuell
Elemente: 9057
FEA Run 4
Manuell
Elemente: 12714
Elemente: 42460
Dauer bis zur akkuraten Lösung
Pro/MECHANICA
FEA
Max Stress
(psi)
Pro/MECHANICA
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Automatische
Adaptivität
garantiert
genaue
Ergebnisse
The right
answer
faster
0
10
30
45
80
Time
130 (min.)
Max. Spannung = 783 psi
Folie 73
Analysen in der FEM
Nichtlineare Analysen
Nichtliniaritäten
Nichtliniare Verbindungen
Beispiele
Kontaktdruck, Zug- Druckverbindungen
Versetzte oder
überdimensionierte Lasten
Belastungen, die die elastische Stabilität des
Bauteiles verursachen (z.B. Beulen)
Geometrische Nichtliniarität
Verformungen, die eine signifikante Änderung der
Bauteilsteifigkeit verursachen (large deflections)
Spannungen, die außerhalb der Hook´schen
Geraden liegen (keine Proportionalität von σ/ ε)
Große und plastische Verformungen
Material Nichtliniarität
Kombinierte Nichtliniarität


Die tägliche Praxis zeigt, dass nichtlineare Analysen 2 bis 3 Größenordnungen
komplizierter, teuerer und zeitintensiver sind als lineare Berechnungen.
Nichtlineare Analysen werden i.d. Regel an Spezialisten weitergegeben und nicht in
der Konstruktion begleitend gelöst.
Folie 74
Simulation durch den Entwickler
Frühzeitiges Verständnis und Verbesserungen
 Probleme werden frühzeitig in einer Phase geringer Änderungskosten
erkannt
 Untersuchungen vieler funktionaler Konzepte filtert gute und schlechte
Entwürfe
 weniger aufwendige Berechnungszyklen durch Spezialisten
 Die Entwicklung ist noch funktionsorientierter
 Mehr Möglichkeiten für Simulationen insgesamt
 Der Konflikt
Zeitgrenze
Komplexitätsgrenze
Zeit
„Anfänger“
Idealer Anwender
Modellkomplexität
Folie 75
Typische Aufgaben - Bestätigung der Verbesserungen
?
?
?

Was sind die Auswirkungen bei entscheidenden Geometrieänderungen?
 Welches ist die beste Geometrie?
Folie 76
Änderung des Bauteilverhaltens
Typische Aufgaben - Sensitivitätsstudien und Optimierungen
Änderung der Geometrie
Sensitivitätsstudien und Optimierungen geben die Antwort auf:

Welchen Einfluss haben Änderungen auf das Bauteilverhalten?
 Was ist die beste Kombination von Änderungen, die mein Bauteil
verbessern ?
Folie 77
Anforderungen an die Software

Ease of Use
 Vertrauen in genaue Ergebnisse
 Verbesserung der Bauteile und Baugruppen
 Soll den „Konflikt entschärfen“
Zeitgrenze
Komplexitätsgrenze
Zeit
„Anfänger“
Idealer Anwender
Modellkomplexität
Folie 78
Vernetzbarkeit und Modellkomplexität
Kleine „Geometriefehler“ oder Details führen schnell zu einer hohen Komplexität
Die Lösung ist häufig nur mit einer Geometriereperatur möglich
Durchdringende Flächen
repariert mit
„Pflastertechnik“
Folie 79
Vereinfachungsstrategien
Ziel:

Weniger Elemente bzw. Freiheitsgrade
 Kleinere Gleichungssysteme
 kürzere Berechnungszeiten
 Ausgrenzung „schädlicher“ Geometriebestandteile
Nachteil:

Details gehen verloren
 Ergebnisse können dadurch verfälscht werden
 Der Anwender benötigt ein gutes Fachwissen und Erfahrung
Folie 80
Elementtypen zur Vereinfachung und Idealisierung:





Balken, Stabelemente
Federelemente
Massenelemente
Schalenelemente
2D-Idealisierungen
Nachteil:

Die jeweiligen Elementtypen können nur bei bestimmten
Voraussetzungen verwendet werden
 Die Ergebnisauswertung kann elementbedingt begrenzt sein
 Ergebnisdarstellungen können aufgrund der Elementcharakteristik
irritierend aussehen (z.B. Balken werden dann nur als dünne Striche
dargestellt)
Folie 81
2D-Modellidealisierungen:

2D ebener Spannungszustand
 2D ebener Dehnungszustand
 2D Achsensymetrisch
Nachteil:

Die jeweiligen Idealisierungen können nur bei bestimmten
Voraussetzungen des Lastfalles und der Geometrie verwendet werden
 Die Ergebnisauswertung kann Elementbedingt begrenzt sein
 Ergebnisdarstellungen können aufgrund der Elementcharakteristik
irritierend aussehen (z.B. nur ebene Ergebnisdarstellung möglich)
Folie 82
Symmetrie:

Gespiegelte Symmetrie
 Zyklische Symmetrie
1679 Elemente
125 Elemente
Nachteil:

Die Symmetrie kann nur bei bestimmten Voraussetzungen des Lastfalles,
der Geometrie und des Materials verwendet werden
 Die Ergebnisauswertung ist nur auf den Modellbereich begrenzt
 Ergebnisdarstellungen können aufgrund der fehlenden
Geometrie irritierend aussehen (z.B. nur ebene
Ergebnisdarstellung möglich)
Folie 83
110846 Elemente
Vereinfachungstechniken an der Geometrie:

Nicht relevante Geometriedetails entfernen
 Folientechniken
 Vereinfachte Darstellungen
8130 Elemente
Nachteil:

Ist stark Anwenderabhängig (Entscheidung wann ist was wichtig)
 Die Ergebnisauswertung ist nur auf den dargestellten Modellbereich
begrenzt
 Ergebnisdarstellungen können aufgrund der fehlenden Geometrie
irritierend aussehen
 Ergebnisse können bei falscher Umsetzung auch stark verfälscht sein
(z.B. fehlender Kerbradius)
Folie 84
1. Beispiel für Vereinfachungsstrategien
Aufgabenstellung zur Lebensdauerberechnung kritischer Bauteile einer Radaufhängung
1. Untersuchung des unteren Querlenkers Lebensdauerbeständigkeit
2. Optimierung der Lebensdauer
Ablauf:
1. Statische Analyse
2. Fatigue Analyse
3. Optimierung
Modell:
Querträger = Schalenmodell
Radaufhängung (Gussteil) = Volumenvernetzung
Randbedingungen und Lasten werden aus der Kinematischen Simulation entnommen
Folie 85
Aufgabenstellung zur Lebensdauerberechnung kritischer Bauteile einer Radaufhängung
Folie 86
knuckle_vm.avi
Schweisskonstruktion eines Stahlgerüsts
Aufbauten wurden als Massenelemente mit Gravitation idealisiert.
Träger
Bleche
Gitter und Geländer
>>
>>
>>
Schalen oder auch Balkenelemente
Schalenelemente
Balkenelemente
Folie 87
knuckle_vm.avi
Schweisskonstruktion eines Stahlgerüsts
Verformung überhöht dargestellt
Folie 88
knuckle_vm.avi
Ein Werkzeug mit 2 Platten soll mit einem Innendruck von 16 N/mm²
beaufschlagt werden. Wie groß sind die Spannungen und Verformungen in
der Baugruppe?
Folie 89
knuckle_vm.avi
Symmetrie und Innendruck
Folie 90
Ergebnisse der Vergleichsspannung
Folie 91
Laminatwabenteil als Schalenmodell
Folie 92
Beispiel zum Simulationsprozess
Integrierte Modellierung des
Lastfalles:
Direkte Verwendung der
Baugruppe. Keine
Schweißnahtmodellierung
notwendig, da alles aus der
Baugruppe übernommen wird
und rechenbar ist.
4 Festlager an der Unterseite.
Folie 93
Lastfalles:
Direkt auf die CAD-Geometrie
bezogene Lastdefinition, mit
vielseitigen Möglichkeiten der
Verteilungsform.
2 Lagerlasten mit der
automatischen Grundfunktion
der Hertzschen Pressung.
Folie 94
Hohe Genauigkeit:
Die exakte Vernetzung mit
Geometrieelementen, die im
Zusammenhang mit der
adaptiven Konvergenzmethode
des Gleichungslösers, erzeugt
die nachweisbar höchste
Genauigkeit im Markt.
Dies bedeutet einen geringen
Aufwand und hohe Sicherheit
bei der Ergebnisinterpretation
für den Anwender.
Folie 95
Hohe Genauigkeit:
Umfangreiche
Auswertungsformen und
automatische
Dokumentationen erleichtern
die Projektarbeit erheblich.
Folie 96
Lastfalles:
Direkte Verwendung der
Baugruppe. Keine
Schweißnahtmodellierung
notwendig, da alles aus der
Baugruppe übernommen wird
und rechenbar ist.
4 Festlager an jeder Seite.
Folie 97
Lastfalles:
Direkt auf die CAD-Geometrie
bezogene Lastdefinition, mit
vielseitigen Möglichkeiten der
Verteilungsform.
Lagerlast mit der
automatischen Grundfunktion
der Hertzschen Pressung
(o.li.).
Asymmetrische Flächenlasten
(u.re.).
Folie 98
Hohe Genauigkeit:
Die exakte Vernetzung mit
Geometrieelementen, die im
Zusammenhang mit der
adaptiven Konvergenzmethode
des Gleichungslösers, erzeugt
die nachweisbar höchste
Genauigkeit im Markt.
Dies bedeutet einen geringen
Aufwand und hohe Sicherheit
bei der Ergebnisinterpretation
für den Anwender.
Folie 99
Hohe Genauigkeit:
Umfangreiche
Auswertungsformen und
automatische
Dokumentationen erleichtern
die Projektarbeit erheblich.
Folie 100
Entwicklung und Hardware
Rechenzeit
Entwicklung der Rechenzeit in den letzten 2 Jahren
Folie 101
Rechenzeit
Entwicklung der Rechenzeit in Abhängigkeit des Busbreite
Folie 102
Rechenzeit
Entwicklung der Rechenzeit in Abhängigkeit des Arbeitsspeichers
Folie 103
Rechenzeit
Entwicklung der Rechenzeit in Abhängigkeit der Taktfrequenz
Folie 104

FEM-Berechnungen an volldetaillierten CAD-Modellen

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