Script zur LV CAE I

Rechnergestützte Produktentwicklung

1. Einführung - Rechnergestützte Produktentwicklung

1.1 Ziel der Lehrveranstaltung

1.2 Notwendigkeit für den Einsatz von CAx-Werkzeugen

2. Werkzeuge in der rechnergestützten Produktentwicklung

3. Methodik bei der Arbeit mit CAE-Systemen

3.1 Aufbau eines CAE-Systems

3.2 Modelldefinition

3.3 Vorgehen beim Erzeugen eines CAE-Modells (Preprozessor) 3.4 Durchführung der Berechnung (Solver)

3.5 Ergebnisauswertung (Postprozessing)

4. FEM – Einführung

4.1 Allgemein

4.2 Abaqus CAE

4.3 Konsistente Einheiten in Abaqus

4.4 Elementtypen in Abaqus

4.5 Elementbezeichnungen in Abaqus (Auswahl)

5. FEM – Modellgenerierung

6. Konvergenzverhalten

7. Integrationsmethoden

8. Singularit?ten

9. Prinzip von St. Venant

10. Zwangsbedingungen

11. Dateimanagement - Abaqus

12. Aufbau einer Abaqus-Eingabedatei

13. Literaturempfehlungen und Quellen

1. Einführung - Rechnergestützte Produktentwicklung

1.1 Ziel der Lehrveranstaltung

Das Ziel der Lehrveranstaltung besteht in dem Kennen- und Anwendenlernen von CAE- Werkzeugen für die Produktentwicklung. Schwerpunkt in diesem Semester ist die Methode der Finiten Elemente (FEM) für lineare Strukturberechnungen.

Im Mittelpunkt stehen weniger die L?sungsverfahren innerhalb der FEM als vielmehr die Einbindung der Methode in den Produktentwicklungsprozess. Ablauf: - Einführungsvorlesung

- übungsaufgaben (lineare Statik)

- Beleg (Spacefram) – lineare Statik

Weiterführende Module (in Vorbereitung: Vertiefung Dynamik, Einführung nichtlineare Statik, Lebensdauerberechnung, …)

1.2 Notwendigkeit für den Einsatz von CAx-Werkzeugen

Bild 1: Phasen der Produktentstehung (VDI 2221)

Die Erprobungszeiten für jede Baustufe (Prüfstandsstunden, Fahrstrecke für Prototypenfahrzeuge) sind nur eingeschr?nkt zu verkürzen, also

müssen Baustufen und damit Entwicklungsschleifen an realen Bauteilen reduziert werden. Die Bedeutung der virtuellen Entwicklung w?chst.

Aufgaben von CAx-Werkzeugen liegen dabei in:

- Reduzierung von Entwicklungsschleifen

- Beanspruchungsgerechte Bauteilauslegung

- Kostengünstige Bauteilauslegung (Materialeinsatz)

- Variantenuntersuchungen

- Vermeidung von Schadensf?llen (Gew?hrleistung)

- Betrachtung von im Versuch schwer zug?ngigen Bereichen

- Darstellung von Gr??enverteilungen über das gesamte Bauteil

- Optimierung von Fertigungsverfahren und -prozessen

Bild 2: Entwicklungstendenz der virtuellen Produktentwicklung

2. Werkzeuge der rechnergestützten Produktentwicklung - CAD (Computer aided Design)

Konstruktionswerkzeuge (CATIA, ProE, SolidEdge, ...)

Einbau-, Bauraumuntersuchungen (DMU, 4d-navigator, ...)

Konstruktionsdatenverwaltung (Teamcenter, KVS, PDVS, ...)

Statistische Toleranzberechnung (Simtol, CETol, ...)

- CAE (Computer aided Engineering)

Finite Elemente Analyse (ABAQUS, Nastran, Ansys, ...)

Crashberechnungen (LSDYNA, ...)

Mehrk?rpersimulation (ADAMS CAR, ...)

Lebensdauerberechnung (FEMFAT, ...)

numerische Str?mungssimulation CFD (StarCD, Fluent, OpenFoam,...) Akustikberechnungen (Sysnoise, WAVE, ...)

Strukturoptimierung (Optistrukt, ...)

- CAM (Computer aided Manufacturing)

Umform-, Biegesimulation

Schwei?simulation

Robotersimulation (ROBCAD, ...)

- CAQ ...

- Visualisierungs- und Hilfswerkzeuge

Pre- , Postprozessor extern (Ansa, Hypermesh, Animator, ...)

3d-Darstellungen (VR, ...)

- Optimierungswerkzeuge (ModeFrontier, ...)

Bild 3: Beziehungen der CAx Werkzeuge zueinander (Auswahl) /1/

3. Methodik bei der Arbeit mit CAE-Systemen

3.1 Aufbau eines CAE-Systems

Preprozessor Erzeugen des CAE-Modells

Solver L?sung der Berechnungsgleichungen

Postprozessor Auswertung und Darstellung der Ergebnisse

Bild 3: Aufbau eines CAE-System

3.2 Modelldefinition

Ein Modell ist eine zielgerichtet vereinfachte und reduzierte Darstellung der Realit?t mit den, für die zu l?sende Aufgabe wesentliche Informationen und Zusammenh?ngen. -->Jedes Modell hat eine begrenzte Gültigkeit.

3.3 Vorgehen bei dem Erzeugen eines CAE-Modells (Preprozessor)

1. Definition der Aufgabenstellung - Festlegung der CAE-Werkzeuge

siehe Punkt 2.2

2. Geometriedaten importieren / aufbereiten / vereinfachen / (erzeugen)

? Datenimport über Schnittstellen (Direkt- oder neutrale Schnittstellen) Direktschnittstellen V.: bessere Datenqualit?t

N.: stark releasabh?ngig, teuer

neutrale Schnittstellen V.: universell einsetzbar

N.: Datenqualit?t teilweise schlecht

IGES –I nitial G raphics E xchange S pecification

VDA-FS –V erband d er A utomobilindustrie –F l?chen s chnittstelle

STEP – Standard for the Exchange of Product Model Data ? Reparatur von Importfehlern (L?cher, Spalte zwischen Fl?chen)

? Entfernung nicht notwendiger Geometrieelemente (kleine Radien, ...)? Definition von Geometriebeziehungen und -gruppierungen

(Baugruppen, Sets, … )

3. Materialdefinition

? Auswahl des erforderlichen Materialmodells (z.B. elastisch,

elastoplastisch, hyperelastisch, ...)

? Festlegung der relevanten Materialparameter (z.B. Elastizit?tsmodul, Querdehnzahl (Poissonsche Zahl), Dichte, thermischer

Ausdehnungskoeffizient, W?rmeleitf?higkeit, Viskosit?t, …)

4. Definition von Randbedingungen

- Strukturmechanik: Verschiebungen, Rotationen, Kontakte, ...

- CFD: Wandverhalten, Temperaturen, ...

- ...

5. Definition von Lasten

- Strukturmechanik: Kr?fte, Momente, Temperaturen

- CFD: Massenstrom, Druck, Temperatur

- …

6. Vernetzung

? Festlegung des Detaillierungsgrades

Globale Festlegung in Abh?ngigkeit von Aufgabe, Modellgr??e, ...

Lokale Ver?nderungen erfolgen je nach Notwendigkeit ? Auswahl der Elemente

1-d Elemente (Linie): z.B. Stab- oder Balkenelemente

2-d Elemente Fl?che): z.B. Schalen-, Scheiben-, Plattenelemente 3-d Elemente (Volumen): Tetraeder-, Pentaeder-, Hexaederelemente

? …Füllen“ der Geometrie mit Elementen (automatisiert ode r manuell) ? Beachtung von Elementqualit?tskriterien

7. Erzeugen von Berechnungs-Jobs

3.4 Durchführung der Berechnung (Solver)

? Auswahl geeigneter Hardware (Arbeitsspeicher, Prozessoren, …) in Abh?ngigkeit der Modellgr??e

? Berechnungs-Job starten (ggf. im batch-modus)

3.5 Ergebnisauswertung (Postprozessing)

1. Auswertung und Darstellung der Ergebnisse

? Bestimmen der Zielgr??en

? aussagef?hige grafische oder tabellarische Darstellung

(schattierte Plots, Diagramme, …)

2. Ergebnisinterpretation

? Ableitung von Kenn- oder Vergleichsgr??en

? Vergleich mit Vorgabe- oder Zielgr??en

? Bewertung

3. Berechnungsbericht

Definition der Zielgruppe

Berechnerkollegen - hoher Detailierungsgrad

- Bewertung, Schlussfolgerungen

Konstrukteur - Detailierte Ergebnisdarstellung

- Bewertung, Schlussfolgerungen

- Empfehlungen zur Konstruktionsausführung Projektleiter - aussagekr?ftige Ergebnisdarstellung

- Bewertung, Schlussfolgerungen

- Empfehlungen für weitere Aktionen (Konstruktions-

?nderungen, Prüfstandsuntersuchungen, Freigabe) Vorstand - kurze einfache Ergebnisdarstellung

- Handlungsempfehlung (z.B. Ampel)

Ein Bericht muss enthalten:

- Aufgabenstellung - Berechnungsziel

- Verwendeten Geometriestand

- Definierte Lasten und Randbedingungen

- relevante Modellspezifikationen (z.B. Balkendicken, Wandst?rken, Materialien, Massen, ...)

- aussagef?hige (siehe oben) Ergebnisdarstellung (Bilder, Tabellen, …) - Bewertung der Ergebnisse (z.B. Sicherheitsnachweis, …)

- Schlussfolgerungen, Empfehlungen

4. CAE-Tool Finite Element Methode (Strukturmechanik) 4.1 Allgemein

Die Finite Element Methode (FEM):

- N?herungsverfahren welches auf der Basis mathematischer Modelle zur L?sung physikalisch-technischer Aufgabenstellungen insbesondere an K?rpern mit komplexer Geometrie angewendet wird.

- Dazu erfolgt eine Zerlegung des K?rpers in finite Elemente mit einfacher geometrischer Struktur, die über Knoten miteinander

verbunden sind.

- Diesen Elementen werden über Ansatzfunktionen physikalische Eigenschaften zugewiesen.

Analysem?glichkeiten (Strukturmechanik)

- lineare statische Analyse:

Voraussetzungen: - linear elastisches Materialmodell

- …kleine“ Verformungen

- …langsame“ Last?nderung

- nichtlineare statisch Analyse:

erforderlich bei: - nichtlineares Materialmodell

- …gro?e“ Verformungen

- Kontakt

- dynamische / transiente Analyse:

erforderlich bei: - …schnellen“ Last?nderungen

- thermische Analyse:

erforderlich bei: - thermischen Lasten

Kommerzielle FE-Programme

- Abaqus St?rke: nichtlineare Berechnungen

- Nastran St?rke: dynamische Berechnungen

- Ansys St?rke: Verbindung verschiedener Analysen (Struktur, CFD...) - ...

4.2 Abaqus CAE

In Abaqus CAE sind alle Module eines CAE Systems (Preprozessor, Solver und Postprozessor) enthalten und unter einer gemeinsamen Oberfl?che zug?ngig.

Vorteile: - einheitliche Oberfl?che (leichtere Bedienbarkeit)

- w eniger Spezialwissen (Befehlsstruktur, …) notwendig Nachteile: - oft Funktionsumfang nicht vollst?ndig erreichbar

- andere Werkzeuge mit besseren Spezialfunktionen ( z.B.

Vernetzung) beschr?nkt einsetzbar

4.3 Konsistente Einheiten in Abaqus

4.4 Elementtypen in Abaqus

- truss (Sprengwerk, Binder, Fachwerk, H?ngewerk)

übertr?gt nur Zug-, Druckkr?fte aber keine Biegung

nur Definition der Gr??e der Querschnittsfl?che aber nicht der -form - beam (Tr?ger, Tragbalken, Querbalken)

übertr?gt Zug-, Druckkr?fte und Biegung

Auswahl der Querschnittsform und Definition der -fl?che

- spring, dashpot (Feder, D?mpfer)

- shell (Schalenelement)

- menbrane (sehr dünne Schalen)

- rigid (starre Elemente)

nur Bewegung im Raum m?glich –keine Deformation

Element mit 6 DOF beschrieben (sonst pro Knoten 6 DOF)

- solid (Volumenelemente)

/1/, /5/ 4.5 Elementbezeichnungen in Abaqus (Auswahl)

Bezeichnung Form Knoten Ansatzfunktion Integration B31 Balken 2 linear vollst?ndig S3 Schale 3 linear vollst?ndig S4 Schale 4 linear vollst?ndig S4R Schale 4 linear reduziert

C3D4 Tetraeder 4 linear vollst?ndig C3D10 Tetraeder 10 quadratisch vollst?ndig C3D8 Hexaeder 8 linear vollst?ndig C3D8R Hexaeder 8 linear reduziert

C3D20 Hexaeder 20 quadratisch vollst?ndig C3D20R Hexaeder 20 quadratisch reduziert

5. FEM – Modellgenerierung

1. Definition der Aufgabenstellung

–Voraussetzungen (Geometriemodell, Materialdaten, Belastungen) –Ableitung der Berechnungsziele aus der Aufgabenstellung

–Festlegung der Vorgehensweise

2. Auswahl geeigneter Elemente (anhand der notwendigen Eigenschaften) 1D Stab- oder Balkenelemente

Vorteile: - Ergebnisse hoher Qualit?t bei Verwendung analytischer Ansatzfunktionen

- geringe Rechenzeit

Nachteile: - Querschnittskennwerte müssen bekannt und ermittelbar sein Anwendung: - …fachwerk?hnliche“ Baugruppen

- Erg?nzung anderer Modelle z.B. Modellierung von

Schrauben, Normprofilen, ...

2D Schalenmodelle (Scheiben, Platten)

Vorteile: - geringe Rechenzeit und Speicheranforderung

- automatisierte Vernetzung gut m?glich

- hohe Genauigkeit bei dünnwandigen Teilen

Nachteile: - hoher Modellierungsaufwand (zumeist Mittelfl?chen) Anwendung: gro?fl?chige dünnwandige Bauteile (Blechteile)

3D Volumenelemente

Vorteile: - Bauteile mit stark unterschiedlichen Dicken einfach zu

vernetzen

Nachteile: - automatische Vernetzung nur mit Teraederelementen

m?glich

- Rechenzeit- und Speicherintensive Modelle

Anwendung: Kompakte Bauteile (Guss-, Fr?s-, Drehteile)

3. Festlegung einer Vernetzungsstrategie

- Einsatz von …Mischmodellen“ (1D, 2D und 3D)

- Aufteilung der Gesamtstruktur in Makros entsprechend Netzanforderung - Adaptive Vernetzung (automatisierbar)

- h-Methode - Erh?hung der Anzahl der Elemente

- Anzahl der Knoten/Element und DOF/Knoten sind konstant

- p-Methode - Erh?hung des Polynomgrades der Ansatzfunktion

- Anzahl der Elemente ist konstant

- Anzahl der Knoten/Element und DOF/Knoten steigt

- r-Methode - Knotenverschiebungen gegeneinander mehr Knoten in

Bereichen hoher Spannung

- Anzahl Knoten, Elemente und DOF sind konstant

/1/ 4. Vernetzung

Es ist ratsam, die Abaqus-Kriterien (besonders Aspect ratio und Winkel) zu versch?rfen.

5. Definition der Materialdaten

- Festlegung des Materialmodells (elastisch, plastisch, ...)

- Elastizit?tsmodul, Querdehnzahl, Dichte, ...

6. Definition der Randbedingungen

? Verschiebung, Rotation, Symmetrie

z. B. gesperrte Freiheitsgrade

DOF 1 2 3 4 5 6

DOF 1 2 3

DOF 2 3

(Degree of Freedom - DOF)? Kontaktbedingungen, Gleiten (Reibung)

? vorgegebene Temperaturen

7. Definition der Lasten

? Einzel-, Linienlasten

? Fl?chenlasten (Druck)

? Volumenlasten infolge

- Rotation (Fliehkr?fte) oder

- Erdbeschleunigung (Schwerkr?fte) …

? Temperaturbelastung

? W?rmebelastung

8. Berechnungs-Job erzeugen und ausführen (Solver)

- Monitoring des Berechnungsablaufes

- Bei Fehlern oder Warnungen Ursachen suchen und Modell korrigieren

9. Ergebnisse laden und auswerten (Postprozessing)

Allgemeiner Arbeitsablauf zur Erzeugung von Berechnungsmodellen in Abaqus CAE

6. Konvergenzverhalten