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
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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
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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/
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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
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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
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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
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Kosten in der Produktentwicklung
EntwicklungKonstruktion
Arbeits-vorbereitung
Einkauf Fertigung Vertrieb
100%
50%
0%
75%
10%
Festgelegte Kosten
Verursachte Kosten
Quelle: nach EignerQuelle: nach Eigner
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Ressourcenaufwand für „Frontloading“
Resources
Resource Shiftwith Collaborative Virtual Engineering
Conventional Development
moreResourceAllocation
Time
EarlyCompletion
TimeReduction
Quelle: Dankwort /Ovtcharova /Weidlich
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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
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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
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Effiziente Simulation mit voll integrierten Systemen
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
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Effiziente Simulation mit voll integrierten Systemen
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
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Effiziente Simulation mit voll integrierten Systemen
CATIA FEM Live
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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
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FEM Simulation in der Lehre
z.B. Maschinenelemente – KUAufgabenstellungKonstruktion eines zweistufigen ZylinderradgetriebesKonstruktionsbegleitendeFE – Analyse der dreiGetriebewellen aufGestaltfestigkeit an denkritischen Kerben.
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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)
FEM Simulation in der Lehre
Getriebewelle mit unterschiedlichen Randbedingungen (Verformung stark vergrößert)
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FEM Simulation in der Lehre
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
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FEM Simulation in der Lehre
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
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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
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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
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Dynamische Analyse mit GDY
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.
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Dynamische Analyse mit GDY
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
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Dynamische Analyse mit GDY
Bestimmung der dynamischen LastDauer und Höhe des Schlagimpulses aus Messung an ReferenztischImpulsdauer ca. 3 msMaximale Kraft ca. 7000 N
-8,0
-7,5
-7,0
-6,5
-6,0
-5,5
-5,0
-4,5
-4,0
-3,5
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
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 0
0,0001 0
0,0004 1
0,0008 5
0,0013 7
0,0016 7
0,0021 5
0,0027 1
0,0031 0
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Dynamische Analyse mit GDY
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 %
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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
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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
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TUW Racing, Entwicklung eines Rennfahrzeugs
statische DisziplinenProjektpräsentationKonzept, DesignKostenaufstellung
dynamische DisziplinenBeschleunigungSlalomfahrenKreisbahnfahrenKraftstoffverbrauchAusdauerrennen
Zusammen max. 1000 Punkte
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TUW Racing, Entwicklung eines Rennfahrzeugs
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
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TUW Racing, Das Gesamtkonzept
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TUW Racing, Das Gesamtkonzept
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TUW Racing, Beispiele zur Analyse
DifferentialBaugruppenanalyseDrehmoment und Umfangskraft aus dem Kettenrad
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TUW Racing, Beispiele zur Analyse
RadaufhängungGewichtsoptimierteKonstruktionBaugruppe mitSchraubenverbindungenund virtuellen TeilenKräfte beim Beschleunigenbzw. Kurvenfahrt
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TUW Racing, Entwicklung eines Rennfahrzeugs
Ergebnis des durch Simulation optimierten Leichtbau:
geplant erreichtGewicht: 220 kg 199 kgVerteilung: 45:55 46:54Leistung: 90 PS 85 PS
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TUW Racing, Entwicklung eines Rennfahrzeugs
Vom Rechner auf die Strasse
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TUW Racing, Entwicklung eines Rennfahrzeugs
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Die Erfolge im ersten Jahr13.07.08 Silverstone „best engineered car“Dieser Titel war nur möglich durch konsequente virtuelle Produktentwicklung mit umfangreichen Simulationen
TUW Racing, Entwicklung eines Rennfahrzeugs
12.08.08 Hockenheim „best newcomer“ des Jahressensationeller 4. Gesamtrang
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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
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