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Simulationen mit Inventor - FEM und dynamische Simulation. Grundlagen und Beispiele ab Version 2011
Inhalt
6
1 Einführung
12
1.1 Autodesk Inventor Simulation
12
1.2 Die Grenzen der Simulation
13
1.3 Was fehlt
14
1.4 Inventor-Schnittstellen
14
1.4.1 Importformate
15
1.4.2 Exportformate
15
1.5 Inventor für Schüler und Studenten
16
1.5.1 Inventor kostenlos?
17
1.6 Systemvoraussetzungen
17
1.6.1 Hinweise zur Installation
17
1.6.2 Hardware
17
1.6.3 Betriebssysteme
18
1.6.4 Sonstige Anforderungen
18
1.7 Voraussetzungen für Anwender
18
1.8 DVD zum Buch
18
1.9 Resümee
19
2 Digital Prototyping und Produktdesign
20
2.1 Virtuelle 3D-Modelle
20
2.2 Herstellung von Prototypen, Rapid Prototyping
21
2.3 Produktoptimierung
22
2.3.1 Flächen- bzw. Formoptimierung
22
2.3.2 Berechnungen
23
2.3.3 Dynamische Simulation
23
3 Bauteilanalysen
24
3.1 Zebra-Analyse
26
3.2 Entwurf, Verjüngungsanalyse
27
3.3 Fläche, Gauß-Analyse, Gauß´sche Flächenkrümmung
28
3.4 Schnitt, Querschnittsanalyse
29
3.5 Krümmungsanalyse, Krümmungskammanalyse
30
4 Technische Mechanik, Festigkeitslehre und Inventor
32
4.1 Statik
32
4.2 Freiheitsgrade
33
4.3 Freiheitsgrade überprüfen
35
4.3.1 Anzeige der Freiheitsgrade
35
4.3.2 Freiheitsgrad-Analyse
36
4.4 Gelenke
37
4.4.1 Inventor-Gelenke
38
4.5 Reibung
39
4.6 Kinematik
39
4.7 Dynamik
41
4.7.1 Schwerkraft, Gravitation
41
4.7.2 Masse, Gewichtskraft, Trägheitsmomente
41
4.7.3 Gelenkkräfte und -momente
42
4.7.4 Simulation
43
4.7.5 Export nach FEM
43
4.7.6 Schwingungen, Eigenfrequenz, Resonanz, Modalanalyse
44
4.8 Festigkeitslehre und FEM-Ergebnisse
46
4.8.1 Festigkeitshypothesen
47
4.8.2 Spannungen
48
4.8.3 Verformungen
49
4.8.4 Sicherheitsfaktoren, Belastung, Dehnung
49
4.8.5 Kontaktdruck
50
4.8.6 Knicken und Beulen
50
4.9 Grenzen der Inventor-Mechanik
51
5 FEM
54
5.1 FEM, allgemein
54
5.2 Konvergenz
55
5.2.1 Max. Anzahl der H-Verfeinerungen
55
5.2.2 Stopp-Bedingung
56
5.2.3 Schwellenwert für H-Verfeinerungen
56
5.2.4 Konvergenz-Plots
56
5.3 Das FEM-Netz
57
5.3.1 Netzeinstellungen
58
5.3.2 Lokale Netzsteuerung
60
5.3.3 Allgemeine Richtlinien für die Netzerstellung
61
5.4 Erstes Beispiel einer einfachen FE-Analyse
62
5.4.1 Das Bauteil und seine Eigenschaften
63
5.4.2 Die erste Simulation
64
5.4.3 Abhängigkeiten, Einspannung
65
5.4.4 Lasten
67
5.4.5 Das Netz
69
5.4.7 Materialanpassung
72
5.4.8 Hauptspannungen
74
5.4.9 Verformung, Verschiebung
75
5.4.10 Rückstoßkräfte, Lagerkräfte
76
5.4.11 Ergebnisprotokoll
77
5.4.12 Bericht
78
6 Parametrische FEM-Studien
82
6.1 Das parametrische Bauteil
82
6.2 Vorbereitung der parametrischen FE-Analyse
83
6.2.1 Die parametrische Tabelle
83
6.3 Die parametrische Simulation
88
6.4 Parametrische Ergebnisse
88
6.5 Das Modell anpassen
90
7 Modal- oder Eigenfrequenzanalyse
92
7.1 Eine Modalanalyse durchführen
92
7.2 Ein zweites Beispiel
94
8 Stimmgabel 440 Hz entwerfen
96
8.1 Die Konstruktion
96
8.2 Die Belastungsanalyse
97
8.2.1 Netzverfeinerung
98
8.2.2 Die erste Simulation
98
8.3 Frequenzermittlung iterativ
99
8.4 Frequenzermittlung mit parametrischer Tabelle
101
9 FEM an Schweißbaugruppen
104
9.1 Erstes Beispiel
104
9.1.1 Die Baugruppe
104
9.1.2 Die Schweißverbindung
105
9.1.3 Die Vorbereitung der Belastungssimulation
107
9.1.4 Kontakte überprüfen
107
9.1.5 Die Simulation
109
9.2 Zweites Beispiel
110
9.2.1 Die Schweißkonstruktion
110
9.2.2 Simulation vorbereiten
111
9.2.3 Kontakte kontrollieren
112
9.2.4 Die Simulation
114
9.2.5 Sicherheitsfaktor
115
9.3 Punktschweißen
115
9.3.1 Die Punktschweißung im Beispiel
116
9.3.2 Die Simulation vorbereiten
117
9.3.3 Kontakte bearbeiten
117
9.3.4 Die Simulation
118
10 Die Materialbibliothek
120
10.1 Der Stil- und Normen-Editor
120
10.2 Material
121
10.2.1 Übersicht
121
10.2.2 Werkstoffkennwerte und Einheiten
122
10.2.3 Farbstil der Werkstoffe
123
10.3 Import und Export von Stilen
123
10.4 Ein neues Material einfügen
124
10.4.1 Die Stilbibliothek bearbeiten
126
10.5 Farbstile editieren
127
10.6 Beleuchtungen einstellen
129
10.7 Bewegung im Inventor Studio
130
10.8 Problematische Materialien in der FEM
130
10.8.1 Beispiel Silentblock
130
10.9 Nicht in der FE-Analyse verwendbare Werkstoffe
132
10.9.1 Polymere Werkstoffe
134
10.9.2 Verbundwerkstoffe
135
10.10 Bauteile mit großen Verformungen
136
11 Einfache Bewegungssimulationen
138
11.1 Baugruppen von Hand bewegen
138
11.2 Automatische Bewegung in der Baugruppe
139
11.3 Bewegung in der Präsentation
141
11.3.1 Eine Präsentation erstellen
141
11.3.2 Die automatische Explosionsmethode
142
11.3.3 Die manuelle Explosion
143
11.4 Die Präsentationsanimation von Schrauben
144
11.4.1 Eine neue Präsentation erstellen
145
11.4.2 Komponentenpositionen
145
11.4.3 Die Schraubenbewegung animieren, der Film geht ab
147
11.5 Bewegung im Inventor Studio
150
11.5.1 Die Inventor Studio-Arbeitsumgebung
150
11.6 Beispiel einer Studio-Animation
154
11.6.1 Vorbereitung der Animation
155
11.6.2 Abhängigkeit animieren
155
11.6.3 Die Ablaufsteuerung
157
11.6.4 Animation aufzeichnen
158
12 Die dynamische Simulationsumgebung
160
12.1 Die Arbeitsumgebung
160
12.1.1 Funktionsgruppe Verbindung
160
12.1.2 Funktionsgruppe Laden
161
12.1.3 Funktionsgruppe Ergebnisse
161
12.1.4 Funktionsgruppe Animieren
162
12.1.5 Funktionsgruppe Verwalten
163
12.1.6 Funktionsgruppe Belastungsanalyse
163
12.1.7 Funktionsgruppe Beenden
164
12.2 Der Objektbrowser in der dynamischen Simulation
164
12.3 Bewegliche Gruppen einfärben
167
12.4 Beschreibung der Gelenkarten
168
12.4.1 Normgelenk
169
12.4.2 Abhängigkeiten und Gelenke
169
12.4.3 Vordefinierte Gelenke
172
12.5 Gelenkeinfügungsarten
173
12.5.1 Gelenkeinfügung von Hand, die Funktion Gelenk einfügen
174
12.5.2 Gelenk aus Abhängigkeit erzeugen, die Funktion Abhängigkeiten
178
12.5.3 Automatische Gelenkdefinition
179
12.6 Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten
181
12.6.1 Registerkarte Allgemein
182
12.6.2 Registerkarte Freiheitsgrad x (R/T)
184
12.7 Gelenkkräfte, Steifigkeit und Dämpfung
185
12.7.1 Nichts ist starr
185
12.7.2 Steifigkeit und Dämpfung - der Sprungbretteffekt
185
12.7.3 Inventor ist ein Starrkörpersystem
186
12.7.4 Inventor ist elastisch?
186
12.7.5 Steifigkeit
187
12.7.6 Dämpfung
187
12.8 Gelenkeigenschaften
188
12.8.1 Anfangsbedingungen bearbeiten
189
12.8.2 Gelenkdrehmoment bzw. Gelenkkraft bearbeiten
189
12.8.3 Festgelegte Bewegung bearbeiten
190
12.9 Das Eingabediagramm
190
12.9.1 Die Diagrammfläche
191
12.9.2 Sektor-Optionen
192
12.9.3 Start- und Endpunkt
193
12.9.4 Funktionsdefinitionen speichern und laden
193
12.9.5 Referenzachsen bestimmen
193
13 Pendelklappe mit Schwerkraft
194
13.1 Die Bauteile und die Baugruppe
194
13.2 Die dynamische Simulation starten
195
13.3 Schwerkraft definieren
196
13.4 Die erste Simulation
196
13.5 Einen 3D-Kontakt einfügen
197
13.6 Die zweite Simulation
198
13.7 Ändern der Pufferdämpfung
199
13.8 Drehgelenkeigenschaften einstellen
199
13.9 Das Ausgabediagramm
200
13.9.1 Die Oberfläche des Ausgabediagramms
201
13.9.2 Diagrammoptionen
201
13.9.3 Variable anzeigen
202
13.9.4 Eine zweite Variable überlagern
203
13.9.5 Eine neue Kurve erzeugen
205
13.9.6 Darstellungs- und Wertegenauigkeit
206
13.9.7 Diagramm und Werte nach Excel exportieren
206
14 Fliehkraftregler
208
14.1 Die Baugruppe
209
14.2 Baugruppe bewegen
212
14.3 Die dynamische Simulation
213
14.3.1 Überbestimmungen
213
14.3.2 Der Objektbrowser
214
14.4 Der Antrieb
215
14.4.1 Antriebsmoment
215
14.4.2 Dämpfung
216
14.4.3 Reibung
216
14.5 Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse
216
14.5.1 Die Rotation
218
14.6 Andere Gelenke mit Reibwerten versehen
218
14.7 Die Simulation
220
14.8 Das Ausgabediagramm
221
14.8.1 Rotationsgeschwindigkeit interpretieren
222
14.8.2 Schwingungen untersuchen
223
14.9 Feder einfügen
223
14.10 Simulation mit eingebauter Feder
228
14.11 Kurven im Ausgabediagramm bearbeiten
228
14.12 Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen
229
14.12.1 Die Vorbereitung
229
14.12.2 Zeitschritt auswählen
230
14.12.3 Bauteile zur FE-Analyse auswählen
231
14.12.4 Überbestimmte Bauteile heilen
232
14.12.5 In die Belastungsanalyse wechseln
233
14.12.6 Die Belastungsanalysen
234
14.12.7 Fazit
237
15 Spielerei mit einem Ball
238
15.1 Die Bauteile und die Konstruktion
238
15.2 Die Simulationsumgebung
240
15.2.1 Feder einfügen
240
15.2.2 Schwerkraft definieren
241
15.2.3 Der Ball benötigt Gelenke
241
15.2.4 Der Objektbrowser
243
15.3 Die Simulation
244
15.3.1 Starres Abprallen
245
16 Kurbelschwinge
246
16.1 Die Funktion
246
16.2 Die Bauteile
247
16.3 Die Abhängigkeiten
249
16.4 Nach Abhängigkeit bewegen
250
16.5 Vorbereitung der Simulation
251
16.5.1 Nichts geht mehr
251
16.5.2 Geht doch!
252
16.5.3 Der Antrieb
252
16.6 Die erste Simulation
253
16.7 Schiebegelenk einfügen
254
16.8 Die zweite Simulation
255
16.9 Schwerkraft und Reibung
255
16.9.1 Schwerkraft
255
16.9.2 Reibungswerte und Kraftübertragung
256
16.9.3 Beidseitige Kraftübertragung an der Schwinge
256
16.9.4 Gelenkreibungen der Drehgelenke
257
16.9.5 Startposition
257
16.10 Die dritte Simulation und das Ausgabediagramm
258
16.10.1 Das Ausgabediagramm
259
16.11 Externe Kraft einfügen
261
16.12 Die vierte Simulation und das Ausgabediagramm
262
16.13 Spur aufzeichnen
265
17 Kurbelschwinge-Schiebevorrichtung
268
17.1 Die Bauteile
268
17.2 Die Funktion
269
17.3 Gelenke einfügen
270
17.3.1 Zylindrisches Schiebegelenk
270
17.3.2 Punkt-Ebene-Gelenk
270
17.3.3 Druckfeder
272
17.4 Die erste Simulation
274
17.5 Status des Mechanismus
275
17.6 Redundante Abhängigkeiten
277
17.6.1 Redundanz hinzufügen
277
17.6.2 Redundanz untersuchen
278
17.7 Gelenkdrehmoment aktivieren
279
17.8 Die zweite Simulation
280
17.9 Externe Belastung
281
17.9.1 Externe Kraft definieren
282
17.9.2 Antriebsmoment anpassen
282
17.9.3 Die dritte Simulation
283
17.10 Export nach FEM
284
17.11 Die FE-Analyse der Schwinge
285
18 Kurbelschwinge, die Dritte
288
18.1 Die Bauteile
288
18.2 Die Baugruppe
289
18.3 Die Simulationsumgebung
289
18.4 Gelenke einfügen
290
18.4.1 Räumliches Gelenk
290
18.4.2 3D-Kontakte
290
18.5 Reibung definieren
291
18.6 Die Simulation
293
19 Hubkolben-Triebwerk
294
19.1 Die Baugruppe
294
19.2 Die Simulationsumgebung
295
19.2.1 Schwerkraft definieren
296
19.2.2 Gelenke überprüfen und bearbeiten
296
19.2.3 Gelenk Zylindrisch:1, Zylinder – Kolben
297
19.2.4 Gelenk Drehung:2, Rillenkugellager - Kurbelwelle
298
19.2.5 Gelenke an den Sicherungsringen
299
19.2.6 Gelenke am Pleuel
299
19.3 Die erste Simulation
300
19.4 Antrieb durch den Kolben
301
19.4.1 Externe Kraft wirken lassen
301
19.4.2 Externe Kraft definieren
301
19.4.3 Kraft im Eingabediagramm definieren
302
19.5 Die zweite Simulation
304
19.5.1 Das Ausgabediagramm
304
19.6 Lastmoment hinzufügen
305
19.7 Kraftkomponenten auswerten
306
19.8 Variante mit Feder
307
19.8.1 Festgelegte Bewegung aktivieren
307
19.8.2 Feder einfügen
308
19.9 Die dritte Simulation
309
19.10 Das Ausgabediagramm
309
19.11 Export nach FEM
310
19.12 Die FE-Analyse der Kurbelwelle
311
19.13 Kolben exportieren
312
19.14 Die FE-Analyse des Kolbens
314
19.14.1 Netzeinstellungen verändern
315
19.14.2 Maximalspannung suchen
315
19.14.3 Verformungen des Kolbens
316
Index
318
Alle Preise verstehen sich inklusive der gesetzlichen MwSt.