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E-Book

Simulationen mit Inventor

FEM und dynamische Simulation. Grundlagen und Beispiele ab Version 2011

AutorGünter Scheuermann
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl326 Seiten
ISBN9783446425347
CD zum Buch1
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis39,99 EUR

Autodesk Inventor Simulation ermöglicht Konstrukteuren, die reale Leistungsfähigkeit virtueller Produkte zu testen und mit Hilfe von Belastungsanalysen, Visualisierung und Simulation zu optimieren.

Dieses Praxisbuch richtet sich an Anwender und technisch Verantwortliche aus der CAD-Konstruktion und Produktentwicklung ebenso wie an Studenten von Technikerschulen, FHs und Unis.

Nach einer kompakten Einführung in die Mechanik, die FEM und die Simulationsgrundlagen werden alle wichtigen Zusammenhänge in Beispielen erläutert und anhand zusätzlicher Übungen und Aufgaben gefestigt. Die Inhalte basieren auf der Inventor Professional- bzw. Simulation-Suite 2011, die Beispiele und Übungen können fast alle auch mit der Version 2010 durchgeführt werden.

Die Thematik reicht von einfachen und komplexeren Bauteil- und FE-Analysen über verschiedene Bewegungssimulationen bis hin zur dynamischen Simulation umfassender Baugruppen und Festigkeitsuntersuchungen mit dynamischen Lasten an deren Bauteilen.

Auf der beiliegenden DVD befinden sich neben dem Autodesk Inventor Viewer 2011 die Dateien zu den im Buch beschriebenen Beispielen, Übungen und Aufgaben für die Inventor-Versionen 2011 sowie Animationen (AVI-Filme), die einerseits dem besseren Verständnis der Bewegungsabläufe dienen, andererseits hervorragend zur Präsentation geeignet sind.

Der Autor Dipl.-Ing. Günter Scheuermann schreibt seit 1988 CAD-Bücher für die Programme der Firma Autodesk, sammelte Erfahrungen als selbstständiger Konstrukteur, betreute umfangreiche CAD-Projekte und unterrichtete u.a. staatlich geprüfte Techniker im Fach Konstruktion.

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Leseprobe

1 Einführung (S. 12-13)

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

- die Konvertierung aller Baugruppen-3D-Abhängigkeiten (Constrains) in Standardgelenke
- eine große Bibliothek mit Bewegungsgelenken
- die Möglichkeit, externe Kräfte und Momente zu definieren

Inhaltsverzeichnis
Inhalt6
1 Einführung12
1.1 Autodesk Inventor Simulation12
1.2 Die Grenzen der Simulation13
1.3 Was fehlt14
1.4 Inventor-Schnittstellen14
1.4.1 Importformate15
1.4.2 Exportformate15
1.5 Inventor für Schüler und Studenten16
1.5.1 Inventor kostenlos?17
1.6 Systemvoraussetzungen17
1.6.1 Hinweise zur Installation17
1.6.2 Hardware17
1.6.3 Betriebssysteme18
1.6.4 Sonstige Anforderungen18
1.7 Voraussetzungen für Anwender18
1.8 DVD zum Buch18
1.9 Resümee19
2 Digital Prototyping und Produktdesign20
2.1 Virtuelle 3D-Modelle20
2.2 Herstellung von Prototypen, Rapid Prototyping21
2.3 Produktoptimierung22
2.3.1 Flächen- bzw. Formoptimierung22
2.3.2 Berechnungen23
2.3.3 Dynamische Simulation23
3 Bauteilanalysen24
3.1 Zebra-Analyse26
3.2 Entwurf, Verjüngungsanalyse27
3.3 Fläche, Gauß-Analyse, Gauß´sche Flächenkrümmung28
3.4 Schnitt, Querschnittsanalyse29
3.5 Krümmungsanalyse, Krümmungskammanalyse30
4 Technische Mechanik, Festigkeitslehre und Inventor32
4.1 Statik32
4.2 Freiheitsgrade33
4.3 Freiheitsgrade überprüfen35
4.3.1 Anzeige der Freiheitsgrade35
4.3.2 Freiheitsgrad-Analyse36
4.4 Gelenke37
4.4.1 Inventor-Gelenke38
4.5 Reibung39
4.6 Kinematik39
4.7 Dynamik41
4.7.1 Schwerkraft, Gravitation41
4.7.2 Masse, Gewichtskraft, Trägheitsmomente41
4.7.3 Gelenkkräfte und -momente42
4.7.4 Simulation43
4.7.5 Export nach FEM43
4.7.6 Schwingungen, Eigenfrequenz, Resonanz, Modalanalyse44
4.8 Festigkeitslehre und FEM-Ergebnisse46
4.8.1 Festigkeitshypothesen47
4.8.2 Spannungen48
4.8.3 Verformungen49
4.8.4 Sicherheitsfaktoren, Belastung, Dehnung49
4.8.5 Kontaktdruck50
4.8.6 Knicken und Beulen50
4.9 Grenzen der Inventor-Mechanik51
5 FEM54
5.1 FEM, allgemein54
5.2 Konvergenz55
5.2.1 Max. Anzahl der H-Verfeinerungen55
5.2.2 Stopp-Bedingung56
5.2.3 Schwellenwert für H-Verfeinerungen56
5.2.4 Konvergenz-Plots56
5.3 Das FEM-Netz57
5.3.1 Netzeinstellungen58
5.3.2 Lokale Netzsteuerung60
5.3.3 Allgemeine Richtlinien für die Netzerstellung61
5.4 Erstes Beispiel einer einfachen FE-Analyse62
5.4.1 Das Bauteil und seine Eigenschaften63
5.4.2 Die erste Simulation64
5.4.3 Abhängigkeiten, Einspannung65
5.4.4 Lasten67
5.4.5 Das Netz69
5.4.7 Materialanpassung72
5.4.8 Hauptspannungen74
5.4.9 Verformung, Verschiebung75
5.4.10 Rückstoßkräfte, Lagerkräfte76
5.4.11 Ergebnisprotokoll77
5.4.12 Bericht78
6 Parametrische FEM-Studien82
6.1 Das parametrische Bauteil82
6.2 Vorbereitung der parametrischen FE-Analyse83
6.2.1 Die parametrische Tabelle83
6.3 Die parametrische Simulation88
6.4 Parametrische Ergebnisse88
6.5 Das Modell anpassen90
7 Modal- oder Eigenfrequenzanalyse92
7.1 Eine Modalanalyse durchführen92
7.2 Ein zweites Beispiel94
8 Stimmgabel 440 Hz entwerfen96
8.1 Die Konstruktion96
8.2 Die Belastungsanalyse97
8.2.1 Netzverfeinerung98
8.2.2 Die erste Simulation98
8.3 Frequenzermittlung iterativ99
8.4 Frequenzermittlung mit parametrischer Tabelle101
9 FEM an Schweißbaugruppen104
9.1 Erstes Beispiel104
9.1.1 Die Baugruppe104
9.1.2 Die Schweißverbindung105
9.1.3 Die Vorbereitung der Belastungssimulation107
9.1.4 Kontakte überprüfen107
9.1.5 Die Simulation109
9.2 Zweites Beispiel110
9.2.1 Die Schweißkonstruktion110
9.2.2 Simulation vorbereiten111
9.2.3 Kontakte kontrollieren112
9.2.4 Die Simulation114
9.2.5 Sicherheitsfaktor115
9.3 Punktschweißen115
9.3.1 Die Punktschweißung im Beispiel116
9.3.2 Die Simulation vorbereiten117
9.3.3 Kontakte bearbeiten117
9.3.4 Die Simulation118
10 Die Materialbibliothek120
10.1 Der Stil- und Normen-Editor120
10.2 Material121
10.2.1 Übersicht121
10.2.2 Werkstoffkennwerte und Einheiten122
10.2.3 Farbstil der Werkstoffe123
10.3 Import und Export von Stilen123
10.4 Ein neues Material einfügen124
10.4.1 Die Stilbibliothek bearbeiten126
10.5 Farbstile editieren127
10.6 Beleuchtungen einstellen129
10.7 Bewegung im Inventor Studio130
10.8 Problematische Materialien in der FEM130
10.8.1 Beispiel Silentblock130
10.9 Nicht in der FE-Analyse verwendbare Werkstoffe132
10.9.1 Polymere Werkstoffe134
10.9.2 Verbundwerkstoffe135
10.10 Bauteile mit großen Verformungen136
11 Einfache Bewegungssimulationen138
11.1 Baugruppen von Hand bewegen138
11.2 Automatische Bewegung in der Baugruppe139
11.3 Bewegung in der Präsentation141
11.3.1 Eine Präsentation erstellen141
11.3.2 Die automatische Explosionsmethode142
11.3.3 Die manuelle Explosion143
11.4 Die Präsentationsanimation von Schrauben144
11.4.1 Eine neue Präsentation erstellen145
11.4.2 Komponentenpositionen145
11.4.3 Die Schraubenbewegung animieren, der Film geht ab147
11.5 Bewegung im Inventor Studio150
11.5.1 Die Inventor Studio-Arbeitsumgebung150
11.6 Beispiel einer Studio-Animation154
11.6.1 Vorbereitung der Animation155
11.6.2 Abhängigkeit animieren155
11.6.3 Die Ablaufsteuerung157
11.6.4 Animation aufzeichnen158
12 Die dynamische Simulationsumgebung160
12.1 Die Arbeitsumgebung160
12.1.1 Funktionsgruppe Verbindung160
12.1.2 Funktionsgruppe Laden161
12.1.3 Funktionsgruppe Ergebnisse161
12.1.4 Funktionsgruppe Animieren162
12.1.5 Funktionsgruppe Verwalten163
12.1.6 Funktionsgruppe Belastungsanalyse163
12.1.7 Funktionsgruppe Beenden164
12.2 Der Objektbrowser in der dynamischen Simulation164
12.3 Bewegliche Gruppen einfärben167
12.4 Beschreibung der Gelenkarten168
12.4.1 Normgelenk169
12.4.2 Abhängigkeiten und Gelenke169
12.4.3 Vordefinierte Gelenke172
12.5 Gelenkeinfügungsarten173
12.5.1 Gelenkeinfügung von Hand, die Funktion Gelenk einfügen174
12.5.2 Gelenk aus Abhängigkeit erzeugen, die Funktion Abhängigkeiten178
12.5.3 Automatische Gelenkdefinition179
12.6 Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten181
12.6.1 Registerkarte Allgemein182
12.6.2 Registerkarte Freiheitsgrad x (R/T)184
12.7 Gelenkkräfte, Steifigkeit und Dämpfung185
12.7.1 Nichts ist starr185
12.7.2 Steifigkeit und Dämpfung - der Sprungbretteffekt185
12.7.3 Inventor ist ein Starrkörpersystem186
12.7.4 Inventor ist elastisch?186
12.7.5 Steifigkeit187
12.7.6 Dämpfung187
12.8 Gelenkeigenschaften188
12.8.1 Anfangsbedingungen bearbeiten189
12.8.2 Gelenkdrehmoment bzw. Gelenkkraft bearbeiten189
12.8.3 Festgelegte Bewegung bearbeiten190
12.9 Das Eingabediagramm190
12.9.1 Die Diagrammfläche191
12.9.2 Sektor-Optionen192
12.9.3 Start- und Endpunkt193
12.9.4 Funktionsdefinitionen speichern und laden193
12.9.5 Referenzachsen bestimmen193
13 Pendelklappe mit Schwerkraft194
13.1 Die Bauteile und die Baugruppe194
13.2 Die dynamische Simulation starten195
13.3 Schwerkraft definieren196
13.4 Die erste Simulation196
13.5 Einen 3D-Kontakt einfügen197
13.6 Die zweite Simulation198
13.7 Ändern der Pufferdämpfung199
13.8 Drehgelenkeigenschaften einstellen199
13.9 Das Ausgabediagramm200
13.9.1 Die Oberfläche des Ausgabediagramms201
13.9.2 Diagrammoptionen201
13.9.3 Variable anzeigen202
13.9.4 Eine zweite Variable überlagern203
13.9.5 Eine neue Kurve erzeugen205
13.9.6 Darstellungs- und Wertegenauigkeit206
13.9.7 Diagramm und Werte nach Excel exportieren206
14 Fliehkraftregler208
14.1 Die Baugruppe209
14.2 Baugruppe bewegen212
14.3 Die dynamische Simulation213
14.3.1 Überbestimmungen213
14.3.2 Der Objektbrowser214
14.4 Der Antrieb215
14.4.1 Antriebsmoment215
14.4.2 Dämpfung216
14.4.3 Reibung216
14.5 Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse216
14.5.1 Die Rotation218
14.6 Andere Gelenke mit Reibwerten versehen218
14.7 Die Simulation220
14.8 Das Ausgabediagramm221
14.8.1 Rotationsgeschwindigkeit interpretieren222
14.8.2 Schwingungen untersuchen223
14.9 Feder einfügen223
14.10 Simulation mit eingebauter Feder228
14.11 Kurven im Ausgabediagramm bearbeiten228
14.12 Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen229
14.12.1 Die Vorbereitung229
14.12.2 Zeitschritt auswählen230
14.12.3 Bauteile zur FE-Analyse auswählen231
14.12.4 Überbestimmte Bauteile heilen232
14.12.5 In die Belastungsanalyse wechseln233
14.12.6 Die Belastungsanalysen234
14.12.7 Fazit237
15 Spielerei mit einem Ball238
15.1 Die Bauteile und die Konstruktion238
15.2 Die Simulationsumgebung240
15.2.1 Feder einfügen240
15.2.2 Schwerkraft definieren241
15.2.3 Der Ball benötigt Gelenke241
15.2.4 Der Objektbrowser243
15.3 Die Simulation244
15.3.1 Starres Abprallen245
16 Kurbelschwinge246
16.1 Die Funktion246
16.2 Die Bauteile247
16.3 Die Abhängigkeiten249
16.4 Nach Abhängigkeit bewegen250
16.5 Vorbereitung der Simulation251
16.5.1 Nichts geht mehr251
16.5.2 Geht doch!252
16.5.3 Der Antrieb252
16.6 Die erste Simulation253
16.7 Schiebegelenk einfügen254
16.8 Die zweite Simulation255
16.9 Schwerkraft und Reibung255
16.9.1 Schwerkraft255
16.9.2 Reibungswerte und Kraftübertragung256
16.9.3 Beidseitige Kraftübertragung an der Schwinge256
16.9.4 Gelenkreibungen der Drehgelenke257
16.9.5 Startposition257
16.10 Die dritte Simulation und das Ausgabediagramm258
16.10.1 Das Ausgabediagramm259
16.11 Externe Kraft einfügen261
16.12 Die vierte Simulation und das Ausgabediagramm262
16.13 Spur aufzeichnen265
17 Kurbelschwinge-Schiebevorrichtung268
17.1 Die Bauteile268
17.2 Die Funktion269
17.3 Gelenke einfügen270
17.3.1 Zylindrisches Schiebegelenk270
17.3.2 Punkt-Ebene-Gelenk270
17.3.3 Druckfeder272
17.4 Die erste Simulation274
17.5 Status des Mechanismus275
17.6 Redundante Abhängigkeiten277
17.6.1 Redundanz hinzufügen277
17.6.2 Redundanz untersuchen278
17.7 Gelenkdrehmoment aktivieren279
17.8 Die zweite Simulation280
17.9 Externe Belastung281
17.9.1 Externe Kraft definieren282
17.9.2 Antriebsmoment anpassen282
17.9.3 Die dritte Simulation283
17.10 Export nach FEM284
17.11 Die FE-Analyse der Schwinge285
18 Kurbelschwinge, die Dritte288
18.1 Die Bauteile288
18.2 Die Baugruppe289
18.3 Die Simulationsumgebung289
18.4 Gelenke einfügen290
18.4.1 Räumliches Gelenk290
18.4.2 3D-Kontakte290
18.5 Reibung definieren291
18.6 Die Simulation293
19 Hubkolben-Triebwerk294
19.1 Die Baugruppe294
19.2 Die Simulationsumgebung295
19.2.1 Schwerkraft definieren296
19.2.2 Gelenke überprüfen und bearbeiten296
19.2.3 Gelenk Zylindrisch:1, Zylinder – Kolben297
19.2.4 Gelenk Drehung:2, Rillenkugellager - Kurbelwelle298
19.2.5 Gelenke an den Sicherungsringen299
19.2.6 Gelenke am Pleuel299
19.3 Die erste Simulation300
19.4 Antrieb durch den Kolben301
19.4.1 Externe Kraft wirken lassen301
19.4.2 Externe Kraft definieren301
19.4.3 Kraft im Eingabediagramm definieren302
19.5 Die zweite Simulation304
19.5.1 Das Ausgabediagramm304
19.6 Lastmoment hinzufügen305
19.7 Kraftkomponenten auswerten306
19.8 Variante mit Feder307
19.8.1 Festgelegte Bewegung aktivieren307
19.8.2 Feder einfügen308
19.9 Die dritte Simulation309
19.10 Das Ausgabediagramm309
19.11 Export nach FEM310
19.12 Die FE-Analyse der Kurbelwelle311
19.13 Kolben exportieren312
19.14 Die FE-Analyse des Kolbens314
19.14.1 Netzeinstellungen verändern315
19.14.2 Maximalspannung suchen315
19.14.3 Verformungen des Kolbens316
Index318

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