Effiziente Simulationen im Produktentwicklungsprozess · 2009. 1. 13. · von Büromöbeln nach DIN...

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25.09.2008 © MIVP – Ass. Prof. Dr. Manfred Grafinger 1

CATIA FEM

Effiziente Simulationen imProduktentwicklungsprozess

PLM Forum 2008

Inhalt

1. Kurze VorstellungWer ist MIVP ?Forschungsschwerpunkte und Lehre

2. FEM Simulation in der KonstruktionKosten sparen durch frühzeitige SimulationEffiziente Simulation mit voll integrierten SystemenKurze Live Analyse an einfachem Bauteil

3. Ausgewählte Beispiele CATIA – FE an der TUIm Studienbetrieb – Bunte Bilder sind schnell erzeugtDynamische Analyse mit dem GDY – ModulTUW Racing, ein Rennfahrzeug als virtuelles Produkt

Was bedeutet MIVP ?

Institut für Konstruktionswissenschaftenund Technische Logistik

Konstruktionslehreund

Fördertechnik

Maschinenelementeund

Rehabilitationstechnik

Maschinenbauinformatikund Virtuelle

Produktentwicklung

Apparate-und

AnlagenbauECODESIGN

Homepage Institut: http://www.ikl.tuwien.ac.atForschungsbereich: http://www.mivp.tuwien.ac.at/

Maschinenbauinformatik ?

Anwendungsgebiete:Technische Anwendungenz. B.: CAx, FEM, MKS,

BerechnungssoftwareAdministrative Anwendungenz. B.: PDM, PLM, ERP

Anwendungsgebiete:Elektronische Steuerungs- und RegelungssystemeMechatronikEmbedded Systems (Software inProdukten)

IT zurUnterstützung der Aufgabenin der Produktentwicklung

IT alsintegraler Bestandteil von

innovativen Produkten

MIVP in der Lehre für MB / WI

Grundlagen des Programmierens

Betriebliche Informationssysteme

CAD / CAE3D ModellierungstechnikenHistorybased DynamischFE – Simulation, Kinematik

Virtuelle ProduktentwicklungPDM, PLM

Ausstattung:3 Lehrsäle zu je 30+1 3D-Workstations 32bit, 2GB1 Seminarraum mit 5Workstations 64bit, 8GB

Inhalt

Kosten in der Produktentwicklung

EntwicklungKonstruktion

Arbeits-vorbereitung

Einkauf Fertigung Vertrieb

Festgelegte Kosten

Verursachte Kosten

Quelle: nach EignerQuelle: nach Eigner

Ressourcenaufwand für „Frontloading“

Resources

Resource Shiftwith Collaborative Virtual Engineering

Conventional Development

moreResourceAllocation

EarlyCompletion

TimeReduction

Quelle: Dankwort /Ovtcharova /Weidlich

Kosten für Fehlerbehebung

100% 100%

Wahrscheinlichkeit des Fehlerauftritts

Kosten für dieBehebung

EntwicklungKonstruktion

Arbeits-vorbereitung

Einkauf Fertigung Vertrieb

Enormes Potential zur Kosteneinsparung durch Simulationan virtuellen Prototypen noch in der Entwicklungsphase

Effiziente Simulation mit voll integrierten Systemen

Erstellen des CAD-ModellsMeist Automatische Vernetzungmit Tetraeder-ElementenAufbringen der Randbedingungen(Einspannungen, Freiheitsgrade)Aufbringen der BelastungenBerechnung der AnalyseVerifikation der ErgebnisseNötigenfalls Verfeinerung des Modells

Preprocessing

Postprocessing

Ablauf einer integrierten FE-Analyse

Preprocessing

Postprocessing

Ablauf einer externen FE-Analyse

Erstellen des CAD-ModellsDatenkonvertierung für Preprocessing CAD FEVernetzung im FE-SystemAufbringen der RandbedingungenAufbringen der BelastungenBerechnung der AnalyseDatenkonvertierung für Postprocessing FE CADVerifikation der ErgebnisseNötigenfalls Verfeinerung des Modells in FEBei Geometrieänderungen neue Konv. CAD FE

Volle Datenintegrität, keine Probleme durch Schnittstellen

Geringerer Lernbedarf durch gemeinsame Benutzeroberfläche

Automatische Nachverfolgung von Änderungen

Schnell funktionierende Lösungen

Einsatz von Analysen und Simulationen in früheren Phasen im Produktentwicklungsprozess

Weniger auswärtige Analysen nötig

Vorteile der vollen Integration von CAD und CAE

CATIA FEM Live

Inhalt

FEM Simulation in der Lehre

z.B. Maschinenelemente – KUAufgabenstellungKonstruktion eines zweistufigen ZylinderradgetriebesKonstruktionsbegleitendeFE – Analyse der dreiGetriebewellen aufGestaltfestigkeit an denkritischen Kerben.

Bunte Bilder sind schnell erzeugt, aber …Wichtig ist eine kritische Beurteilung der ErgebnisseDiese sind immer auf Plausibilität zu überprüfenEin Fehler ist die ungenügende Netzverfeinerung an den kritischen Stellen, oder die Verwendung linearer Elemente 1. OrdnungHäufigste Fehlerursache sind aber falsche Randbedingungen !(Einspannungen und Belastungen)

Getriebewelle mit unterschiedlichen Randbedingungen (Verformung stark vergrößert)

Lagerung mit Flächenloslager Lagerung mit virtuellem Teil

Neigung im Lager gesperrtWirkt wie feste EinspannungHohe Belastung der Lagerstelle

Neigung des Lagers freiLager gelenkigRealistische Spannung ander Lagerstelle

Virtuelle Teile auch für die KrafteinleitungErmöglichen effiziente Analyse von Einzelteilenohne Erstellung der Baugruppenbedingungenz.B. Kraftangriff am Ritzel, Übertragung auf die Wellez.B. Drehmomentenübertragung an flexibler Kupplung

Inhalt

Dynamische Analyse mit GDY

Projekt Entwicklung eines FE – Modells zur Untersuchungdes Schwingungsverhaltens von Schreibtischen

Einhaltung der Vorschriften für Schwingungsstabilitätvon Büromöbeln nach DIN 147Einbringung eines Schlagimpulses von 10 NmErmittlung der maximalen Auslenkung

Schlagimpuls durchPendelschlaghammer

Ziel: Einsparung von realen Prototypen zur Messung,Verbesserungsvorschläge durch Simulation

Erstellung des FE – ModellsRessourcen sparen durch Nutzung von BauteilsymmetrienKombination von Volumenelementen mit Schalenelementen(Schalenelemente für Bauteile mit großen Abmessungen und geringer Wandstärke Träger)Einzig aufwendig ist die Definition der Übergangsbedingungen zwischen den einzelnen Bauteilen der Baugruppe.Zwischen allen in Kontakt befindlichen Teilen wird die Art der möglichen Kraftübertragung bzw. Verschiebungsübertragung definiert.

FrequenzanalyseVor Berechnung der dynamischen Antwort werden die Eigenfrequenzen und die zugehörigen Schwingungs-formen berechnet

z.B. Grundschwingung bei 7,3 Hz

z.B. 1. Oberschwingung bei 11 Hz

Bestimmung der dynamischen LastDauer und Höhe des Schlagimpulses aus Messung an ReferenztischImpulsdauer ca. 3 msMaximale Kraft ca. 7000 N

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 221 231 241

Reihe1Reihe2Reihe3Reihe4Reihe5

Definition der LastmodulationStatischer Prozess mit 500 NDynamischer Prozess mitModulation dieser Last biszu Faktor 7Ergibt maximal 3500 N(wegen Symmetrie)

x(s) signal

0,0001 0

0,0004 1

0,0008 5

0,0013 7

0,0016 7

0,0021 5

0,0027 1

0,0031 0

Auswertung der dynamischen Antwort und Verbesserungspotential

Erstentwurf mit max. Auslenkung 6,3 mm –stimmt recht gut mit Versuchserg. überein

Optimierter Entwurf mit max. 4,4 mm –Reduzierung um 30 %

Inhalt

TUW Racing, Entwicklung eines Rennfahrzeugs

Formula Student Randbedingungen (Formula SAE in den USA)Universität stellt Infrastruktur,aber sonst keine UnterstützungStudenten müssen Teamgründungals Verein selbst organisierenFinanzierung ausschließlich durchSponsorgelderGenaues und enges Reglementfür die FahrzeugeWettbewerbe gegen andere Teams anderer UnisStatische PräsentationFahrdynamische Bewerbe

statische DisziplinenProjektpräsentationKonzept, DesignKostenaufstellung

dynamische DisziplinenBeschleunigungSlalomfahrenKreisbahnfahrenKraftstoffverbrauchAusdauerrennen

Zusammen max. 1000 Punkte

Technik des FahrzeugesGitterrohrrahmen und CFK – Verkleidung1 Zyl. Motor KTM LC4 wegen Reglement610 ccm statt 654 ccm, eigene Kurbelwelleaufgeladen mit Rotrex – KompressorFrei programmierbare MotorsteuerungKettenantrieb, Quaife SperrdifferentialAntriebswellen mit innenliegenden TripodenQuerlenker mit MTB DämpfernCFK Felgen

TUW Racing, Das Gesamtkonzept

TUW Racing, Beispiele zur Analyse

DifferentialBaugruppenanalyseDrehmoment und Umfangskraft aus dem Kettenrad

TUW Racing, Beispiele zur Analyse

RadaufhängungGewichtsoptimierteKonstruktionBaugruppe mitSchraubenverbindungenund virtuellen TeilenKräfte beim Beschleunigenbzw. Kurvenfahrt

Ergebnis des durch Simulation optimierten Leichtbau:

geplant erreichtGewicht: 220 kg 199 kgVerteilung: 45:55 46:54Leistung: 90 PS 85 PS

Vom Rechner auf die Strasse

Die Erfolge im ersten Jahr13.07.08 Silverstone „best engineered car“Dieser Titel war nur möglich durch konsequente virtuelle Produktentwicklung mit umfangreichen Simulationen

12.08.08 Hockenheim „best newcomer“ des Jahressensationeller 4. Gesamtrang

noch Fragen ?

Danke für IhreAufmerksamkeit

Dr.techn. Manfred GrafingerInst. für KonstruktionswissenschaftenGetreidemarkt 9 / 307-5A-1060 WIENTel. +43 – 1 / 58801 – 30723Email: m.grafinger@tuwien.ac.at

Effiziente Simulationen im Produktentwicklungsprozess · 2009. 1. 13. · von Büromöbeln nach DIN...

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