Lösung für Digital Prototyping
Autodesk Digital Prototyping ist ein innovativer Ansatz, mit dem Sie Ihre Ideen ausprobieren können, bevor sie umgesetzt werden. Es ist eine effiziente Methode zur disziplinübergreifenden Zusammenarbeit. Es gestattet sowohl Selbständigen als auch Unternehmen jeder Größe, ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen als je zuvor. Vom Konzept über Konstruktion, Fertigung, Marketing und darüber hinaus optimiert Autodesk Digital Prototyping die Produktentwicklung von der ersten Idee bis zur Lieferung an den Kunden und darüber hinaus.
Wie passt Simualtion zum Digital Prototyping? Simulation ergänzt den Digital-Prototyping-Zyklus um folgende Funktionen:
- Sie können Konstruktionsvarianten bereits in einem frühen Stadium des Konstruktionsprozesses erkunden.
- Mithilfe von Simulationen können Sie die Produktleistung bereits prognostizieren, bevor teure Prototypen erstellt und getestet werden.
- Sie können eine Produktvarianten validieren, damit Sie wissen, wie Ihre Bauitele sich in der Praxis verhalten.
Warum brauchen wir FEM?
FEM bietet beträchtlichen Mehrwert für den Produktplanungsprozess. Sie erhalten umfassende Einblicke und Anhaltspunkte für die Konstruktion, sodass Sie bessere Produkte erstellen können. Zu den besonderen Vorteilen und Ergebnissen des Einsatzes von FEM zählen unter anderem:
- Leistungprognose für den geplanten Einsastzzweck.
- Ermittlung möglichen Versagens bei vorhersehbarem Missbrauch.
- Bewertung und Behebung beobachteter Fehler.
- Höhere Leistung und Sicherheit einer bekannten Konstruktion.
- Verbesserungen bei Kosten/Gewicht einer bekannten Konstruktion.
- Entwicklung neuer und innovativer Konzepte.
- Einblicke in Entwurfskonzepten oder -richtungen.
- Modellierungsentscheidungen sollten auf Zielen basieren.
Darum ist FEM so leistungsstark
In diesem einfachen Fall beschreiben einfache technische Gleichungen die Spitzenspannung:
Als etwas komplexeren Fall können wir die einfachen technischen Gleichungen um Spannungskonzentrationsfaktoren aus einem Strukturtext (beispielsweise Roark) eweitern, um die Spitzenspannung zu bestimmen:
Allerdings sind die technischen Gleichungen bei einer etwas komplexeren Aufgabenstellung nicht mehr ausreichend, um die Spitzenspannung zu bestimmen. Hier ist FEM die beste Wahl.
Grundlegende FEM-Konzepte
Die Kraft wird aus den gemessenen Verschiebungen ermittelt:
Die Spannung wird aus dem gemessenen Verschiebungen ermittelt:
Der FEM-Prozess
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Schritt 1: Geometrie erstellen |
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Schritt 2: Materialeigenschaften zuweisen |
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Schritt 3: Netz erstellen |
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Schritt 4: Lasten und Abhängigkeiten anwenden |
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Schritt 5. Ergebnisse prüfen Mit den Ergebnissen können Sie feststellen, ob Planungsänderungen nötig sind, um das Fehlerrisiko zu senken, die Leistung zu verbessern oder die Kosten zu optimieren. |
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Ändern Sie die Konstruktion bzw. die Bedingungen wiederholen Sie gegebenenfalls die Schritte.
Die grundlegenden Annahmen bei der FEM-Analyse
Dieser Abschnitt beschreibt die Annahmen, die zur Definition einer FEM-Analyse nötig sind. Hierzu zählen Analysegeometrie, Materialien, Vernetzung, Lasten, Abhängigkeiten und die Auswahl des entsprechenden physikalischen Eigenschaften für den jeweilgen Fall.
Modellieren von Idealisierungen
Die wichtigsten 3D-Simulationen und Modellierungsidealisierungen sind:
- Balkensimulation
- Symmetrie und Antisymmetrie
- Platten- oder Schalenmodelle
- 3D-Volumenkörper
Die wichtigsten Querschnittsidealisierungen sind:
- Ebenenspannung
- Ebenendehnung
Idealisierungen und Elementtypen
Ein Netz finiter Elemente besteht aus Knoten und Elementen:
- Knoten sind Punkte im dreidimensionalen Raum.
- Elemente sind Flächen oder Volumenkörper, die durch Knoten definiert werden:
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Elementtyp |
Beispielelemente |
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Volumenkörperelemente Keine Elementeigenschaften erforderlich. |
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Schalenelemente Elementdicke erforderlich. |
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Linienelemente Querschnitt und Ausrichtung erforderlich. |
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Materialien und Eigenschaftsdefinitionen
Eigenschaften dienen bei Autodesk Inventor Nastran zwei Hauptzwecken:
- Sie verweisen auf Materialien.
- Sie werden genutzt, um den in der Analyse verwendeten Elementtyp anzugeben.
Materialien sind physische Substanzen, die im Modell verwendet werden (Aluminium, Stahl usw.). Sie können sie entweder aus einer Materialbibliothek importieren oder Eigenschaftsdaten eingeben, um das Material zu definieren.
Materialeigenschaften
Es ist wichtig, den passenden Materialtyp zu verwenden. Für lineare Analysen gibt es folgende Auswahlmöglichkeiten:
- Isotrop
- Orthotrop
- Anisotrop
In einigen Fällen müssen Sie stattdessen möglicherweise nichtlineare Materialien verwenden. Sie sollten daher erwägen, ob es möglich ist, ein nichtlineares Material als linear zu idealisieren. Stellen Sie fest, ob Sie sich im linear elastischen Bereich befinden, oder ob es eine dieser Möglichkeiten sein sollte:
Geometrie
Es gibg zwei Möglichkeiten, Ihrem Analysemodell Geometrie hinzuzufügen:
- Öffnen oder importieren Sie ein vorhandenes CAD-Modell.
- Erstellen Sie die Geometrie in der CAD-Umgebung.
Hier einige Grunregeln für die bei FEM-Analysen verwendete Geometrie:
- Ein gutes Netz beginnt mit guter Geometrie.
- Erstellen Sie möglichst eine Geometrie, die der gewählten Idealisierung entspricht:
- Volumenkörperelemente – Volumenkörpergeometrie
- Schalenelemente – Oberflächengeometrie
- Balkenelemente – Drahtkörpergeometrie
- Querschnittsidealisierung – 2D-Oberflächenabdeckung
- Die Geometrie liefert eine Vorlage für das Netz:
- Vermeiden Sie Splitterflächen verhindern, schmale Begrenzungen, kleine Eigenschaften.
Grundlagen der Vernetzung
- Nicht alle Netze sind gute Netze:
- Wenn das Netz zu grob ist (zu große Elemente), wird das Modell zu steif.
- Lokale Spannungen werden am stärksten beeinflusst.
- Konvergenz ist der Vorgang, bei dem die Elementgröße an den erforderlichen Stellen verringert wird, um sicherzustellen, dass die richtige Antwort wird berechnet wird.
- Nicht alle Elemente sind nicht gleich:
- Alle FEM-Solver gehen davon aus, dass Vierecke Rechtecke und Dreiecke gleichseitig sind.
- Eine gewisse Abweichung ist akzeptabel – große Abweichungen führen zu Fehlern.
- Durch das Konvergenzverfahren werden eventuelle Fehler minmiert.
- Element-Empfehlungen:
- Linienelemente sind immer gut – Konvergenz ist nicht erforderlich: Stäbe/Balken/Stangen.
- Die meisten Schalenmodell bevorzugen lineare Viereckelemente. Der Inventor Nastran Shell Mesher kann zur Vervollständigung des Netzes auf Grundlage der Geometrie Dreiecke einfügen.
- Parabolische Volumenkörper-Tetraeder werden bevorzugt. Lineare Tet-Elemente verhalten sich zu steif – für Trendstudien OK.
Randbedingungen – Lasten und Abhängigkeiten
Verwenden Sie Randbedingungen zur Darstellung des Zusammenspiels zwischen den Teilen, die Sie modelliert haben, und denen, die Sie nicht modelliert haben. Ihre Randbedingungen dürfen keine Verschiebungen, Spannungen, Steifigkeit oder sonstiges Verhalten verlangen, das die nichgt von Ihnen modellierten Teile nicht auch verlangt hätten.
Die falsche Verwendung von Randbedingungen ist die häufigste Fehlerquelle bei Benutzern alller Kenntisstufen.
- Wenden Sie CAD-basierte Randbedingungen auf Flächen, Kanten oder Knoten an.
- Verwenden Sie für erweiterte Randbedingungen starre Elemente und Körperlasten.
Einige Grundregeln lauten:
Wählen Sie die passenden physikalischen Bedingungen
Die Auswahl der richtigen physikalischen Bedignugen ist äußerst wichtig für eine erfolgreiche und präzise Analyse. Folgendes sollten Sie beachten:
- Statisch: Langsam angewendete, ständige Last. Hierzu zählen Kontakt, Kontakt mit Reibung, große Verschiebung/Spannungsversteifung.
- Frequenz: Bestimmte Eigenfrequenzen, um die Schwingungsreaktion zu vestehen.
- Dynamisch: Tatsächliche Reaktion auf zeit- oder frequenzabhängige Eingaben.
- Knicken: Steifigkeitsabhängige Instabilität aufgrund Druck.
- Thermisch: Temperaturschwankungen oder Wärmestrom.
- Falltest: Einwirkung eines Bauteils oder einer Baugruppe auf den Boden.
- Ermüdung: Reaktion auf eine zyklische Last; geschätzte Lebensdauer.
- Nichtlinear: Nichtlineares Spannungs-/Dehnungs- oder pfadabhängiges Verhalten.
Es ist wichtig, die Grenzen all dieser Lösungstypen zu verstehen:
- Sind meinem Modell und meine Lasten wirklich linear statisch?
- Ist es eine dynamische Analyse?
- Ist sie nichtlinear?
- Werden Knickungen auftreten?
- Wirkt sich die Temperatur auf Lasten, Steifigkeiten oder Spannungen aus?
Übersicht über die FEM-Grundlagen
Im Prinzip löst FEM F= Kx {F}=[K]{x} oder P= Ma+Bv+Kx für Dynamik.
Nullwerte bei Steifigkeit und Masse führen zu Singularitäten und damit zu einer Lösung, die versagt.
Autodesk Inventor Nastran kann nur die Fragen beantorten, die Sie stellen. Der wichtigste Erfolgsfaktor bei FEM ist technisches Urteilsvermögen. Damit können alle Simulationseingaben ordnungsgemäß quantifiziert werden.
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