Simulationen mit NX (eBook)

Kinematik, FEM, CFD, EM und Datenmanagement. Mit zahlreichen Beispielen für NX 9

Reiner Anderl, Peter Binde (Autoren)

eBook Download: PDF | EPUB

2014 | 1. Auflage
439 Seiten
Carl Hanser Fachbuchverlag
978-3-446-44686-1 (ISBN)

Infos

Dieses Standardwerk in nun dritter Auflage vermittelt die notwendigen Grundlagen, um mit dem System NX der Firma Siemens einfache bis komplexe Simulationen durchzuführen. Es wendet sich an Konstrukteure, Berechnungsingenieure und Studenten technischer Fachrichtungen.
Auf Basis von NX 9 werden in je einem Kapitel folgende Themen behandelt: Motion-Simulation (MKS), Design-Simulation FEM (Nastran), Advanced Simulation (FEM, CFD sowie EM) sowie das Management von Berechnungs- und Simulationsdaten (Teamcenter for Simulation).
Nach knappen theoretischen Einführungen schließen an jedes Kapitel praktische Lernaufgaben mit steigendem Schwierigkeitsgrad an. Grundlage fast aller Übungsbeispiele ist das CAD-Modell des legendären Opel Rak2.
Neu in dieser Auflage hinzugekommen ist das Thema elektromagnetische Analysen (EM). Außerdem werden alle Beispiele aus dem Buch anhand des neuen Ribbon-Interface von NX 9 dargestellt.
Auf der beiliegenden DVD finden Sie die CAD- und Berechnungsdaten sämtlicher Übungsbeispiele. Die Übungen können mit den NX-Versionen 8, 8.5, 9 und voraussichtlich auch späteren Versionen durchgeführt werden.

Dr.-Ing. Peter Binde ist Geschäftsführer der Firma Dr. Binde Ingenieure sowie Lehrbeauftragter für FEM an der Hochschule RheinMain, FB Maschinenbau. Er ist weltweit tätiger Spezialist für Produktsimulation mit NX. Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl leitet das Fachgebiet Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) des Fachbereichs Maschinenbau an der TU Darmstadt.

Inhalt

Inhalt 6
Vorwort 10
1 Einführung 12
1.1 Lernaufgaben, Lernziele und wichtige Voraussetzungen für die Arbeit mit dem Buch 14
1.2 Arbeitsumgebungen 17
1.3 Arbeiten mit dem Buch 18
2 Motion-Simulation (MKS) 22
2.1 Einführung und Theorie 22
2.2 Lernaufgaben zur Kinematik 27
2.3 Lernaufgaben zur Dynamik 74
2.4 Lernaufgaben zur Co-Simulation 84
3 Design-Simulation FEM (Nastran) 94
3.1 Einführung und Theorie 95
3.2 Lernaufgaben zu Design-Simulation 106
4 Advanced Simulation (FEM) 170
4.1 Einführung 171
4.2 Lernaufgaben lineare Analyse und Kontakt (Sol 101/103) 176
4.3 Lernaufgaben Basic nichtlineare Analyse (Sol 106) 257
4.4 Lernaufgaben Advanced Nichtlinear (Sol 601) 279
5 Advanced Simulation (CFD) 304
5.1 Prinzip der numerischen Strömungsanalyse 305
5.2 Lernaufgaben (NX-Flow) 306
6 Advanced Simulation (EM) 332
6.1 Prinzipien elektromagnetischer Analysen 333
6.2 Installation und Lizenz 344
6.3 Lernaufgaben (EM) 346
7 Management von Berechnungs- 
390 
7.1 Einführung und Theorie 390
7.2 Lernaufgaben zu Teamcenter for Simulation 394
8 Manuelle Berechnung 
410 
8.1 Aufgabenstellung 410
8.2 Idealisierung und Wahl einer Theorie 411
8.3 Analytische Lösung 411
8.4 Raumdiskretisierung für FEM 412
8.5 Aufstellen und Lösen des FEA-Gleichungssystems 413
8.6 Vergleich der analytischen Lösung mit der aus FEA 415
9 Farbplots 418
Literaturverzeichnis 434
Index 438

Textauszug

2	Motion‐Simulation (MKS)

Inhalte des Kapitels

In Abschnitt 2.1 werden zunächst die Theorie, Grenzen, spezielle Effekte und Regeln dieser Disziplin dargestellt. Daraufhin folgen Lernaufgaben zur Kinematik, die zunächst mit einem Grundlagenbeispiel beginnen (Abschnitt 2.2.1). In der zweiten Lernaufgabe werden Prinzipskizzen und Kinematik genutzt, um die frühe Konstruktionsphase zu unterstützen (Abschnitt 2.2.2). In der dritten Aufgabe werden Kollisionen behandelt und das Zusammensetzen verschiedener Unterkinematiken (Abschnitt 2.2.3). Die vierte Lernaufgabe behandelt dynamische Sachverhalte sowie die Simulation von Kontakt (Abschnitt 2.3.1), und die letzte Aufgabe behandelt die Kopplung von NX-Motion mit MATLAB®-Simulink® zur sogenannten Co-Simulation (Abschnitt 2.4.1).

2.1	Einführung und Theorie

Einsatzszenarien und Nutzen für Motion-Simulationen in der Praxis

Motion-Simulation bietet dem Konstrukteur die Möglichkeit, Bewegungen seiner bis dahin statisch konstruierten Maschine zu kontrollieren. Dadurch kann ein besseres Verständnis für die Maschine erlangt werden und es kann kontrolliert werden, ob es zu Kollisionen der bewegten Teile kommt. Außerdem kann nachgesehen werden, ob die Maschine die gewünschte Bewegung überhaupt ausführen bzw. gewisse Positionen erreichen kann. Häufig ist es Aufgabe, die geometrischen Abmessungen geeignet einzustellen. Dabei ist die Nutzung der CAD-Parametrik oft ein wichtiges Hilfsmittel, um Varianten zu erstellen.

Aber auch und gerade in der frühen Phase der Konstruktion, wenn erst grobe Designentwürfe vorliegen, ist der Einsatz kinematischer Analysen sinnvoll. Mithilfe der Motion-Simulation können Prinzipskizzen oder einfache Kurven bewegt und deren Maße optimiert werden. So werden aus den Prinzipskizzen der frühen Konstruktionsphase bewegungskontrollierte Steuerskizzen. Im weiteren Verlauf der Konstruktion kann die Kinematik immer wieder zur Absicherung der bis dahin fertiggestellten Maschine genutzt werden.

Masseneigenschaften der Bauteile erweitern das Gebiet in die Dynamik hinein.

Sobald der CAD-Geometrie Masseeigenschaften zugeordnet sind, können Bewegungsanalysen auch zu dynamischen Analysen ausgeweitet werden. Dabei können Lagerkräfte, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermittelt werden. Motion-Analysen sind daher auch oftmals Vorbereitungen für FEM-Analysen, weil dort Lagerkräfte als Randbedingungen eingehen. Anhand der Ergebnisse (Kräfte und Wege) können auch Federn, Dämpfer, Zusatzmassen, Schwingungstilger, Lager (Tragfähigkeit) etc. aus Zulieferkatalogen ausgewählt werden.

Anwender von Motion-Simulation sollten Erfahrung in der Modellierung von Einzelteilen und Baugruppen mit dem NX-System mitbringen. Dies ist erforderlich, weil die Beispiele dieses Kapitels nicht nur auf fertigen Baugruppen aufsetzen, sondern teilweise auch in die Konstruktionsmethodik eingreifen. Sonst sind jedoch keine Vorkenntnisse erforderlich.

Unterteilung der technischen Simulation in vier Teile

Motion-Simulation deckt den Teil der Mechanik ab, der sich mit starren Körpern beschäftigt. In der Regel handelt es sich um mehrere starre Körper, die über Gelenke miteinander verbunden sind. Solche Problemstellungen tauchen z.B. bei Fahrwerken von Kraftfahrzeugen auf. Die Software zur Berechnung solcher Aufgabenstellungen wird mit dem Begriff MKS-Programm bezeichnet. MKS bedeutet dabei Mehrkörpersimulation.

Der Anwender definiert auf Basis des CAD-Modells Bewegungskörper, Gelenke, Antriebe und evtl. außen angreifende Kräfte oder Zwangsbedingungen. Auch Federn und Dämpfer können eine Rolle spielen.

Prozessschritte bei der MKS-Analyse

Für die Bewegungskörper wird meist CAD-Geometrie (Einzelteile und Baugruppen) genutzt. Das CAD-System mit seinen mächtigen Möglichkeiten kann aber auch für die Definition von beispielsweise Kurvenscheiben oder sonstigen Steuergesetzen genutzt werden.

2.1.1

Berechnungsmethode

Weiterführende Literatur

Es lässt sich schwer sagen, wie die MKS-Methode im allgemeinen Fall funktioniert, weil die verschiedenen Solver (Recurdyne, ADAMS) durchaus unterschiedlich arbeiten. Für ADAMS finden Sie in [adams1] aufschlussreiche Erklärungen, an die wir uns anlehnen. Für Recurdyne finden Sie in [recurdyne1] weiterführende Informationen.

Programmintern werden die Bewegungskörper, Gelenke und Antriebe in ein mathematisches Differentialgleichungssystem überführt, das aufgelöst wird, und woraus sich die gesuchten Größen ergeben. Als Ergebnis erhält der Anwender die Wege, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Bewegungskörper und Gelenke sowie Reaktionskräfte an den Gelenken.

Jeder definierte Bewegungskörper wird dafür freigeschnitten. Es werden sechs dynamische Gleichungen (Beziehungen der Kräfte zu den Beschleunigungen) und sechs kinematische Gleichungen (Beziehung der Positionen zu den Geschwindigkeiten) in den Translations- und Rotationsrichtungen aufgestellt. Alle Gleichungen werden in ein Gleichungssystem zusammengefügt.

Die Zahl der Unbekannten wird nun durch Einarbeiten von Constraints verringert. Jedes Gelenk, das die Bewegungsmöglichkeit zweier Körper restringiert, kann in Form von zusätzlichen Gleichungen im Gleichungssystem ausgedrückt werden. Zum Beispiel führt ein Drehgelenk zwischen zwei Bewegungskörpern zu einer Reduktion von fünf Unbekannten im Gesamtsystem, weil nur noch ein Drehfreiheitsgrad übrig bleibt, wo vorher sechs waren.

Ein Differentialgleichungssystem wird aufgestellt.

Antriebe und Constraints verringern die Zahl der Unbekannten.

Motion-Antriebe, die den Weg, die Geschwindigkeit oder Beschleunigung vorgeben, führen ebenfalls zur Reduktion von Unbekannten. Ein Drehantrieb, der eine Geschwindigkeit von 360 Grad/sec erzwingt, verringert die Zahl der Unbekannten z.B. um eins. Kräfte und Momente hingegen, die auf das Motion-Modell wirken, bringen keine zusätzlichen Unbekannten in das System ein und reduzieren auch keine.

Auf diese Weise reduzieren sich die Unbekannten entweder auf null (dann kann das Gleichungssystem direkt aufgelöst werden) oder auf eine Zahl größer null. Im zweiten Fall lässt sich das System lösen, indem Anfangsbedingungen eingearbeitet und die Gleichungen nach der Zeit integriert werden. Im Fall von null Freiheitsgraden wird von einem kinematischen, ansonsten von einem dynamischen System gesprochen.

Manche Gelenktypen bringen Nichtlinearität in das Gleichungssystem.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass das entstehende Gleichungssystem entweder linear oder auch nichtlinear sein wird — je nachdem, welche Zusammenhänge von den Gelenktypen in das System eingebracht werden. Während sich einfache Gelenktypen wie Dreh-, Schiebe- oder Kugelgelenke linear verhalten, bringen komplexere Gelenke wie Punkt auf Kurve nichtlineare Gleichungen ein. Für die Lösung des MKS-Gleichungssystems sind daher keine linearen Gleichungslöser anzuwenden, wie sie bei FEM-Systemen in der Regel zum Einsatz kommen, sondern solche mit Fähigkeiten zur Reduktion der Ordnung.

Nach der Lösung des Gleichungssystems stehen also folgende Größen für das Postprozessing zur Verfügung:

• Translationsgeschwindigkeiten

• Rotationsgeschwindigkeiten

• Schwerpunktkoordinaten

• Orientierungswinkel zur Beschreibung der Raumlage

• aufgebrachte, äußere Kräfte

• Gelenk- bzw. Constraintkräfte

2.1.2

Einschränkungen

Beschränkung bei MKS-Systemen und Abgrenzung zu FEM

Eine ganz grundlegende Eigenschaft und Einschränkung ist bei MKS durch die Starrheit der betrachteten Körper gegeben. Ein Bewegungskörper kann im Raum bewegt, aber nicht deformiert werden. Reale Körper werden bei MKS auf ihre Massen, Trägheitseigenschaften und geometrischen Abmessungen reduziert, ihre Verformungseigenschaft wird jedoch vernachlässigt. Dies ist der grundsätzliche Unterschied zur Strukturmechanik, bei der mithilfe der Finite-Elemente-Methode flexible Körper, also Deformationen und Beanspruchungen betrachtet werden. Nachteil der FEM gegenüber der MKS ist jedoch, dass mit linearer FEM keine Bewegungen, sondern nur kleine Deformationen möglich sind. Die Annahme von Starrheit der Bewegungskörper bei MKS bringt den Vorteil der Einfachheit der Berechnung. Daher lassen sich auch komplexe Bewegungen an großen Baugruppen analysieren.

Spiel, Toleranz und flexible Teile können bei MKS nur mit größerem Aufwand modelliert werden.

Allerdings gibt es einige Effekte in der Realität, die sich nur schwer mit MKS behandeln lassen. Dies sind Effekte wie Spiel, Toleranz und Flexibilität. Weil solche Effekte im MKS-Modell meist nicht berücksichtigt werden, kommt es in manchen Fällen am MKS-Modell beispielsweise zu Klemmsituationen, wobei in Wirklichkeit geringfügiges Spiel in den Gelenken oder die Flexibilität eines Körpers für problemlose Bewegung sorgt.

Zwar kann Spiel auch in MKS berücksichtigt werden, jedoch müssen die beteiligten Teile dynamisch betrachtet und Kontakte mit Rückstellkräften einbezogen werden. Dann existieren offene Freiheitsgrade im System, und die Aufgabe wird erfahrungsgemäß deutlich schwieriger in der...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 13.2.2014
• Zusatzinfo: mit vierfarbiger Bilderstrecke
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: CFD • Datenmanagement • EM • FEM • Kinematik • Siemens NX 9 • Simulationen
• ISBN-10: 3-446-44686-9 / 3446446869
• ISBN-13: 978-3-446-44686-1 / 9783446446861