Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench (eBook)

Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik. Mit 30 Übungsbeispielen

Christof Gebhardt (Autor)

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2018 | 3., aktualisierte Auflage
454 Seiten
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
978-3-446-45929-8 (ISBN)

Infos

Die Leistungsfähigkeit virtueller Produkte mit ANSYS Workbench simulieren und optimieren
ANSYS Workbench ist eine der meistverbreiteten Softwarelösungen für strukturmechanische Simulationen, mit deren Hilfe Produkte schneller, zu geringeren Kosten und mit höherer Qualität auf den Markt gebracht werden können. Dieses Praxisbuch vermittelt alle notwendigen Grundlagen, um mit ANSYS Workbench einfache bis komplexe Simulationen durchzuführen. Es richtet sich an Entwicklungsingenieure und Produktentwickler.
Kompakt und leicht verständlich führt es in die Finite-Elemente-Methode (FEM) ein und erläutert die Anwendungsgebiete der linearen und nichtlinearen Statik und Dynamik. Für die praktische Anwendung werden die erforderlichen Arbeitsschritte in ANSYS Workbench behandelt. Dazu gehören die geeignete Vernetzung, die Definition und Kontrolle von Last- und Lagerbedingungen, aber auch die Wahl des passenden Berechnungsansatzes (lineare/nichtlineare oder implizite/explizite Lösung). Neu in dieser Auflage hinzugekommen sind die Themen Topologieoptimierung und Additive Fertigungssimulation.
30 Übungsbeispiele zeigen typische Vorgehensweisen, z. B. für die Berechnung von Kerbspannungen und Schraubverbindungen, die Abbildung hyperelastischen und plastischen Materialverhaltens oder die Untersuchung von Schwingungen und instationären Vorgängen. Im Internet finden Sie die Geometrien und Musterlösungen zu den im Buch beschriebenen Übungen.

Autor

Dipl. Ing. (FH) Christof Gebhardt verfügt über langjährige Erfahrung als Berechnungsingenieur und hat zahlreiche Unternehmen mit den unterschiedlichsten Anforderungen bei ihrem Einstieg in die FEM-Simulation betreut.

Inhalt

Inhalt 6
Vorwort 12
1 Vorteile der simulationsgetriebenen Produktentwicklung 14
1.1 Zahl der Prototypen reduzieren 14
1.2 Kosten einsparen 16
1.3 Produktinnovationen fördern 17
1.4 Produktverständnis vertiefen 19
2 Voraussetzungen 22
2.1 Grundlagenkenntnisse 22
2.2 Organisatorische Unterstützung 23
2.3 Geeignete Soft- und Hardware-Umgebung 23
3 Grundlagen der FEM 26
3.1 Grundidee 26
3.2 Was heißt Konvergenz? 31
3.3 Was heißt Divergenz? 32
3.4 Genauigkeit 33
4 Anwendungsgebiete 36
4.1 Nichtlinearitäten 37
4.1.1 Kontakt 38
4.1.2 Nichtlineares Material 39
4.1.3 Geometrische Nichtlinearitäten 41
4.2 Statik 42
4.3 Beulen und Knicken 49
4.4 Dynamik 52
4.4.1 Modalanalyse 52
4.4.2 Angeregte Schwingungen 56
4.4.3 Fortgeschrittene modalbasierte Dynamik 58
4.4.4 Nichtlineare Dynamik 66
4.5 Design for Additive Manufacturing 80
4.6 Betriebsfestigkeit 84
4.7 Composites 92
4.8 Weitergehende Simulationen 95
4.8.1 Temperaturfelder 95
4.8.2 Strömung 96
4.8.3 Elektromagnetische Felder 97
4.8.4 Gekoppelte Analysen 98
4.8.5 Systemsimulation 101
4.9 Robust-Design-Optimierung 103
5 Standardisierung und Automatisierung 110
5.1 Generische Lastfälle 110
5.2 Skriptprogrammierung 112
5.3 Makrosprache Mechanical APDL 114
5.4 FEM-Simulation mit dem Web-Browser 116
6 Implementierung 118
6.1 Training 118
6.2 Anwenderunterstützung 120
6.3 Qualitätssicherung 121
6.4 Datenmanagement 122
6.5 Hardware und Organisation der Berechnung 122
7 Erster Start 128
7.1 Analyse definieren 129
7.2 Berechnungsmodell und Lastfall definieren 131
7.3 Ergebnisse erzeugen und prüfen 135
8 Der Simulationsprozess mit ANSYS Workbench 140
8.1 Projekte 141
8.1.1 Systeme und Abhängigkeiten 142
8.1.2 CAD-Anbindung und geometrische Varianten 145
8.1.3 Archivieren von Daten 150
8.2 Analysearten 152
8.3 Technische Daten für Material 154
8.4 Geometrie 156
8.4.1 Modellieren mit dem DesignModeler 156
8.4.2 Geometrie erstellen 157
8.4.2.1 Geometrie aufbereiten 165
8.4.3 Analysen in 2D 171
8.4.4 Balken 173
8.5 Modell 176
8.5.1 Die Mechanical-Applikation 177
8.5.1.1 Selektion 177
8.5.1.2 Komponenten 179
8.5.1.3 Steuerung der Ansichten 179
8.5.2 Geometrie in der Mechanical-Applikation 181
8.5.3 Koordinatensysteme 182
8.5.4 Virtuelle Topologie 184
8.5.5 Kontakte 185
8.5.5.1 Funktionsprinzip von Kontaktelementen 185
8.5.5.2 Baugruppen-Handling 186
8.5.5.3 Kontaktdefinition 188
8.5.6 Netz 194
8.5.6.1 Adaptive Vernetzung 195
8.5.6.2 Manuelle Vernetzung 199
8.5.6.3 Kontrolle der Vernetzung 205
8.5.6.4 Dünnwandige Bauteile 209
8.6 Setup 217
8.6.1 Analyseeinstellungen 217
8.6.2 Randbedingungen 219
8.6.2.1 Mechanische Randbedingungen 220
8.6.2.2 Thermische Randbedingungen 229
8.6.2.3 Symmetrie 231
8.6.2.4 Schrauben 236
8.6.2.5 Schweißnähte 244
8.6.3 Definitionen vervielfältigen 246
8.7 Lösung 247
8.7.1 Solver-Informationen 250
8.7.2 Konvergenz nichtlinearer Analysen 251
8.7.3 Wenn die Berechnung nicht durchgeführt wird 254
8.8 Ergebnisse 256
8.8.1 Spannungen, Dehnungen, Verformungen 256
8.8.2 Darstellung der Ergebnisse 260
8.8.2.1 Fokussierung der Ergebnisdarstellung 263
8.8.2.2 Animation 266
8.8.3 Automatische Dokumentation – Web-Report 267
8.8.4 Schnitte 268
8.8.5 8.8.5?Reaktionskräfte und -momente 270
8.8.6 Ergebnisbewertung mit Sicherheiten 271
8.9 Lösungskombinationen 272
9 Übungen 274
9.1 Biegebalken 275
9.2 Scheibe mit Bohrung 277
9.3 Parameterstudie 279
9.4 Designstudien, Sensivitäten und Optimierung mit optiSLang 285
9.5 Temperatur und Thermospannungen 296
9.6 Festigkeit eines Pressenrahmens 298
9.7 FKM-Nachweis 304
9.8 Presspassung 310
9.9 Hertz’sche Pressung 314
9.10 Steifigkeit von Kaufteilen 318
9.11 Druckmembran mit geometrischer Nichtlinearität 324
9.12 Elastisch-plastische Belastung einer Siebtrommel 328
9.13 Bruchmechanik an einer Turbinenschaufel 337
9.14 Schraubverbindung 346
9.15 Elastomerdichtung 350
9.16 Aufbau und Berechnung eines Composite-Bootsrumpfs 359
9.17 Beulen einer Getränkedose 371
9.18 Schwingungen an einem Kompressorsystem 378
9.19 Mehrkörpersimulation 385
9.20 Containment-Test einer Turbine 391
9.21 Falltest für eine Hohlkugel 398
9.22 Lineare Dynamik einer nichtlinearen Elektronikbaugruppe 404
9.23 Kopplung von Strömung und Strukturmechanik 415
9.24 Akustiksimulation für einen Reflexionsschalldämpfer 417
9.25 Schallabstrahlung eines Eisenbahnrades 420
9.26 Elektrisch-thermisch-mechanischer Mikroantrieb 425
9.27 Verhaltensmodell für die Systemsimulation einer Messmaschine 429
9.28 Topologieoptimierung 434
9.29 Lattice-Optimierung 439
9.30 Simulation der Additiven Fertigung 441
10 Konfiguration von ANSYS Workbench 444
10.1 Maßeinheiten und Geometriearten festlegen 444
10.2 Simulationseinstellungen 445
11 Export von Daten 448
11.1 Einbindung von alternativen Solvern 448
11.2 Export zu Excel 449
Index 452

Textauszug

1	Vorteile der simulationsgetriebenen Produktentwicklung

Herausforderungen

Das Umfeld, in dem sich die heutige Produktentwicklung befindet, erfährt immer schnellere Zyklen. Die Anforderungen von Kundenseite steigen, die Komplexität von technischen Systemen nimmt zu. Steigende Variantenvielfalt und höhere Qualitätsanforderungen zwingen zu einer verbesserten Produktqualität. Gleichzeitig treten neue Konkurrenten auf den Weltmarkt, welche die traditionelle Produktentwicklung zu deutlich niedrigeren Kosten bewerkstelligen können.

Um sich unter diesen verschärften Wettbewerbsbedingungen behaupten zu können, müssen alle Anstrengungen unternommen werden,

• die Entwicklungszeiten zu verringern,

• die Herstellkosten zu senken,

• die Innovation und Kreativität zu steigern,

• und eine höhere Qualität zu erzielen.

Entwicklungszeit

Die Verkürzung der Entwicklungszeit erlaubt es, mit einem Produkt schneller am Markt zu sein, und ermöglicht einen schnelleren Produktwandel. Besonders bedeutsam ist eine rasche Prototypenentwicklung. Prof. Bullinger stellte in der Zeitschrift Technica fest, dass häufig 25 % der Entwicklungszeit für die Erstellung von Prototypen aufgewendet wird und dass bei 60 % der Prototypen die Fertigungszeit mehrere Monate in Anspruch nimmt.

1.1	Zahl der Prototypen reduzieren

Zahl der Prototypen reduzieren

Die FEM-Simulation erlaubt es, die Anzahl der Prototypen deutlich zu reduzieren. Bereits während der Entwicklung können in frühen Phasen des Entwurfs die wesentlichen Eigenschaften überprüft werden. Gerät z. B. der Maschinentisch einer Werkzeugmaschine in Resonanz, weil die Eigenfrequenz in der Nähe der Anregungsfrequenz des Antriebes liegt, sind tief greifende Änderungen notwendig. Anstatt solche Probleme erst am realen Prototypen festzustellen, wo Änderungen sehr zeit- und kostenintensiv sind, werden durch entwicklungsbegleitende Überprüfungen per FEM Problemzonen noch vor dem Bau eines Prototypen sichtbar. Mit dem Einsatz der FEM-Simulation werden weniger Änderungen notwendig und die Entwicklungszeiten verkürzen sich dadurch drastisch.

Aufwendige Versuche

Ein wichtiger Aspekt, der zur Verkürzung der Entwicklungszeit beiträgt, ist, dass problematische Bereiche nicht mühsam in mehreren Versuchen ermittelt werden müssen. Im realen Versuch tritt beispielsweise bei einer bestimmten statischen Belastung oder nach einer bestimmten Anzahl von Lastzyklen ein Versagen eines Bauteils auf. Damit ist in der Regel der Versuch zu Ende und die maximale ertragbare Last ermittelt. Man sieht, welcher Bereich das Versagen verursacht hat (z. B. Anriss an einer Kerbe; Messpunkt 3, siehe Bild 1.1), und kann entsprechende Konstruktionsänderungen vornehmen. In einem nächsten Versuch wird dann die maximal ertragbare Last der verbesserten Struktur ermittelt. Leider kann es jetzt geschehen, dass die neue, verbesserte Variante nur knapp bessere Werte ergibt, da das Spannungsniveau in anderen Bereichen der Struktur (hier Messpunkt 1, siehe Bild 1.1) ähnlich hoch ist, im ersten Versuch jedoch nicht erkannt werden konnte. Der große Vorteil des Versuchs ist, dass er für klare Versuchsbedingungen genaue Werte ergibt, ein Gesamtüberblick über das Bauteilverhalten gerade hinsichtlich Festigkeit ist jedoch schwer zu erreichen. Selbst bei Verwendung von Dehnmessstreifen muss die Lage der DMS im Vorfeld schon richtig eingeschätzt werden, weil man auch mit falscher oder fehlender Positionierung eines Messpunktes kritische Bereiche nicht erkennt.

 

Bild 1.1 Ertragbare Belastung an vier verschiedenen Messpunkten

Weniger Durchläufe

Im Vergleich hierzu liefert die Berechnung nach der Finite-Elemente-Methode einen besseren Gesamtüberblick. Innerhalb der zu untersuchenden Baugruppe werden überall die Spannungen ermittelt und dargestellt, sodass in einem einzigen Durchlauf nicht nur ein einziges lokales Spannungsmaximum erkannt und bearbeitet werden kann, sondern auch alle weiteren Bereiche, deren Spannungsniveau sich in kritischen Regionen befindet.

Ausgelagerte Fertigung

Bei der Breyton Design GmbH entwickelt ein kleines Team von wenigen Ingenieuren Leichtmetallräder und Fahrwerkskomponenten für die Automobilindustrie. Gefertigt wird in Osteuropa, Test und Abnahme finden in Deutschland statt. Vor der Einführung der FEM-Simulation musste jede Design-Verifikation an realen Prototypen mit einem Biegeumlaufversuch durchgeführt werden. Die Zeit zur Beschaffung von Guss-Prototypen war und ist zeitaufwendig; mehrere Wochen sind hier nicht unüblich. Auch die Durchführung der Versuche braucht einige Zeit: Um die Streuung der im Versuch ermittelten Lebensdauer auszumerzen, werden mehrere Tests an gleichen Bauteilen durchgeführt. Insgesamt führte der hohe Aufwand bei der Beschaffung der Prototypen und im Versuch dazu, dass die Entwickler mit dieser traditionellen Methode erst sehr spät im Entwicklungsprozess auf eine zu geringe Lebensdauer aufmerksam wurden.

Virtueller Versuch

Mit der Einführung von ANSYS Workbench wird heute ein „virtueller Biegeumlaufversuch“ direkt am 3D-CAD-Modell durchgeführt (siehe Bild 1.2). Kritische Belastungen werden so rechtzeitig erkannt. Über eine Design-Studie mit zwei bis drei konstruktiven Änderungen kann innerhalb eines halben Tages ein verbessertes, validiertes Design ermittelt werden.

 

Bild 1.2 Lebensdauerbewertung an Autofelgen

1.2	Kosten einsparen

Materialkosten

Die Kosten eines Produktes werden vielfach auch durch das Material mitbestimmt. Die Stahlpreise haben sich seit 2000 mehr als verdoppelt, der zunehmende Ressourcenbedarf wird langfristig ein sinkendes Preisniveau für Rohstoffe verhindern. Die FEM-Berechnung erlaubt es, Bauteile hinsichtlich Festigkeit zu überprüfen. Überdimensionierungen gehören damit der Vergangenheit an. Überflüssiges Material kann eingespart und das Gewicht minimiert werden.

Beispiel AGCO FENDT: Durch Optimierung des mittragenden Antriebsstrangs bei Traktoren kann Material eingespart werden.

 

Bild 1.3 Spannungsverteilung eines Traktor-Antriebsstrangs

Fertigungskosten senken

Gerade bei schnell bewegten Strukturen wie z. B. Bestückungsautomaten oder Robotern kann dadurch der Antrieb verkleinert werden, was zusätzliche Kostenreduzierungen nach sich zieht. Geringeres Gewicht erfordert geringe Antriebsleistung, sodass auch der Energieverbrauch reduziert wird. Als mögliche Alternative können kostengünstigere oder leichtere Werkstoffe (Kunststoffe, Leichtmetalle) in einer Simulation sehr schnell auf ihre Tauglichkeit getestet werden.

Die in ANSYS Workbench enthaltene Materialdatenbank ist mit einem Grundstock von Materialien verschiedener Gruppen (Metalle, Keramik etc.) ausgestattet, kann aber einfach um die unternehmensspezifisch bevorzugten Materialien erweitert werden. Vom Anbieter, der CADFEM GmbH, wird eine kostenfreie Materialdatenbank mitgeliefert, die ca. 250 vorwiegend metallische Werkstoffe enthält.

Fertigungskosten senken

Neben dem Materialeinsatz selbst spielt auch die Verarbeitung eine wichtige Rolle. Große Schweißstrukturen, bei denen Wandstärken reduziert werden können, helfen nicht nur, Gewicht einzusparen, sondern minimieren auch die Größe der Schweißnähte und damit Fertigungskosten.

1.3	Produktinnovationen fördern

Innovation und Kreativität

Durch den zunehmenden Wettbewerb muss die traditionelle Entwicklung, die auch von den (internationalen) Mitbewerbern zunehmend beherrscht wird, in den Bereichen Innovation und Kreativität gestärkt werden. Nur durch eine höhere Produktivität kann ein höheres Kostenniveau ausgeglichen werden....

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 12.11.2018
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: ANSYS Workbench • Dynamik • Praxisbeispiele • Produktentwicklung • Simulation • Statik • Strukturmechanik • Übungen • Version 19
• ISBN-10: 3-446-45929-4 / 3446459294
• ISBN-13: 978-3-446-45929-8 / 9783446459298