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Günter Scheuermann
Simulationen mit Inventor
FEM und dynamische Simulation. Grundlagen und Beispiele ab Version 2017
Inhalt
6
Teil I Digital Prototyping
16
1 Einführung
18
1.1 Autodesk Inventor
18
1.2 Die Grenzen der Simulation
20
1.3 Was fehlt
20
1.4 Inventor-Schnittstellen
21
1.5 Inventor für Schüler und Studenten
22
1.5.1 Inventor kostenlos?
22
1.6 Systemvoraussetzungen
22
1.6.1 Hinweise zur Installation
22
1.6.2 Hardware
22
1.6.3 Betriebssysteme
23
1.6.4 Sonstige Anforderungen
23
1.7 Voraussetzungen für Anwender
24
1.8 Übungsdateien und Videos auf DVD
24
1.9 Resümee
24
2 Digital Prototyping und Produktdesign
26
2.1 Virtuelle 3D-Modelle
26
2.2 Herstellung von Prototypen, Rapid Prototyping
27
2.3 Produktoptimierung
28
2.3.1 Flächen- bzw. Formoptimierung
28
2.3.2 Berechnungen
29
2.3.3 Dynamische Simulation
29
Teil II Oberflächenanalysen und Grundlagen
30
3 Bauteilanalysen
32
3.1 Zebra-Analyse
34
3.2 Entwurf, Verjüngungsanalyse
35
3.3 Fläche, Gauß-Analyse, Gauß’sche Flächenkrümmung
36
3.4 Schnitt, Querschnittsanalyse
38
3.5 Krümmungsanalyse, Krümmungskammanalyse
39
4 Technische Mechanik, Festigkeitslehre und Inventor
42
4.1 Statik
42
4.2 Freiheitsgrade
43
4.3 Freiheitsgrade überprüfen
45
4.3.1 Anzeige der Freiheitsgrade
45
4.3.2 Freiheitsgrad-Analyse
46
4.4 Gelenke
47
4.4.1 Inventor-Gelenke
48
4.5 Reibung
49
4.6 Kinematik
49
4.7 Dynamik
51
4.7.1 Schwerkraft, Gravitation
51
4.7.2 Masse, Gewichtskraft, Trägheitsmomente
52
4.7.3 Gelenkkräfte und -momente
52
4.7.4 Simulation
53
4.7.5 Export nach FEM
54
4.7.6 Schwingungen, Eigenfrequenz, Resonanz, Modalanalyse
55
4.8 Festigkeitslehre und FEM-Ergebnisse
56
4.8.1 Festigkeitshypothesen
57
4.8.2 Spannungen
58
4.8.3 Verformungen
59
4.8.4 Sicherheitsfaktoren, Belastung/Dehnung
59
4.8.5 Kontaktdruck
60
4.8.6 Knicken und Beulen
60
4.9 Grenzen der Inventor-Mechanik
61
5 Die Materialbibliothek
64
5.1 Der Materialien-Browser
64
5.2 Mit Materialien und Darstellungen arbeiten
65
5.2.1 Übersicht
65
5.3 Eine eigene Bibliothek mit neuen Materialien erstellen
70
5.3.1 Eigene Bibliothek und eigene Kategorien erstellen
70
5.3.2 Ein neues Material definieren
71
5.4 Problematische Materialien in der FEM
73
5.4.1 Beispiel: Silentblock
73
5.4.2 Material ohne Kennwerte
74
5.5 Nicht in der FE-Analyse verwendbare Werkstoffe
77
5.5.1 Polymere Werkstoffe
77
5.5.2 Verbundwerkstoffe
78
5.6 Bauteile mit großen Verformungen
79
Teil III Grundlagen und Anwendungsbeispiele der Finiten-Elemente-Methode
82
6 FEM
84
6.1 FEM, allgemein
84
6.2 Konvergenz
85
6.2.1 Maximale Anzahl der H-Verfeinerungen
86
6.2.2 Stopp-Bedingung
86
6.2.3 Schwellenwert für H-Verfeinerungen
86
6.2.4 Konvergenz-Plots
87
6.2.5 Beispiel: Konvergenzeinstellungen und Auswirkung
87
6.3 Das FEM-Netz
90
6.3.1 Netzeinstellungen
90
6.3.2 Lokale Netzsteuerung
92
6.3.3 Allgemeine Richtlinien für die Netzerstellung
93
6.3.4 Netzgenerierungen und Simulationen mit dünnen Bauteilen
95
6.4 Abhängigkeiten, Einspannungen
95
6.5 Lasten und Lastangriffsfälle
96
6.5.1 Lastarten
96
6.5.2 Lastangriffsfälle
97
6.6 Beispiel einer einfachen vollständigen FE-Analyse
104
6.6.1 Das Bauteil und seine Eigenschaften
105
6.6.2 Funktion des Bauteils
106
6.6.3 Die erste Simulation erstellen
107
6.6.4 Das Bauteil einspannen
107
6.6.5 Trennen von Bauteilflächen
107
6.6.6 Das Bauteil belasten
108
6.6.7 Das Bauteilnetz
109
6.6.8 Simulation ausführen
110
6.6.9 Anpassung der Gestalt (Gestaltfestigkeit)
112
6.6.10 Materialanpassung
113
6.6.11 Hauptspannungen
115
6.6.12 Verformung, Verschiebung
116
6.6.13 Rückstoßkräfte, Lagerkräfte
117
6.6.14 Ergebnisprotokoll
118
6.6.15 Bericht
119
7 Rückstoßkraft und Kraftermittlung über Verformungen
122
7.1 Beispiel: Rückstoßkraft ermitteln
122
7.2 Verformungskraft ermitteln
123
7.3 Fehlerbetrachtung
125
8 Parametrische FEM-Studien
126
8.1 Das parametrische Bauteil
126
8.2 Vorbereitung der parametrischen FE-Analyse
127
8.2.1 Die parametrische Tabelle
127
8.3 Die parametrische Simulation
132
8.4 Parametrische Ergebnisse
133
8.5 Das Modell anpassen
135
9 FEM an dünnen Bauteilen
138
9.1 Beispiel: Blechtraverse
138
9.2 Simulation als normaler Körper
139
9.3 Simulation als dünnwandiges Bauteil
140
10 Modal- oder Eigenfrequenzanalyse
144
10.1 Eine Modalanalyse durchführen
144
10.2 Ein zweites Beispiel
147
11 Stimmgabel 440?Hz entwerfen
150
11.1 Die Konstruktion
150
11.2 Die Belastungsanalyse
151
11.2.1 Netzverfeinerung
152
11.2.2 Die erste Simulation
152
11.3 Frequenzermittlung iterativ
153
11.4 Frequenzermittlung mit parametrischer Tabelle
155
12 FEM an Schweißbaugruppen
158
12.1 Erstes Beispiel
158
12.1.1 Die Baugruppe
158
12.1.2 Die Schweißverbindung
159
12.1.3 Die Vorbereitung der Belastungssimulation
160
12.1.4 Kontakte überprüfen
161
12.1.5 Die Simulation
163
12.2 Zweites Beispiel
164
12.2.1 Die Schweißkonstruktion
164
12.2.2 Simulation vorbereiten
165
12.2.3 Kontakte kontrollieren
166
12.2.4 Die Simulation
167
12.2.5 Sicherheitsfaktor
168
12.3 Punktschweißen
169
12.3.1 Die Punktschweißung im Beispiel
170
12.3.2 Die Simulation vorbereiten
170
12.3.3 Kontakte bearbeiten
171
12.3.4 Die Simulation
171
Teil IV Einfache Bewegungssimulationen und Baugruppenvereinfachung
174
13 Einfache Bewegungssimulationen
176
13.1 Baugruppen von Hand bewegen
176
13.2 Automatische Bewegung in der Baugruppe
177
13.3 Bewegung in der Präsentationsumgebung
179
13.3.1 Eine Präsentation erstellen
180
13.3.2 Die Präsentationsfunktionen
180
13.4 Die Präsentationsanimation von Schrauben
184
13.4.1 Komponentenpositionen
184
13.5 Bewegung im Inventor Studio
186
13.5.1 Die Inventor Studio-Arbeitsumgebung
187
13.6 Beispiel einer Studio-Animation
191
13.6.1 Vorbereitung der Animation
191
13.6.2 Abhängigkeit animieren
192
13.6.3 Die Ablaufsteuerung
193
13.6.4 Animation aufzeichnen
194
14 Bauteil- bzw. Baugruppenvereinfachung
196
14.1 Beispiel: Kurbeltrieb
197
14.2 Detailgenauigkeit erstellen
197
14.3 Bauteile mit vereinfachtem Bauteil ersetzen
199
Teil V Die dynamische Simulation anhand zahlreicher Beispiele
202
15 Die dynamische Simulationsumgebung
204
15.1 Die Arbeitsumgebung
204
15.1.1 Funktionsgruppe Verbindung
205
15.1.2 Funktionsgruppe Laden
205
15.1.3 Funktionsgruppe Ergebnisse
206
15.1.4 Funktionsgruppe Animieren
206
15.1.5 Funktionsgruppe Verwalten
207
15.1.6 Funktionsgruppe Belastungsanalyse
208
15.1.7 Funktionsgruppe Beenden
208
15.2 Der Objektbrowser in der dynamischen Simulation
208
15.3 Bewegliche Gruppen einfärben
211
15.4 Beschreibung der Gelenkarten
212
15.4.1 Normgelenk
212
15.4.2 Abhängigkeiten und Gelenke
212
15.4.3 Vordefinierte Gelenke
214
15.5 Gelenkeinfügungsarten
216
15.5.1 Gelenkeinfügung von Hand: die Funktion Gelenk einfügen
216
15.5.2 Gelenk aus Abhängigkeit erzeugen: die Funktion Abhängigkeiten ableiten
221
15.5.3 Automatische Gelenkdefinition
222
15.6 Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten
224
15.6.1 Registerkarte Allgemein
224
15.6.2 Registerkarte Freiheitsgrad x (R/T)
226
15.7 Gelenkkräfte, Steifigkeit und Dämpfung
227
15.7.1 Nichts ist starr – alles ist Gummi!
227
15.7.2 Steifigkeit und Dämpfung – der Sprungbretteffekt
227
15.7.3 Inventor ist ein Starrkörpersystem
228
15.7.4 Inventor ist elastisch?
228
15.7.5 Steifigkeit
229
15.7.6 Dämpfung
230
15.8 Gelenkeigenschaften
230
15.8.1 Anfangsbedingungen bearbeiten
231
15.8.2 Gelenkdrehmoment bzw. Gelenkkraft bearbeiten
232
15.8.3 Festgelegte Bewegung bearbeiten
233
15.9 Das Eingabediagramm
233
15.9.1 Die Diagrammfläche
234
15.9.2 Sektor-Optionen
234
15.9.3 Start- und Endpunkt
235
15.9.4 Funktionsdefinitionen speichern und laden
236
15.9.5 Referenzachsen bestimmen
236
16 Pendelklappe mit Schwerkraft
238
16.1 Die Bauteile und die Baugruppe
238
16.2 Die dynamische Simulation starten
239
16.3 Schwerkraft definieren
240
16.4 Die erste Simulation
241
16.5 Einen 3D-Kontakt einfügen
242
16.6 Die zweite Simulation
243
16.7 Ändern der Pufferdämpfung
243
16.8 Drehgelenkeigenschaften einstellen
244
17 Das Ausgabediagramm
246
17.1 Die Oberfläche des Ausgabediagramms
247
17.2 Diagrammoptionen
247
17.3 Variable anzeigen
248
17.4 Eine zweite Variable überlagern
250
17.5 Nullpunktverschiebung
251
17.6 Darstellungs- und Wertegenauigkeit
252
17.7 Diagramm und Werte nach Excel exportieren
253
18 Fliehkraftregler
254
18.1 Die Baugruppenabhängigkeiten
255
18.2 Baugruppe bewegen
257
18.3 Die dynamische Simulation
258
18.3.1 Überbestimmungen
258
18.3.2 Der Objektbrowser
259
18.4 Der Antrieb
260
18.4.1 Antriebsmoment
261
18.4.2 Dämpfung
261
18.4.3 Reibung
262
18.5 Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse
262
18.5.1 Die Rotation
263
18.6 Andere Gelenke mit Reibwerten versehen
264
18.7 Die Simulation
265
18.8 Das Ausgabediagramm
266
18.8.1 Rotationsgeschwindigkeit interpretieren
266
18.8.2 Schwingungen untersuchen
267
18.9 Feder einfügen
268
18.10 Simulation mit eingebauter Feder
272
18.11 Kurven im Ausgabediagramm bearbeiten
273
18.12 Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen
274
18.12.1 Die Vorbereitung
274
18.12.2 Zeitschritt auswählen
275
18.12.3 Bauteile zur FE-Analyse auswählen
275
18.12.4 Überbestimmte Bauteile heilen
276
18.12.5 In die Belastungsanalyse wechseln
278
18.12.6 Die Belastungsanalysen
279
18.12.7 Fazit
281
19 Spielerei mit einem Ball
282
19.1 Die Bauteile und die Konstruktion
282
19.2 Die Simulationsumgebung
284
19.2.1 Feder einfügen
284
19.2.2 Schwerkraft definieren
285
19.2.3 Der Ball benötigt Gelenke
286
19.2.4 Der Objektbrowser
288
19.3 Die Simulation
289
19.3.1 Starres Abprallen
289
20 Kurbelschwinge
292
20.1 Die Funktion
292
20.2 Die Bauteile
293
20.3 Die Abhängigkeiten
294
20.4 Nach Abhängigkeit bewegen
295
20.5 Vorbereitung der Simulation
296
20.5.1 Nichts geht mehr
296
20.5.2 Geht doch!
297
20.5.3 Der Antrieb
297
20.6 Die erste Simulation
298
20.7 Schiebegelenk einfügen
299
20.8 Die zweite Simulation
301
20.9 Schwerkraft und Reibung
301
20.9.1 Schwerkraft
301
20.9.2 Reibungswerte und Kraftübertragung
302
20.9.3 Beidseitige Kraftübertragung an der Schwinge
302
20.9.4 Gelenkreibungen der Drehgelenke
303
20.9.5 Startposition
303
20.10 Die dritte Simulation und das Ausgabediagramm
304
20.10.1 Das Ausgabediagramm
305
20.11 Externe Kraft einfügen
307
20.12 Die vierte Simulation und das Ausgabediagramm
308
20.13 Spur aufzeichnen
310
21 Schiebevorrichtung
314
21.1 Die Bauteile
314
21.2 Die Funktion
315
21.3 Gelenke einfügen
316
21.3.1 Zylindrisches Schiebegelenk
316
21.3.2 Punkt-Ebene-Gelenk
317
21.3.3 Druckfeder
318
21.4 Die erste Simulation
320
21.5 Status des Mechanismus
321
21.6 Redundante Abhängigkeiten
323
21.6.1 Redundanz hinzufügen
323
21.6.2 Redundanz untersuchen
324
21.7 Gelenkdrehmoment aktivieren
325
21.8 Die zweite Simulation
326
21.9 Externe Belastung
328
21.9.1 Externe Kraft definieren
328
21.9.2 Antriebsmoment anpassen
329
21.9.3 Die dritte Simulation
329
21.9.4 Das Ausgabediagramm
330
21.10 Export nach FEM
331
21.11 Die FE-Analyse der Schwinge
331
22 Kurbelschwinge, die Dritte
334
22.1 Die Bauteile
334
22.2 Die Baugruppe
335
22.3 Die Simulationsumgebung
335
22.4 Gelenke einfügen
336
22.4.1 Räumliches Gelenk
336
22.4.2 3D-Kontakte
337
22.5 Reibung definieren
338
22.6 Die Simulation
339
23 Hubkolben-Triebwerk
340
23.1 Die Baugruppe
340
23.2 Die Simulationsumgebung
341
23.3 Untersuchung der Redundanz
342
23.3.1 Status des Mechanismus
342
23.3.2 Schwerkraft definieren
343
23.3.3 Gelenke überprüfen und bearbeiten
344
23.4 Die erste Simulation
347
23.5 Zweites Beispiel: Antrieb durch den Kolben
348
23.5.1 Externe Kraft wirken lassen
349
23.5.2 Externe Kraft definieren
349
23.5.3 Kraft im Eingabediagramm definieren
350
23.6 Die zweite Simulation
351
23.6.1 Das Ausgabediagramm
352
23.7 Beispiel: Verbrennungsmotor
353
23.7.1 Lastmoment hinzufügen
353
23.7.2 Zyklischen Antrieb hinzufügen
353
23.7.3 Die Simulation
356
23.8 Variante mit Feder
357
23.8.1 Festgelegte Bewegung aktivieren
357
23.8.2 Feder einfügen
357
23.8.3 Die Simulation
358
23.8.4 Das Ausgabediagramm
359
23.9 Export nach FEM
360
23.9.1 Die FE-Analyse der Kurbelwelle
360
23.9.2 Die FE-Analyse des Kolbens
362
Stichwortverzeichnis
364
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