Simulationen mit Inventor - FEM und dynamische Simulation. Grundlagen und Beispiele ab Version 2017
von: Günter Scheuermann
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2016
ISBN: 9783446450134
Sprache: Deutsch
368 Seiten, Download: 48778 KB
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Mehr zum Inhalt
Simulationen mit Inventor - FEM und dynamische Simulation. Grundlagen und Beispiele ab Version 2017
Inhalt | 6 | ||
Teil I Digital Prototyping | 16 | ||
1 Einführung | 18 | ||
1.1 Autodesk Inventor | 18 | ||
1.2 Die Grenzen der Simulation | 20 | ||
1.3 Was fehlt | 20 | ||
1.4 Inventor-Schnittstellen | 21 | ||
1.5 Inventor für Schüler und Studenten | 22 | ||
1.5.1 Inventor kostenlos? | 22 | ||
1.6 Systemvoraussetzungen | 22 | ||
1.6.1 Hinweise zur Installation | 22 | ||
1.6.2 Hardware | 22 | ||
1.6.3 Betriebssysteme | 23 | ||
1.6.4 Sonstige Anforderungen | 23 | ||
1.7 Voraussetzungen für Anwender | 24 | ||
1.8 Übungsdateien und Videos auf DVD | 24 | ||
1.9 Resümee | 24 | ||
2 Digital Prototyping und Produktdesign | 26 | ||
2.1 Virtuelle 3D-Modelle | 26 | ||
2.2 Herstellung von Prototypen, Rapid Prototyping | 27 | ||
2.3 Produktoptimierung | 28 | ||
2.3.1 Flächen- bzw. Formoptimierung | 28 | ||
2.3.2 Berechnungen | 29 | ||
2.3.3 Dynamische Simulation | 29 | ||
Teil II Oberflächenanalysen und Grundlagen | 30 | ||
3 Bauteilanalysen | 32 | ||
3.1 Zebra-Analyse | 34 | ||
3.2 Entwurf, Verjüngungsanalyse | 35 | ||
3.3 Fläche, Gauß-Analyse, Gauß’sche Flächenkrümmung | 36 | ||
3.4 Schnitt, Querschnittsanalyse | 38 | ||
3.5 Krümmungsanalyse, Krümmungskammanalyse | 39 | ||
4 Technische Mechanik, Festigkeitslehre und Inventor | 42 | ||
4.1 Statik | 42 | ||
4.2 Freiheitsgrade | 43 | ||
4.3 Freiheitsgrade überprüfen | 45 | ||
4.3.1 Anzeige der Freiheitsgrade | 45 | ||
4.3.2 Freiheitsgrad-Analyse | 46 | ||
4.4 Gelenke | 47 | ||
4.4.1 Inventor-Gelenke | 48 | ||
4.5 Reibung | 49 | ||
4.6 Kinematik | 49 | ||
4.7 Dynamik | 51 | ||
4.7.1 Schwerkraft, Gravitation | 51 | ||
4.7.2 Masse, Gewichtskraft, Trägheitsmomente | 52 | ||
4.7.3 Gelenkkräfte und -momente | 52 | ||
4.7.4 Simulation | 53 | ||
4.7.5 Export nach FEM | 54 | ||
4.7.6 Schwingungen, Eigenfrequenz, Resonanz, Modalanalyse | 55 | ||
4.8 Festigkeitslehre und FEM-Ergebnisse | 56 | ||
4.8.1 Festigkeitshypothesen | 57 | ||
4.8.2 Spannungen | 58 | ||
4.8.3 Verformungen | 59 | ||
4.8.4 Sicherheitsfaktoren, Belastung/Dehnung | 59 | ||
4.8.5 Kontaktdruck | 60 | ||
4.8.6 Knicken und Beulen | 60 | ||
4.9 Grenzen der Inventor-Mechanik | 61 | ||
5 Die Materialbibliothek | 64 | ||
5.1 Der Materialien-Browser | 64 | ||
5.2 Mit Materialien und Darstellungen arbeiten | 65 | ||
5.2.1 Übersicht | 65 | ||
5.3 Eine eigene Bibliothek mit neuen Materialien erstellen | 70 | ||
5.3.1 Eigene Bibliothek und eigene Kategorien erstellen | 70 | ||
5.3.2 Ein neues Material definieren | 71 | ||
5.4 Problematische Materialien in der FEM | 73 | ||
5.4.1 Beispiel: Silentblock | 73 | ||
5.4.2 Material ohne Kennwerte | 74 | ||
5.5 Nicht in der FE-Analyse verwendbare Werkstoffe | 77 | ||
5.5.1 Polymere Werkstoffe | 77 | ||
5.5.2 Verbundwerkstoffe | 78 | ||
5.6 Bauteile mit großen Verformungen | 79 | ||
Teil III Grundlagen und Anwendungsbeispiele der Finiten-Elemente-Methode | 82 | ||
6 FEM | 84 | ||
6.1 FEM, allgemein | 84 | ||
6.2 Konvergenz | 85 | ||
6.2.1 Maximale Anzahl der H-Verfeinerungen | 86 | ||
6.2.2 Stopp-Bedingung | 86 | ||
6.2.3 Schwellenwert für H-Verfeinerungen | 86 | ||
6.2.4 Konvergenz-Plots | 87 | ||
6.2.5 Beispiel: Konvergenzeinstellungen und Auswirkung | 87 | ||
6.3 Das FEM-Netz | 90 | ||
6.3.1 Netzeinstellungen | 90 | ||
6.3.2 Lokale Netzsteuerung | 92 | ||
6.3.3 Allgemeine Richtlinien für die Netzerstellung | 93 | ||
6.3.4 Netzgenerierungen und Simulationen mit dünnen Bauteilen | 95 | ||
6.4 Abhängigkeiten, Einspannungen | 95 | ||
6.5 Lasten und Lastangriffsfälle | 96 | ||
6.5.1 Lastarten | 96 | ||
6.5.2 Lastangriffsfälle | 97 | ||
6.6 Beispiel einer einfachen vollständigen FE-Analyse | 104 | ||
6.6.1 Das Bauteil und seine Eigenschaften | 105 | ||
6.6.2 Funktion des Bauteils | 106 | ||
6.6.3 Die erste Simulation erstellen | 107 | ||
6.6.4 Das Bauteil einspannen | 107 | ||
6.6.5 Trennen von Bauteilflächen | 107 | ||
6.6.6 Das Bauteil belasten | 108 | ||
6.6.7 Das Bauteilnetz | 109 | ||
6.6.8 Simulation ausführen | 110 | ||
6.6.9 Anpassung der Gestalt (Gestaltfestigkeit) | 112 | ||
6.6.10 Materialanpassung | 113 | ||
6.6.11 Hauptspannungen | 115 | ||
6.6.12 Verformung, Verschiebung | 116 | ||
6.6.13 Rückstoßkräfte, Lagerkräfte | 117 | ||
6.6.14 Ergebnisprotokoll | 118 | ||
6.6.15 Bericht | 119 | ||
7 Rückstoßkraft und Kraftermittlung über Verformungen | 122 | ||
7.1 Beispiel: Rückstoßkraft ermitteln | 122 | ||
7.2 Verformungskraft ermitteln | 123 | ||
7.3 Fehlerbetrachtung | 125 | ||
8 Parametrische FEM-Studien | 126 | ||
8.1 Das parametrische Bauteil | 126 | ||
8.2 Vorbereitung der parametrischen FE-Analyse | 127 | ||
8.2.1 Die parametrische Tabelle | 127 | ||
8.3 Die parametrische Simulation | 132 | ||
8.4 Parametrische Ergebnisse | 133 | ||
8.5 Das Modell anpassen | 135 | ||
9 FEM an dünnen Bauteilen | 138 | ||
9.1 Beispiel: Blechtraverse | 138 | ||
9.2 Simulation als normaler Körper | 139 | ||
9.3 Simulation als dünnwandiges Bauteil | 140 | ||
10 Modal- oder Eigenfrequenzanalyse | 144 | ||
10.1 Eine Modalanalyse durchführen | 144 | ||
10.2 Ein zweites Beispiel | 147 | ||
11 Stimmgabel 440?Hz entwerfen | 150 | ||
11.1 Die Konstruktion | 150 | ||
11.2 Die Belastungsanalyse | 151 | ||
11.2.1 Netzverfeinerung | 152 | ||
11.2.2 Die erste Simulation | 152 | ||
11.3 Frequenzermittlung iterativ | 153 | ||
11.4 Frequenzermittlung mit parametrischer Tabelle | 155 | ||
12 FEM an Schweißbaugruppen | 158 | ||
12.1 Erstes Beispiel | 158 | ||
12.1.1 Die Baugruppe | 158 | ||
12.1.2 Die Schweißverbindung | 159 | ||
12.1.3 Die Vorbereitung der Belastungssimulation | 160 | ||
12.1.4 Kontakte überprüfen | 161 | ||
12.1.5 Die Simulation | 163 | ||
12.2 Zweites Beispiel | 164 | ||
12.2.1 Die Schweißkonstruktion | 164 | ||
12.2.2 Simulation vorbereiten | 165 | ||
12.2.3 Kontakte kontrollieren | 166 | ||
12.2.4 Die Simulation | 167 | ||
12.2.5 Sicherheitsfaktor | 168 | ||
12.3 Punktschweißen | 169 | ||
12.3.1 Die Punktschweißung im Beispiel | 170 | ||
12.3.2 Die Simulation vorbereiten | 170 | ||
12.3.3 Kontakte bearbeiten | 171 | ||
12.3.4 Die Simulation | 171 | ||
Teil IV Einfache Bewegungssimulationen und Baugruppenvereinfachung | 174 | ||
13 Einfache Bewegungssimulationen | 176 | ||
13.1 Baugruppen von Hand bewegen | 176 | ||
13.2 Automatische Bewegung in der Baugruppe | 177 | ||
13.3 Bewegung in der Präsentationsumgebung | 179 | ||
13.3.1 Eine Präsentation erstellen | 180 | ||
13.3.2 Die Präsentationsfunktionen | 180 | ||
13.4 Die Präsentationsanimation von Schrauben | 184 | ||
13.4.1 Komponentenpositionen | 184 | ||
13.5 Bewegung im Inventor Studio | 186 | ||
13.5.1 Die Inventor Studio-Arbeitsumgebung | 187 | ||
13.6 Beispiel einer Studio-Animation | 191 | ||
13.6.1 Vorbereitung der Animation | 191 | ||
13.6.2 Abhängigkeit animieren | 192 | ||
13.6.3 Die Ablaufsteuerung | 193 | ||
13.6.4 Animation aufzeichnen | 194 | ||
14 Bauteil- bzw. Baugruppenvereinfachung | 196 | ||
14.1 Beispiel: Kurbeltrieb | 197 | ||
14.2 Detailgenauigkeit erstellen | 197 | ||
14.3 Bauteile mit vereinfachtem Bauteil ersetzen | 199 | ||
Teil V Die dynamische Simulation anhand zahlreicher Beispiele | 202 | ||
15 Die dynamische Simulationsumgebung | 204 | ||
15.1 Die Arbeitsumgebung | 204 | ||
15.1.1 Funktionsgruppe Verbindung | 205 | ||
15.1.2 Funktionsgruppe Laden | 205 | ||
15.1.3 Funktionsgruppe Ergebnisse | 206 | ||
15.1.4 Funktionsgruppe Animieren | 206 | ||
15.1.5 Funktionsgruppe Verwalten | 207 | ||
15.1.6 Funktionsgruppe Belastungsanalyse | 208 | ||
15.1.7 Funktionsgruppe Beenden | 208 | ||
15.2 Der Objektbrowser in der dynamischen Simulation | 208 | ||
15.3 Bewegliche Gruppen einfärben | 211 | ||
15.4 Beschreibung der Gelenkarten | 212 | ||
15.4.1 Normgelenk | 212 | ||
15.4.2 Abhängigkeiten und Gelenke | 212 | ||
15.4.3 Vordefinierte Gelenke | 214 | ||
15.5 Gelenkeinfügungsarten | 216 | ||
15.5.1 Gelenkeinfügung von Hand: die Funktion Gelenk einfügen | 216 | ||
15.5.2 Gelenk aus Abhängigkeit erzeugen: die Funktion Abhängigkeiten ableiten | 221 | ||
15.5.3 Automatische Gelenkdefinition | 222 | ||
15.6 Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten | 224 | ||
15.6.1 Registerkarte Allgemein | 224 | ||
15.6.2 Registerkarte Freiheitsgrad x (R/T) | 226 | ||
15.7 Gelenkkräfte, Steifigkeit und Dämpfung | 227 | ||
15.7.1 Nichts ist starr – alles ist Gummi! | 227 | ||
15.7.2 Steifigkeit und Dämpfung – der Sprungbretteffekt | 227 | ||
15.7.3 Inventor ist ein Starrkörpersystem | 228 | ||
15.7.4 Inventor ist elastisch? | 228 | ||
15.7.5 Steifigkeit | 229 | ||
15.7.6 Dämpfung | 230 | ||
15.8 Gelenkeigenschaften | 230 | ||
15.8.1 Anfangsbedingungen bearbeiten | 231 | ||
15.8.2 Gelenkdrehmoment bzw. Gelenkkraft bearbeiten | 232 | ||
15.8.3 Festgelegte Bewegung bearbeiten | 233 | ||
15.9 Das Eingabediagramm | 233 | ||
15.9.1 Die Diagrammfläche | 234 | ||
15.9.2 Sektor-Optionen | 234 | ||
15.9.3 Start- und Endpunkt | 235 | ||
15.9.4 Funktionsdefinitionen speichern und laden | 236 | ||
15.9.5 Referenzachsen bestimmen | 236 | ||
16 Pendelklappe mit Schwerkraft | 238 | ||
16.1 Die Bauteile und die Baugruppe | 238 | ||
16.2 Die dynamische Simulation starten | 239 | ||
16.3 Schwerkraft definieren | 240 | ||
16.4 Die erste Simulation | 241 | ||
16.5 Einen 3D-Kontakt einfügen | 242 | ||
16.6 Die zweite Simulation | 243 | ||
16.7 Ändern der Pufferdämpfung | 243 | ||
16.8 Drehgelenkeigenschaften einstellen | 244 | ||
17 Das Ausgabediagramm | 246 | ||
17.1 Die Oberfläche des Ausgabediagramms | 247 | ||
17.2 Diagrammoptionen | 247 | ||
17.3 Variable anzeigen | 248 | ||
17.4 Eine zweite Variable überlagern | 250 | ||
17.5 Nullpunktverschiebung | 251 | ||
17.6 Darstellungs- und Wertegenauigkeit | 252 | ||
17.7 Diagramm und Werte nach Excel exportieren | 253 | ||
18 Fliehkraftregler | 254 | ||
18.1 Die Baugruppenabhängigkeiten | 255 | ||
18.2 Baugruppe bewegen | 257 | ||
18.3 Die dynamische Simulation | 258 | ||
18.3.1 Überbestimmungen | 258 | ||
18.3.2 Der Objektbrowser | 259 | ||
18.4 Der Antrieb | 260 | ||
18.4.1 Antriebsmoment | 261 | ||
18.4.2 Dämpfung | 261 | ||
18.4.3 Reibung | 262 | ||
18.5 Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse | 262 | ||
18.5.1 Die Rotation | 263 | ||
18.6 Andere Gelenke mit Reibwerten versehen | 264 | ||
18.7 Die Simulation | 265 | ||
18.8 Das Ausgabediagramm | 266 | ||
18.8.1 Rotationsgeschwindigkeit interpretieren | 266 | ||
18.8.2 Schwingungen untersuchen | 267 | ||
18.9 Feder einfügen | 268 | ||
18.10 Simulation mit eingebauter Feder | 272 | ||
18.11 Kurven im Ausgabediagramm bearbeiten | 273 | ||
18.12 Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen | 274 | ||
18.12.1 Die Vorbereitung | 274 | ||
18.12.2 Zeitschritt auswählen | 275 | ||
18.12.3 Bauteile zur FE-Analyse auswählen | 275 | ||
18.12.4 Überbestimmte Bauteile heilen | 276 | ||
18.12.5 In die Belastungsanalyse wechseln | 278 | ||
18.12.6 Die Belastungsanalysen | 279 | ||
18.12.7 Fazit | 281 | ||
19 Spielerei mit einem Ball | 282 | ||
19.1 Die Bauteile und die Konstruktion | 282 | ||
19.2 Die Simulationsumgebung | 284 | ||
19.2.1 Feder einfügen | 284 | ||
19.2.2 Schwerkraft definieren | 285 | ||
19.2.3 Der Ball benötigt Gelenke | 286 | ||
19.2.4 Der Objektbrowser | 288 | ||
19.3 Die Simulation | 289 | ||
19.3.1 Starres Abprallen | 289 | ||
20 Kurbelschwinge | 292 | ||
20.1 Die Funktion | 292 | ||
20.2 Die Bauteile | 293 | ||
20.3 Die Abhängigkeiten | 294 | ||
20.4 Nach Abhängigkeit bewegen | 295 | ||
20.5 Vorbereitung der Simulation | 296 | ||
20.5.1 Nichts geht mehr | 296 | ||
20.5.2 Geht doch! | 297 | ||
20.5.3 Der Antrieb | 297 | ||
20.6 Die erste Simulation | 298 | ||
20.7 Schiebegelenk einfügen | 299 | ||
20.8 Die zweite Simulation | 301 | ||
20.9 Schwerkraft und Reibung | 301 | ||
20.9.1 Schwerkraft | 301 | ||
20.9.2 Reibungswerte und Kraftübertragung | 302 | ||
20.9.3 Beidseitige Kraftübertragung an der Schwinge | 302 | ||
20.9.4 Gelenkreibungen der Drehgelenke | 303 | ||
20.9.5 Startposition | 303 | ||
20.10 Die dritte Simulation und das Ausgabediagramm | 304 | ||
20.10.1 Das Ausgabediagramm | 305 | ||
20.11 Externe Kraft einfügen | 307 | ||
20.12 Die vierte Simulation und das Ausgabediagramm | 308 | ||
20.13 Spur aufzeichnen | 310 | ||
21 Schiebevorrichtung | 314 | ||
21.1 Die Bauteile | 314 | ||
21.2 Die Funktion | 315 | ||
21.3 Gelenke einfügen | 316 | ||
21.3.1 Zylindrisches Schiebegelenk | 316 | ||
21.3.2 Punkt-Ebene-Gelenk | 317 | ||
21.3.3 Druckfeder | 318 | ||
21.4 Die erste Simulation | 320 | ||
21.5 Status des Mechanismus | 321 | ||
21.6 Redundante Abhängigkeiten | 323 | ||
21.6.1 Redundanz hinzufügen | 323 | ||
21.6.2 Redundanz untersuchen | 324 | ||
21.7 Gelenkdrehmoment aktivieren | 325 | ||
21.8 Die zweite Simulation | 326 | ||
21.9 Externe Belastung | 328 | ||
21.9.1 Externe Kraft definieren | 328 | ||
21.9.2 Antriebsmoment anpassen | 329 | ||
21.9.3 Die dritte Simulation | 329 | ||
21.9.4 Das Ausgabediagramm | 330 | ||
21.10 Export nach FEM | 331 | ||
21.11 Die FE-Analyse der Schwinge | 331 | ||
22 Kurbelschwinge, die Dritte | 334 | ||
22.1 Die Bauteile | 334 | ||
22.2 Die Baugruppe | 335 | ||
22.3 Die Simulationsumgebung | 335 | ||
22.4 Gelenke einfügen | 336 | ||
22.4.1 Räumliches Gelenk | 336 | ||
22.4.2 3D-Kontakte | 337 | ||
22.5 Reibung definieren | 338 | ||
22.6 Die Simulation | 339 | ||
23 Hubkolben-Triebwerk | 340 | ||
23.1 Die Baugruppe | 340 | ||
23.2 Die Simulationsumgebung | 341 | ||
23.3 Untersuchung der Redundanz | 342 | ||
23.3.1 Status des Mechanismus | 342 | ||
23.3.2 Schwerkraft definieren | 343 | ||
23.3.3 Gelenke überprüfen und bearbeiten | 344 | ||
23.4 Die erste Simulation | 347 | ||
23.5 Zweites Beispiel: Antrieb durch den Kolben | 348 | ||
23.5.1 Externe Kraft wirken lassen | 349 | ||
23.5.2 Externe Kraft definieren | 349 | ||
23.5.3 Kraft im Eingabediagramm definieren | 350 | ||
23.6 Die zweite Simulation | 351 | ||
23.6.1 Das Ausgabediagramm | 352 | ||
23.7 Beispiel: Verbrennungsmotor | 353 | ||
23.7.1 Lastmoment hinzufügen | 353 | ||
23.7.2 Zyklischen Antrieb hinzufügen | 353 | ||
23.7.3 Die Simulation | 356 | ||
23.8 Variante mit Feder | 357 | ||
23.8.1 Festgelegte Bewegung aktivieren | 357 | ||
23.8.2 Feder einfügen | 357 | ||
23.8.3 Die Simulation | 358 | ||
23.8.4 Das Ausgabediagramm | 359 | ||
23.9 Export nach FEM | 360 | ||
23.9.1 Die FE-Analyse der Kurbelwelle | 360 | ||
23.9.2 Die FE-Analyse des Kolbens | 362 | ||
Stichwortverzeichnis | 364 |