Simulationen mit Inventor

1	Einführung

Jeder Konstrukteur kennt die hier gezeigte Grafik und den daraus ablesbaren Zusammenhang, dass Änderungskosten im Entwicklungsprozess eines Produktes immer höher zu Buche schlagen, je weiter die Produktentwicklung, von der Planung bis zum Vertrieb, fortgeschritten ist. Der triviale Umkehrschluss lautet also, dass die Produktoptimierung so früh wie möglich stattfinden muss.

Seit einigen Jahren heißt das Stichwort hierfür Digital Prototyping. Die Entwicklungszeiten sollen dadurch verkürzt, die Kosten gesenkt und die Qualität der Produkte verbessert werden. Die Grundlage dafür stellt dabei ein virtuelles 3D-CAD-Modell dar, an dem mit rechnerischen Methoden, wie kinematische und dynamische Simulation, Finite-Elemente-Methode, Visualisierung, Funktions- und Montagesimulation, sowohl die Werkstoff- und Festigkeitseigenschaften als auch die fertigungs- und die montageseitigen Bedingungen optimiert werden können.

1.1	Autodesk Inventor

Autodesk Inventor wird in drei Ausstattungsvarianten (Inventor LT, Inventor und Inventor Professional) ausgeliefert, die sich in den Grundlagen der 3D-Konstruktion nicht unterscheiden. Die Professional Version (AIP) beinhaltet alle Module.

Autodesk bietet als komplette Branchenlösungen verschiedene Programm-Pakete (Suites) an, in deren Ultimate-Versionen i.d.R. die Professional Version enthalten ist.

Die Programmversion Autodesk Inventor Professional umfasst neben allen Funktionen der 3D-Konstruktion die verschiedenen Module für die Aufgaben der Simulations- und Festigkeitsanalysen.

Dieses Funktionspaket umfasst:

• die Belastungsanalyse für die Bauteil-, Baugruppen-, Gestell(Rahmen)- und Blechumgebungen

• die Analyse von Spannungen, Belastungen und Deformationen für statische und dynamische Lasten

• die Modalanalyse für die Ermittlung von Eigenfrequenzen und des Schwingungsverhaltens mechanischer Konstruktionen

• die Konvertierung aller Baugruppen-3D-Abhängigkeiten (Constrains) in Standardgelenke

• eine große Bibliothek mit Bewegungsgelenken

• die Möglichkeit, externe Kräfte und Momente zu definieren

• die Möglichkeit, Bewegungssimulationen anhand der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und des Drehmoments als Funktion der Zeit erstellen

• die Möglichkeit, 3D-Bewegungen mithilfe von Spuren visuell darzustellen

• den Export vollständiger Ausgabedaten in Microsoft® Excel®

• die Möglichkeit, dynamische und statische Gelenke und Trägheitskräfte in die Autodesk Inventor-Simulation-Belastungsanalyse oder ANSYS Workbench zu übertragen

• die Möglichkeit, die Kraft zu berechnen, die erforderlich ist, um eine dynamische Simulation in einen Zustand des statischen Gleichgewichts zu versetzen

• die Möglichkeit, die Eigenschaften der Reibung, Dämpfung, Steifigkeit und Elastizität beim Definieren von Gelenken als Funktion der Zeit zu verwenden

• die Möglichkeit, die dynamische Bauteilbewegung interaktiv anzuwenden, um dynamische Kräfte auf die Gelenke zu simulieren

• ein umfangreiches Reportsystem, mit dem 3D-Volumenplots darzustellen sind, Berichte für alle Ergebnisse und parametrische Studien erstellt werden können

• und abschließend den Zugriff auf Inventor Studio, um beispielsweise ein realistisches oder veranschaulichendes Video der Simulation auszugeben oder fotorealistische Bilder oder Grafiken zu produzieren.

All diese Punkte, mit Ausnahme des Exports nach ANSYS, werden Gegenstand der Beispiele und Übungen in diesem Buch sein. Darüber hinaus werden sowohl die theoretischen Grundlagen für das Verständnis der Vorgänge als auch angrenzende Gebiete wie z.?B. die Oberflächenanalyse ausreichend behandelt.

1.2	Die Grenzen der Simulation

Die vielfältigen Möglichkeiten und vor allem die vermeintlich eindeutigen Ergebnisse der verschiedenen Simulations- und Berechnungsraten verführen dazu, die Resultate als absolute und richtige Folgen der Beanspruchungen zu interpretieren.

Man sollte jedoch bei aller Begeisterung über die Einfachheit, mit der man zu diesen Ergebnissen kommt, nicht vergessen, dass es sich um Näherungsverfahren handelt, die immer mehr oder weniger fehlerbehaftet sind.

Die aktuelle Aussage eines Simulationsfachmanns, dass sich „durch den rechtzeitigen Einsatz der modernen Simulationstechnik die Restfehlerquote einer Bauteile-Konstruktion inzwischen auf unter zehn Prozent senken lässt“, beschreibt treffend sowohl die revolutionären Möglichkeiten im Entwicklungsbereich, aber auch die Grenzen dieser Möglichkeiten. Zehn Prozent können den Konstruktionsprozess erheblich beeinflussen.

In vielen diesbezüglichen Kapiteln werden deshalb auch die Grenzen in Bezug auf die Genauigkeit und die möglichen Fehlerquellen genannt.

1.3

Was fehlt

Die Inventor-Simulation ist eine rein mechanische Simulation, die Bewegungs- und Belastungsvorgänge untersucht.

In der Praxis sind diese Vorgänge jedoch häufig mit thermischen und strömungstechnischen Problemen befrachtet. Das Beispiel eine Turboladers oder einer Gasturbine zeigt die drei wesentlichen Problembereiche, die mit verschiedenen Simulationsarten untersucht werden müssen.

• Neben der Stress- und Kinematik-Analyse, die der Inventor recht gut beherrscht, sind

• die Strömungsmechanik und

• die thermische Simulation (CFD ? Computational Fluid Dynamics)

ganz wichtige Bereiche, die in der Konstruktion häufig die mechanische Problematik überlagern.

Simulationspakete, die alle zurzeit möglichen Techniken beherrschen, sind jedoch nicht mehr an CAD-Systeme gekoppelt, sondern sind eigene sehr leistungsfähige und umfangreiche Programme.

1.4	Inventor-Schnittstellen

Neben den AutoCAD-Dateien können auch Zeichnungen, Modelle und Baugruppen aus anderen CAD-Systemen importiert und im Inventor weiter bearbeitet werden. Je nach Importquelle werden Bauteile jedoch mitunter lediglich als Basisteile ohne den inneren Aufbau importiert.

Der Inventor bringt zu diesem Zweck eine ganze Reihe von Translatoren mit: