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Finite-Elemente-Methoden mit CATIA V5 / SIMULIA

Berechnung von Bauteilen und Baugruppen in der Konstruktion

AutorWerner Koehldorfer
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl398 Seiten
ISBN9783446423268
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis47,99 EUR

Dieses Grundlagen- und Praxisbuch beschreibt Konstrukteuren, die mit CATIA V5 arbeiten, die Berechnungsmöglichkeiten von Bauteilen und Baugruppen mit dem CATIA-FEM-Modul. Da ungefähr 80 Prozent der gesamten Produktkosten bereits in der Konstruktionsphase festgelegt werden, ist dort eine eingehende Strukturanalyse nahezu unerlässlich. Das Buch zeigt FEM-Einsteigern als auch erfahrenen Anwendern und Studenten technischer Fachrichtungen die Arbeitsweise bei der Durchführung von Berechnungen. Es beginnt mit der Definition der mechanischen Randbedingungen, stellt die unterschiedlichen Analysemöglichkeiten dar und erläutert die Auswertungen der Ergebnisse. Anhand zahlreicher Übungsbeispiele werden einfache und komplexere Anwendungen der praktischen FEM-Analyse erklärt. Diese Übungen sind im Internet abrufbar. Die 3. Auflage ist auf CATIA V5 Release 19 aktualisiert und im Umfang erweitert. Neu aufgenommen ist u.a. ein Kapitel zur Strömungssimulation.

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Leseprobe

1 Einleitung (S. 1-3)
Ziel dieses Buches ist es, allen Konstrukteuren, die mit CATIA V5 arbeiten, die Berechnungsmöglichkeiten von Bauteilen und Baugruppen mit dem FEM-Modul vorzustellen. Es ist für den Konstrukteur von entscheidender Bedeutung, in der Konstruktionsphase eine Vordimensionierung der Bauteile vorzunehmen, um ein den Anforderungen gerecht werdendes und kostenoptimiertes Produkt zu entwickeln. Eine detaillierte Strukturanalyse, die oft erst von speziellen Abteilungen in einem Unternehmen im Anschluss an die Konstruktion durchgeführt wird, erfordert sehr viel Zeit und bringt etliche Schnittstellenprobleme mit sich.

Es empfiehlt sich daher, bereits in der Konstruktionsphase eine FEM-Analyse durchzuführen. Dazu ist ein einfach zu handhabendes Programm erforderlich, das nach Möglichkeit die gleiche Datenbasis wie die Konstruktion verwendet. Das CAX-System CATIA V5 bietet ein solches Analysemodul. Es können damit einfache FEM-Berechnungen bis hin zu einer detaillierten Strukturanalyse durchgeführt werden. Der große Vorteil besteht in der einfach zu handhabenden intuitiven Benutzeroberfläche und im gänzlichen Wegfall der Schnittstellenproblematik. Die FEM-Berechnungen werden mit den Daten der Konstruktion durchgeführt, Verbesserungen können sofort einfließen und unterschiedliche Varianten auf einfache Weise verglichen werden.

Mit dem Release 19 wurde nunmehr auch die einzige vorhandene Lücke, nämlich nichtlineare Simulationen nicht durchführen zu können, geschlossen. Es ist nunmehr möglich, alle Arten von geometrischen Nichtlinearitäten als auch von nichtlinearem Materialverhalten bis hin zu hyperelastischen Materialien wie Gummi in die Simulation mit einzubeziehen. Möglich wurde dies durch die Integration von Abaqus in die CATIA-Umgebung.

1.1 Arbeitsumgebungen
In CATIA V5 gibt es mehrere Arbeitsumgebungen im Bereich der FEM-Analyse. Diese sind:

- Die GPS-Arbeitsumgebung (Generative Part Structural Analysis)

- Die GAS-Arbeitsumgebung (Generative Assembly Structural Analysis)

Diese beiden Arbeitsumgebungen haben eine gemeinsame Oberfläche, und die verfügbaren Funktionalitäten hängen von der jeweils vorhandenen Lizenz ab. Beide gehören zum Bereich der Analyse und Simulation.

Die weiteren Arbeitsumgebungen im FEM-Bereich sind:

- Die Arbeitsumgebung „Advanced Meshing Tools“

- Die Arbeitsumgebung „Fluent for CATIA“

- Die Arbeitsumgebung „ANL Abaqus Nichtlinear“

- Die Arbeitsumgebung „ATH Abaqus Thermisch“

Die Arbeitsumgebung „Advanced Meshing Tools“ bietet die Möglichkeit, ein FEMNetz selbst zu generieren. Dazu stehen alle gängigen finiten Elemente zur Verfügung. Die Arbeitsumgebungen Fluent for CATIA, ANL und ATH sind Produkte der Simulationssoftware Simulia und direkt in die CAD-Umgebung eingebettet.

In diesem Buch wird detailliert auf die einzelnen Arbeitsumgebungen eingegangen, und die angebotenen Funktionen werden beschrieben.

1.2 Aufbau des Buches
Das Buch beginnt mit einer kurzen Erläuterung der theoretischen FEMBerechnungsgrundlagen. Danach wird der Aufbau der GPS-Oberfläche erklärt. Im Anschluss daran werden die notwendigen Arbeitsschritte bei der Durchführung einer FEM-Analyse beschrieben. Diese beginnen mit der Materialdefinition und gehen über die Definition der Randbedingungen sowie der Lasteinleitung bis zur Berechnung und Auswertung der Ergebnisse. Es erfolgt auch eine genaue Beschreibung der verfügbaren finiten Elemente.

Anhand von Übungsbeispielen werden die FEM-Berechnungen sowie die möglichen Analyseprozesse erklärt.

Dann wird auf die Berechnungsmöglichkeiten mit Simulia eingegangen. Auch zu dieser Thematik der nichtlinearen Simulationen gibt es eine Reihe von konkreten Anwendungsbeispielen.

Weiter wird auf die Berechnung von Baugruppen eingegangen. Es werden die Möglichkeiten zur Definition der mechanischen Bauteilverbindungen beschrieben. Abschließend werden komplexere Übungsbeispiele zu dieser Thematik behandelt.

Inhaltsverzeichnis
Inhalt8
1 Einleitung12
1.1 Arbeitsumgebungen12
1.2 Aufbau des Buches13
1.3 Internet-Link14
2 Theoretische Grundlagen16
2.1 Finite Elemente des elastischen Kontinuums -Verschiebungsansatz16
2.2 Beispiel einer FEM-Berechnung19
3 Arbeitsumgebung GPS22
3.1 Vorbereitung einer GPS-Analyse24
3.2 Die Materialbibliothek25
3.2.1 Anlegen einer neuen Materialfamilie26
3.2.2 Anlegen eines neuen Materials26
3.2.3 Sonstige Icons in der Material Library26
3.2.4 Übungsbeispiel Material Library26
3.2.5 Pfadeingabe für den neuen Materialkatalog29
3.2.6 Materialzuordnung31
3.3 Vorgangsweise bei der Berechnung32
3.3.1 Definition der gewünschten FEM-Analyse33
3.4 Einstiegsbeispiel für GPS34
3.4.1 Aufgabenbeschreibung34
3.4.2 Öffnen des Startmodells35
3.4.3 Auswahl des Analyseprozesses35
3.4.4 Randbedingungen zur Bauteillagerung35
3.5 Standardeinstellungen für GPS43
3.5.1 Spannungen in der Einheit MPa43
3.5.2 Generelle Standardeinstellungen von GPS44
3.5.3 Festlegen der Speichereinstellungen47
3.6 Der CATIA ELFINI Solver48
3.7 Möglichkeiten der Vernetzung49
3.7.1 Beam-Elemente (1D-Elemente)49
3.7.2 Schalenelemente (2D-Elemente)49
3.7.3 Tetraederelemente (3D-Elemente)50
3.8 Der Abaqus Solver50
4 Definition der Randbedingungen52
4.1 Bedingungen direkt auf Bauteilgeometrie53
4.1.1 Feste Einspannung54
4.1.2 Flächenloslager55
4.1.3 Erweiterte Bedingung (Allgemeine Definition)57
4.1.4 Isostatische Randbedingung60
4.2 Virtuelle Elemente60
4.2.1 Starres virtuelles Teil61
4.2.2 Bewegliches virtuelles Teil62
4.2.3 Virtuelles Kontaktteil63
4.2.4 Beispiel zur Anwendung virtueller Teile64
4.2.5 Virtuelles Teil mit starrer Feder73
4.2.6 Virtuelles Teil mit beweglicher Feder74
4.3 Randbedingungen über virtuelle Teile75
4.3.1 Loslager76
4.3.2 Gleitdrehpunkt76
4.3.3 Kugelgelenkverbindung77
4.3.4 Drehpunkt78
4.4 Zusammenfassende Übersicht78
4.5 Berücksichtigung von Bauteilsymmetrien79
4.5.1 Symmetrierandbedingung79
4.5.2 Periodizitätsbedingung80
5 Definition der Lasteinleitung84
5.1 Druck85
5.2 Verteilte Last86
5.3 Moment89
5.4 Lagerlast92
5.5 Importierte Kraft93
5.6 Importiertes Moment95
5.7 Streckenlast95
5.8 Flächenlast96
5.9 Körperkraft98
5.10 Dichte der Kraft99
5.11 Beschleunigung100
5.12 Rotation101
5.13 Erzwungene Verschiebung103
5.14 Temperaturfeld105
5.15 Zusammenfassende Übersicht110
6 Durchführung der Berechnungen112
6.1 Erster Rechenschritt112
6.2 Netzverfeinerung und weitere Berechnung114
6.3 Überprüfung der Genauigkeit116
6.4 Strategien bei der FEM-Analyse119
6.4.1 Qualitative Prüfung der Ergebnisse120
6.4.2 Variantenvergleich bei verfeinertem Netz120
6.4.3 Lokale Spannungsuntersuchungen120
6.5 Berechnungsmethoden im ELFINI-Solver120
6.5.1 Der Gauß-Algorithmus121
6.5.2 Das Gradientenverfahren121
6.6 Verfügbare FEM-Analysen122
6.6.1 Statischer Prozess122
6.6.2 Durch die Statik erzwungene Frequenzen123
6.6.3 Frequenzprozess124
6.6.4 Beulprozess134
6.6.5 Kombinierter Prozess139
6.6.6 Dynamische Schwingungsprozesse141
7 Auswertung der Ergebnisse146
7.1 Darstellung des Netzes146
7.2 Von-Mises-Vergleichsspannungen147
7.3 Darstellung der Verformungen151
7.4 Darstellung der Hauptspannungen153
7.4.1 Die Normalspannungshypothese155
7.4.2 Die Schubspannungshypothese155
7.4.3 Die Gestaltänderungsenergiehypothese155
7.5 Darstellung der Genauigkeit161
7.6 Analysetools162
7.6.1 Animieren162
7.6.2 Schnittebenenanalyse163
7.6.3 Maßstabsfaktor der Verformung163
7.6.4 Extremwert bei Bild164
7.6.5 Informationen164
7.6.6 Bildlayout165
7.7 Symbolleiste Analyseergebnisse166
7.7.1 Bericht der Basisanalyse167
7.7.2 Verbesserter Bericht167
7.7.3 Protokoll der Berechnungen169
7.7.4 Listenbericht169
7.8 Sensoren170
7.8.1 Reaktionssensor170
7.8.2 Globaler Sensor171
7.8.3 Lokaler Sensor172
7.8.4 Werte für Sensoren anzeigen174
8 Verfügbare Finite Elemente176
8.1 1D-Elemente (Balkenelemente)176
8.1.1 Vorgangsweise bei der Vernetzung176
8.1.2 Zuordnung von Eigenschaften177
8.1.3 Berechnung mit Balkenelementen181
8.2 2D-Elemente (Schalenelemente)182
8.2.1 Vorgangsweise bei der Vernetzung183
8.2.2 Zuordnung der Eigenschaften185
8.2.3 Berechnung mit Schalenelementen185
8.2.4 Definition veränderlicher Wandstärken186
8.3 Viereckige Schalenelemente (2D-Elemente)187
8.3.1 Vernetzung mit viereckigen Schalenelementen188
8.3.2 Qualität des Netzes überprüfen193
8.3.3 Netz editieren195
8.3.4 Berechnung mit Schalenelementen197
8.4 3D-Elemente (Tetraederelemente)199
8.4.1 Lineare Tetraederelemente (TE4)199
8.4.2 Das parabolische Tetraederelement (TE10)200
8.4.3 Unterschiede von TE4- und TE10-Elementen200
8.5 Hexaederelemente (3D-Elemente)201
8.6 Neuerungen in CATIA V5R14204
8.6.1 Tetraeder Filler204
8.6.2 Erweiterte Möglichkeiten bei der Hexaedervernetzung210
9 Übungsbeispiele GPS222
9.1 Stahlplatte mit Bolzenverbindung222
9.2 Kipphebel228
9.3 Sicherungsring233
9.4 Optimierung eines Zylindergehäuses239
9.4.1 Konstruktionsvariante 1239
9.4.2 Konstruktionsvariante 2245
9.4.3 Konstruktionsvariante 3247
9.4.4 Konstruktionsvariante 4249
9.5 Vernetzung eines Zylinderkopfs mit dem Tetraeder-Filler251
9.6 Zahnradberechnung mit Hexaederelementen260
10 Baugruppenberechnung (GAS)266
10.1 Bedingungen in der Baugruppe266
10.1.1 Bedingungen im Assembly Design266
10.1.2 Analysis-Connection-Bedingung (Analyse allgemeiner Verbindung)267
10.2 Verbindungen zwischen zwei Teilen272
10.2.1 Eigenschaft der fixierten Verbindung272
10.2.2 Eigenschaft der Gleitverbindung274
10.2.3 Eigenschaft der Kontaktverbindung275
10.2.4 Eigenschaft der fixierten Federverbindung276
10.2.5 Eigenschaft der Presspassverbindung276
10.2.6 Eigenschaft der Schraubenverbindung277
10.3 Ferne Verbindungen278
10.3.1 Starre Verbindung278
10.3.2 Bewegliche Verbindung279
10.3.3 Verbindung mit virtuellem Festdrehen von Bolzen281
10.3.4 Verbindung mit virtuellem Festdrehen von Federbolzen282
10.3.5 Benutzerdefinierte Verbindung284
10.4 Schweißverbindungen286
10.4.1 Definition eines benutzerdefinierten Materials287
10.4.2 Die Punktschweißverbindung288
10.4.3 Nahtschweißverbindung291
10.5 Übersicht der Baugruppenverbindungen293
11 Übungsbeispiele zu Baugruppen296
11.1 Abtriebswelle mit Riemenscheibe296
11.2 Punktschweißverbindung309
11.3 Schweißnahtverbindung317
11.4 Kurbeltrieb eines Verbrennungsmotors323
11.5 Baugruppe mit unterschiedlichen finiten Elementen338
12 FEM-Berechnungen mit SIMULIA344
12.1 Fluent for CATIA344
12.1.1 Startbeispiel Rohrleitung mit Durchmessersprung345
12.1.2 Strömungssimulation eines Sportflugzeugs352
12.2 ANL Abaqus nichtlineare Simulationen354
12.2.1 Nichtlineare Simulation von hyperelastischen Materialien357
12.2.2 Reibungsbehaftete Vorgänge366
12.3 ATH Abaqus Thermische Analysen370
12.3.1 Berechnung der Wärmebelastung einer Bremsscheibe371
12.3.2 Koppelung ANL und ATH376
13 Hinweise für die Anwender380
13.1 Modellprüfprogramm380
13.2 Elemente gruppieren381
13.3 Speichern und Versenden von Ergebnisdaten383
13.4 Optimierung von Bauteilen (Knowledgeware)385
13.5 Schnittstellen zu anderen Produkten390
13.6 Allgemeine Hinweise390
14 Literaturverzeichnis392
15 Index394

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