Software: CAD - Tutorial - Belastungsanalyse: Unterschied zwischen den Versionen

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<div align="center"> ''' Belastungsanalyse (Finite Elemente Methode) ''' </div>
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<div align="center">[http://www.ifte.de/mitarbeiter/kamusella.html '''Autor: Dr.-Ing. Alfred Kamusella''']</div>
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<div align="center"> - [http://de.wikipedia.org/wiki/Hieronymus_(Kirchenvater) '' Hieronymus ''] - </div>
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Im CAD-System ''Autodesk Inventor Professional'' existiert ein Modul, um innerhalb der CAD-Umgebung die mechanische Belastung von konstruierten Bauteilen untersuchen zu können. Diese Belastungsanalyse basiert auf der Technologie des FEM-Programms ANSYS. Nach der Definition der Bauteil/Baugruppen-Lasten ([http://de.wikipedia.org/wiki/Belastung_(Physik) ''Loads'']) und Einspann-Bedingungen ([http://de.wikipedia.org/wiki/Einspannung ''Constraints'']) hat man u.a. folgende Möglichkeiten der Analyse:
Im CAD-System ''Autodesk Inventor Professional'' existiert ein Modul, um innerhalb der CAD-Umgebung die mechanische Belastung von konstruierten Bauteilen untersuchen zu können. Diese Belastungsanalyse basiert auf der Technologie des FEM-Programms ANSYS. Nach der Definition der Bauteil/Baugruppen-Lasten ([http://de.wikipedia.org/wiki/Belastung_(Physik) ''Loads'']) und Einspann-Bedingungen ([http://de.wikipedia.org/wiki/Einspannung ''Constraints'']) hat man u.a. folgende Möglichkeiten der Analyse:
# Veranschaulichen der Bauteilverformung  
# Veranschaulichen der Bauteilverformung  
# Analysieren der Belastung anhand der Vergleichsspannung  
# Analysieren der Belastung anhand der Vergleichsspannung  
# Überprüfen von Sicherheitsfaktoren.
# Überprüfen von Sicherheitsfaktoren.
# Analysieren von Eigenfrequenzen ([http://de.wikipedia.org/wiki/Eigenform ''Moden''])  
# Analysieren von Eigenfrequenzen ([http://de.wikipedia.org/wiki/Moden ''Moden''])  


Im Folgenden wird an zwei Beispielen ein Einstieg in die Methodik der Belastungsanalyse aus der Sicht eines CAD-Nutzers gegeben:
Im Folgenden wird an zwei Beispielen ein Einstieg in die Methodik der Belastungsanalyse aus der Sicht eines CAD-Nutzers gegeben:
# Erläuterung des Prozesses der Finite-Element-Modellierung und -Simulation anhand eines einfachen "2D"-Bauteils ('''Lasche''').
# Prozess der Finite-Element-Modellierung und -Simulation anhand eines einfachen "2D"-Bauteils ('''Lasche''').
# Anwendung der Methode auf eine Baugruppe ('''Gummipuffer''').
# Anwendung der Methode auf eine Baugruppe ('''Gummipuffer''').


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'''0. Aufgabenstellung'''  
'''0. Aufgabenstellung'''  
:* Die im Titel abgebildete Lasche wird im Loch-Innern mit einem biegesteifen Bolzen verschweißt.
:* Die im Titelbild abgebildete Lasche wird im Loch-Innern mit einem biegesteifen Bolzen verschweißt.
:* Wie groß darf die Zugkraft maximal sein, damit bei einem Sicherheitsfaktor=2 die maximal zulässige Vergleichsspannung nicht überschritten wird?
:* Wie groß darf die Zugkraft maximal sein, damit bei einem Sicherheitsfaktor=2 die maximal zulässige Vergleichsspannung nicht überschritten wird?
:* Wie groß ist die maximale Verformung für den zulässigen Lastfall?
:* Wie groß ist die maximale Verformung für den zulässigen Lastfall?
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[[Bild:Software_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_gummipuffer_objekt.gif|right]]
[[Bild:Software_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_gummipuffer_objekt.gif|right]]
Es sollen sowohl die Materialbelastung als auch die Verformung eines Gummipuffers bei Einwirkung von Kräften untersucht werden:
Es sollen sowohl die Materialbelastung als auch die Verformung eines Gummipuffers bei Einwirkung von Kräften untersucht werden:
* An den Stirnflächen des Gummizylinders sind Stahlscheiben verklebt (Durch Vulkanisieren, damit keine zusätzliche Zwischenschicht entsteht).  
* An den Stirnflächen des Gummizylinders sind Stahlscheiben verklebt (Durch Vulkanisieren, damit ohne zusätzliche Zwischenschicht).  
* Das Durchgangsloch hat einen Durchmesser von 4&nbsp;mm.  
* Das Durchgangsloch hat einen Durchmesser von 4&nbsp;mm.  
* Die Gesamthöhe des Puffers (Scheiben plus Gummi) beträgt 30&nbsp;mm.  
* Die Gesamthöhe des Puffers (Scheiben plus Gummi) beträgt 30&nbsp;mm.  
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** Poisson Zahl=0,5 (idealisiert!)  
** Poisson Zahl=0,5 (idealisiert!)  
** Expansionskoeff. therm.=1E-4/K  
** Expansionskoeff. therm.=1E-4/K  
** Zugfestigkeit= 10&nbsp;MPa  
** Streckspannung= 10&nbsp;MPa
** Zugfestigkeit= 27,6&nbsp;MPa  
** Druckfestigkeit=110&nbsp;MPa  
** Druckfestigkeit=110&nbsp;MPa  
** Dichte=1,1&nbsp;g/cm³  
** Dichte=1,1&nbsp;g/cm³  
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* Für den obigen Verwendungszweck kann man '''''&nu;''=0,49''' annehmen.  
* Für den obigen Verwendungszweck kann man '''''&nu;''=0,49''' annehmen.  
* Bei FE-Programmen kann dieser nahe am Grenzwert=0,5 liegende ''&nu;''-Wert zu Problemen führen, da in den Gleichungssystemen der Quotient (1-2''&nu;'') auftaucht. Bei ''&nu;''=0,5 kommt es zur Division durch Null, kurz davor können die großen Zahlen Ursache von Fehlern sein.  
* Bei FE-Programmen kann dieser nahe am Grenzwert=0,5 liegende ''&nu;''-Wert zu Problemen führen, da in den Gleichungssystemen der Quotient (1-2''&nu;'') auftaucht. Bei ''&nu;''=0,5 kommt es zur Division durch Null, kurz davor können die großen Zahlen Ursache von Fehlern sein.  
Welchen konkreten Wert man benutzt, ist nicht egal! Bereits die geringen Änderungen von ''&nu;'' zwischen 0,48 und 0,4998 ändert die Kompressibilität um den Faktor 100 :  
Welchen konkreten Wert man benutzt, ist nicht egal! Bereits die geringe Änderung von ''&nu;'' zwischen 0,48 und 0,4998 ändert die [http://de.wikipedia.org/wiki/Kompressionsmodul '''Kompressibilität'''] um den Faktor 100 :  
 
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<div align="right">(Siehe: [http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/Kapitelseiten/Kapitel02.html Fachwissen-Dichtungstechnik] )</div>
<div align="right">(Siehe: [http://www.fachwissen-dichtungstechnik.de/Kapitelseiten/Kapitel02.html Fachwissen-Dichtungstechnik] )</div>
'''Vorgehensweise:'''
:'''Vorgehensweise:'''
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Modell|CAD-Modell entwicklen]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Modell|CAD-Modell entwickeln]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Preprocessing|Preprocessing (Netz, Constraint, Load)]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Preprocessing|Preprocessing (Netz, Constraint, Load)]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Postprocessing|Postprocessing]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Postprocessing|Postprocessing]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Symmetrieschnitt|Symmetrieschnitt]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Lastfaelle|Unterschiedliche Lastfälle (Flächenlast, Eigengewicht, Rotation)]]
:* [[Software:_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_CAD-Belastungsanalyse_Lastfaelle|Unterschiedliche Lastfälle (Flächenlast, Eigengewicht, Rotation)]]


=== Einzusendende Ergebnisse ===
=== Einzusendende Ergebnisse ===
[[Bild:Software_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_ordnerstruktur.gif|right]]
 
Teilnehmer der Lehrveranstaltung [http://www.ifte.de/lehre/cad/index.html "CAD-Konstruktion"] schicken ihre Ergebnisse per Mail an '''a.kamusella[[Bild:Char-ed.gif]]ifte.de'''.
'''''Hinweis:'''''<br>Mit der ''Inventor''-Version 2013 entstand ein Problem! Nach einer FEM-Berechnung wächst die Dateigröße der CAD-Modelldateien stark an (im Beispiel auf bis ca. 100 MB). Das liegt daran, dass der ''Inventor'' die bei der Berechnung erstellten Dateien (.fins, .fsat, .ftes, .fwiz, .fmsh, .fres) nicht mehr nur als separate Dateien in dem Ordner ablegt, der den gleichen Namen besitzt, wie das simulierte Bauteil bzw. die Baugruppe. Zusätzlich bettet ''Inventor'' diese Informationen in die CAD-Dateien (.ipt, .iam) ein, was logischerweise dazu führt, das die Dateigröße extrem anwächst. Dieses Problem und seine Lösung wird im [http://inventorfaq.blogspot.de/2012/06/inventor-2013-dateigroe-nimmt-stark.html '''Blog Autodesk Inventor FAQ'''] beschrieben.
 
'''1. Bauteil-Belastung:'''
Im Rahmen dieser Übung wird folgende Vorgehensweise vor dem Einsenden der Lösungsdateien empfohlen:
:* Als Anhang der Mail mit (xx=Teilnehmer-Nummer 01...99) ist ein Archiv-File (z.B. '''Belastung_xx.ZIP''') mit folgendem Inhalt zu senden:
# ''Inventor'' nach dem letzten Speichern beenden.
::# Die beiden Dateien '''Lasche_xx.ipt''' und '''Lasche2_xx.ipt'''
# Löschen der Ordner ''Lasche_xx'', ''Gummipuffer_xx'' und ''Oldversions''
::# Die zugehörigen '''''reduzierten''''' Ordner '''Lasche2_xx''' und '''Lasche2_xx''':
# ''Inventor'' starten und CAD-Datei öffnen ('''Lasche-xx.ipt''' bzw. '''Gummipuffer_xx.iam''')
:* In den Unterordnern '''''Simulation_0''''' sind die Dateien '''''*.fmsh''''' und '''''*.fres''''' zu löschen.
# Bei eventuellen Verknüpfungsfehlern "Alle überspringen"
:* Ansonsten werden für jedes Bauteil komprimiert 5 bis 10 MByte benötigt!
# Alle Verknüpfungen zu den Ergebnissen in der CAD-Datei lösen mittels '''''MFL > Extras > Verknüpfungen'''''.
'''2. Baugruppen-Belastung:'''
# CAD-Datei anschließend speichern ('''Lasche-xx.ipt''' bzw. '''Gummipuffer_xx.iam''') ergibt handliche Dateigrößen.
:* Gummipuffer_xx (die komplette Ordnerstruktur des Autodesk Inventor-Projektes):
# Erzeugen einer Archiv-Datei (z.B. '''Lasche_xx.zip''' aus '''Lasche_xx.ipt'''
<div align="center"> [[Bild:Software_FEM_-_Tutorial_-_3D-Mechanik_-_Belastungsanalyse_-_projektordner.gif| ]] </div>
# Erzeugen einer Archiv-Datei (z.B. '''Gummipuffer_xx.zip''') aus der Baugruppen-Datei '''Gummipuffer_xx.iam''' und den zugehörigen Bauteil-Dateien '''Stahlscheibe_xx.ipt''' sowie '''Gummihülse.ipt'''
:* Alle Dateien '''*.fmsh''' und '''*.fres''' in den Simulation_x-Ordnern vor dem Archivieren '''löschen''' um den Mail-Anhang nicht unnötig aufzublähen!
 
Einsendeschluss ist die Nacht vor dem nächsten Übungskomplex (bzw. 14 Tage nach der Übung).<div align="center"> [[Software:_CAD_-_Tutorial|&larr;]] [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Geometriemodell|&rarr;]] </div>
Teilnehmer der Lehrveranstaltung [http://www.ifte.de/lehre/cad/index.html "CAD-Konstruktion"] schicken ihre Ergebnisse <br>per Mail an '''a.kamusella[[Bild:Char-ed.gif]]ifte.de''':
* Die gestellten Fragen sind als Text innerhalb der Mail zu beantworten.
* Die zwei Archiv-Dateien sind als Mail-Anhang zu senden. Sind die Dateien wider Erwarten zu groß, dann:
*# Link auf einen Ort in der privaten DropBox (oder ähnlichen Webspace) oder
*# Hinweis auf den Ordner in dem Homeverzeichnis des Windowsservers im PC-Pool, wo sich die Dateien befinden oder
*# Hinweis auf persönliche Ablieferung mittels USB-Speicher oder CD beim Betreuer
*Einsendeschluss ist die Nacht 14 Tage nach der Übung. Die Nacht endet morgens um 10:00 Uhr.
 
'''Weiterführende Literatur:'''<br>
Günter Scheuermann: [http://www.amazon.de/gp/product/3446433333 ''Simulationen mit Inventor - FEM und dynamische Simulation''], Carl Hanser Verlag Münschen, ISBN 978-3-446-43333-5, 2012<div align="center"> [[Software:_CAD_-_Tutorial|&larr;]] [[Software:_CAD_-_Tutorial_-_Belastung_-_Geometriemodell|&rarr;]] </div>

Aktuelle Version vom 27. Februar 2015, 09:16 Uhr

7. Übung im CAD-Tutorial
Belastungsanalyse (Finite Elemente Methode)
Software CAD - Tutorial - Belastung mit lokalem Netz.gif
Geirrt zu haben, ist menschlich,
und einen Irrtum einzugestehen
Kennzeichen eines Weisen.

Im CAD-System Autodesk Inventor Professional existiert ein Modul, um innerhalb der CAD-Umgebung die mechanische Belastung von konstruierten Bauteilen untersuchen zu können. Diese Belastungsanalyse basiert auf der Technologie des FEM-Programms ANSYS. Nach der Definition der Bauteil/Baugruppen-Lasten (Loads) und Einspann-Bedingungen (Constraints) hat man u.a. folgende Möglichkeiten der Analyse:

  1. Veranschaulichen der Bauteilverformung
  2. Analysieren der Belastung anhand der Vergleichsspannung
  3. Überprüfen von Sicherheitsfaktoren.
  4. Analysieren von Eigenfrequenzen (Moden)

Im Folgenden wird an zwei Beispielen ein Einstieg in die Methodik der Belastungsanalyse aus der Sicht eines CAD-Nutzers gegeben:

  1. Prozess der Finite-Element-Modellierung und -Simulation anhand eines einfachen "2D"-Bauteils (Lasche).
  2. Anwendung der Methode auf eine Baugruppe (Gummipuffer).

Bauteil-Belastung

0. Aufgabenstellung

  • Die im Titelbild abgebildete Lasche wird im Loch-Innern mit einem biegesteifen Bolzen verschweißt.
  • Wie groß darf die Zugkraft maximal sein, damit bei einem Sicherheitsfaktor=2 die maximal zulässige Vergleichsspannung nicht überschritten wird?
  • Wie groß ist die maximale Verformung für den zulässigen Lastfall?
  • Wie ändert sich die Belastung, wenn die Lasche mittels Spielpassung auf einem biegesteifen Bolzen befestigt wird?

1. Preprocessing (Modellbildung)

2. Modellberechnung

3. Postprocessing (Ergebnisse)

4. Konstruktive Änderung

Baugruppen-Belastung

Software FEM - Tutorial - 3D-Mechanik - gummipuffer objekt.gif

Es sollen sowohl die Materialbelastung als auch die Verformung eines Gummipuffers bei Einwirkung von Kräften untersucht werden:

  • An den Stirnflächen des Gummizylinders sind Stahlscheiben verklebt (Durch Vulkanisieren, damit ohne zusätzliche Zwischenschicht).
  • Das Durchgangsloch hat einen Durchmesser von 4 mm.
  • Die Gesamthöhe des Puffers (Scheiben plus Gummi) beträgt 30 mm.
  • Die Stahlscheiben haben folgende Eigenschaften:
    • Material Stahl C35
    • Außendurchmesser 20 mm
    • Lochdurchmesser 4 mm
    • Dicke 0,5xx mm (mit xx=Teilnehmer-Nr. 01...99)
  • Der Gummi hat folgende Material-Eigenschaften:
    • E-Modul = 5 N/mm²
    • Poisson Zahl=0,5 (idealisiert!)
    • Expansionskoeff. therm.=1E-4/K
    • Streckspannung= 10 MPa
    • Zugfestigkeit= 27,6 MPa
    • Druckfestigkeit=110 MPa
    • Dichte=1,1 g/cm³

Hinweis: Eine Querkontraktionszahl von 0,5 ist der maximal mögliche Wert und entspricht einem inkompressiblem Material. Einige Gummiarten erreichen fast diesen Wert:

  • Für den obigen Verwendungszweck kann man ν=0,49 annehmen.
  • Bei FE-Programmen kann dieser nahe am Grenzwert=0,5 liegende ν-Wert zu Problemen führen, da in den Gleichungssystemen der Quotient (1-2ν) auftaucht. Bei ν=0,5 kommt es zur Division durch Null, kurz davor können die großen Zahlen Ursache von Fehlern sein.

Welchen konkreten Wert man benutzt, ist nicht egal! Bereits die geringe Änderung von ν zwischen 0,48 und 0,4998 ändert die Kompressibilität um den Faktor 100 :

  v:   0,33   0,42   0,48   0,498   0,4998
——— ——— ——— ——— ———— ————
  K/E:   1   2   10   100   1000
K=Kommpressionsmodul, E=Elastizitätsmodul
Vorgehensweise:

Einzusendende Ergebnisse

Hinweis:
Mit der Inventor-Version 2013 entstand ein Problem! Nach einer FEM-Berechnung wächst die Dateigröße der CAD-Modelldateien stark an (im Beispiel auf bis ca. 100 MB). Das liegt daran, dass der Inventor die bei der Berechnung erstellten Dateien (.fins, .fsat, .ftes, .fwiz, .fmsh, .fres) nicht mehr nur als separate Dateien in dem Ordner ablegt, der den gleichen Namen besitzt, wie das simulierte Bauteil bzw. die Baugruppe. Zusätzlich bettet Inventor diese Informationen in die CAD-Dateien (.ipt, .iam) ein, was logischerweise dazu führt, das die Dateigröße extrem anwächst. Dieses Problem und seine Lösung wird im Blog Autodesk Inventor FAQ beschrieben.

Im Rahmen dieser Übung wird folgende Vorgehensweise vor dem Einsenden der Lösungsdateien empfohlen:

  1. Inventor nach dem letzten Speichern beenden.
  2. Löschen der Ordner Lasche_xx, Gummipuffer_xx und Oldversions
  3. Inventor starten und CAD-Datei öffnen (Lasche-xx.ipt bzw. Gummipuffer_xx.iam)
  4. Bei eventuellen Verknüpfungsfehlern "Alle überspringen"
  5. Alle Verknüpfungen zu den Ergebnissen in der CAD-Datei lösen mittels MFL > Extras > Verknüpfungen.
  6. CAD-Datei anschließend speichern (Lasche-xx.ipt bzw. Gummipuffer_xx.iam) ergibt handliche Dateigrößen.
  7. Erzeugen einer Archiv-Datei (z.B. Lasche_xx.zip aus Lasche_xx.ipt
  8. Erzeugen einer Archiv-Datei (z.B. Gummipuffer_xx.zip) aus der Baugruppen-Datei Gummipuffer_xx.iam und den zugehörigen Bauteil-Dateien Stahlscheibe_xx.ipt sowie Gummihülse.ipt

Teilnehmer der Lehrveranstaltung "CAD-Konstruktion" schicken ihre Ergebnisse
per Mail an a.kamusellaChar-ed.gififte.de:

  • Die gestellten Fragen sind als Text innerhalb der Mail zu beantworten.
  • Die zwei Archiv-Dateien sind als Mail-Anhang zu senden. Sind die Dateien wider Erwarten zu groß, dann:
    1. Link auf einen Ort in der privaten DropBox (oder ähnlichen Webspace) oder
    2. Hinweis auf den Ordner in dem Homeverzeichnis des Windowsservers im PC-Pool, wo sich die Dateien befinden oder
    3. Hinweis auf persönliche Ablieferung mittels USB-Speicher oder CD beim Betreuer
  • Einsendeschluss ist die Nacht 14 Tage nach der Übung. Die Nacht endet morgens um 10:00 Uhr.

Weiterführende Literatur:

Günter Scheuermann: Simulationen mit Inventor - FEM und dynamische Simulation, Carl Hanser Verlag Münschen, ISBN 978-3-446-43333-5, 2012