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Whitepaper Auslegung und Berechnung Jul. 2008 1 / 21 www.autodesk.de/inventor

WHITEPAPER

Auslegung und Berechnung in der digitalen Produktentwicklung

Inhalt 1. Maschinenelemente und Auslegung ...............................................................................2 2. Dynamische Simulation .................................................................................................11 3. FEM-Berechnung...........................................................................................................16


Mit effizienten Methoden den Vorsprung halten Die digitale Produktentwicklung ist keine Zu-kunftsmusik, sondern eine reale und notwendige Methode um die Entwicklungsprozesse effizien-ter zu gestalten und signifikant zu beschleuni-gen. Die Maschinenbauer in Deutschland, Österreich und der Schweiz haben ihre hervor-ragenden Positionen auf den internationalen Märkten ausgebaut. Aber es gibt keinen Grund, sich zurück zu lehnen. Die Wettbewerber in aller Welt schlafen nicht. Die Unternehmen müssen sich weiter anstrengen, damit der Abstand sich nicht verringert. Die konstruktionsbegleitende Berechnung ist ein wesentlicher Teil der digitalen Entwicklung und über-nimmt eine wichtige Rolle. Sie hilft mit, Entwicklungs-zeiten zu verkürzen, den Aufwand beim Bau von Prototypen zu verringern, Fertigungskosten zu redu-zieren, Innovationen zu ermöglichen und die Qualität zu verbessern. Durch die Verlagerung der Untersu-chung von Varianten, der Materialoptimierung, der Kostenanalyse und notwendigen Anpassungen in frühen Phasen der Produktentwicklung lassen sich Kosten senken. Spätere Änderungen im Entwick-lungsprozess sind kostspielig. Späte Ideen kommen oft nur deshalb nicht mehr zum Zug, weil eine Modifikation zu teuer wäre. Die Optimierung des virtuellen Prototyps dagegen kostet weniger Zeit und Geld als der Bau von physischen Prototypen und die Durchführung langwieriger Testreihen. Wer Innova-tionen früher und vor allem vor dem Wettbewerb auf den Markt bringt, kann bessere Preise erzielen und

wirtschaftlicher arbeiten. Der Langsame muss sich mit niedrigen Preisen gegen den Schnellen behaupten und auf Rendite verzichten – das kann ein verlust-reicher Kampf werden. Die Vervollkommnung der digitalen Produktentwick-lung ist deshalb erklärte Strategie von Autodesk®, um seine Kunden für die Positionskämpfe an der Innova-tionsfront zu wappnen. Eine Reihe von Bausteinen, die diese Strategie untermauern, ist bereits heute verfügbar. Dieses Whitepaper gibt einen Überblick über die wichtigsten Komponenten für den Bereich Berechnung und Auslegung. Am Beispiel einer automatisierten Pressenanlage mit Robotorbedienung (Bild 0.1) werden nachfolgend eine Reihe von Berechnungs- und Auslegungsfunkti-onen von Inventor praxisnah erläutert. Auf dieser Rundtischanlage werden verschiedene Komponenten mit hohem Kraftaufwand in einen vorbearbeiteten Gußkörper durch einen Pressvorgang eingefügt.

1. Maschinenelemente und Auslegung

Der Dubbel bleibt im Regal

Die Konstruktion als komplexer Prozess umfasst mehr als das Zusammensetzen von Regelkörpern zu drei-dimensionalen Modellen, nämlich Ideenfindung, Über-legungen zu Alternativen, Anwendung technischer Prinzipien, Berechnungen und Verfahren, welche die Funktion eines technischen Produkts gewährleisten. Die Ergebnisse dieses Prozesses fließen in einem

Entwurf zusammen. Die frühen CAD-Systeme waren geometriebestimmt, beschrieben nur den Endzustand eines Entwurfs und boten für die Schritte auf dem Weg dorthin recht wenig Unterstützung. Expertenfunktionen für den Konstrukteur Das hat sich inzwischen stark geändert. Moderne Systeme wie Autodesk Inventor helfen dem Konstruk-teur in allen Phasen des Konstruktionsprozesses mit Expertenfunktionen, die viele manuelle Tätigkeiten und Zeichenarbeit eliminieren. Einen großen Schritt vollzog Inventor mit der Einführung seiner „funktions-bestimmten Konstruktion“. Damit ließ das Autodesk 3D-System die einfache Geometriedokumentation hin-ter sich und ermöglicht dem Konstrukteur das direkte Auslegen und Einfügen von passenden Funktions-

Bild 0.1: Automatisierte Pressenanlage

Im CAD-System Autodesk® Inventor® ist das wichtigste Grundwissen des Ingenieurs implemen-tiert. Häufig verwendete Maschinenelemente und Berechnungsverfahren stellt das System dem Konstrukteur per Mausklick zur Verfügung.


und Maschinenelementen in den Entwurf. Das haben sich viele Konstrukteure schon lange gewünscht: Inventor unterstützt heute die Konstrukteure mit seinen leistungsfähigen Konstruktionsassistenten (Bild 1.1) innerhalb der Baugruppenkonstruktion bei vielen aufwendigen Aufgaben. Sehr benutzerfreund-lich vereinfachen die Konstruktionsassistenten die Berechnung und automatisierte Darstellung von Maschinen- und Funktionselementen und reduzieren den Aufwand für notwendige Eingaben auf wenige Mausklicks. Ihre Anwendung wird nachfolgend für einige Beispiele vorgestellt. Hier eine Übersicht über die verfügbaren Assistenten: • Schraubverbindungen

• Wellen

• Zahnräder

• Lager

• Federn

• Kettenantriebe, Keilriemen- und

Zahnriemenantriebe

• Bolzen- und Stiftverbindungen

Ingenieurwissen integriert Ein großer Teil des Grundwissens des Ingenieurs wurde direkt in Inventor integriert. Der „Dubbel“ oder „Hütte“ kann im Regal bleiben. Was der Konstrukteur früher auf dem Skizzenblock rechnete, erledigt jetzt Inventor – und baut die Elemente gleich ein. Die

neuen Methoden bieten komfortable Funktionen, beispielsweise die Ausle-gung, Berechnung und das Einfügen einer Welle. Schraubverbindungen, die häufig benutzt werden, legt der Konstrukteur als Vor-lage beziehungsweise „Favoriten“ ab. Berechnun-gen werden als HTML-Datei angezeigt (Bild 1.2) und sind exportierbar, beispiels-weise für eine weitere Be-arbeitung als Word-Dokument. Autodesk Inventor führt heute weitgehend automa-tisch häufig vorkommende technische Prinzipien, Be-rechnungen und standardi-sierte Verfahren aus. So übernimmt Inventor, in einem Umfang wie kein anderes CAD-System, zeitintensive Aufgaben des Konstruktionsprozesses, veranlasst gleichzeitig mit der Geometrieerstellung die Validie-rung durch eine Berechnung und schaltet so Fehler-quellen aus. Die Grundlagen und Erläuterungen der Berechnungen, Formeln und der zu Grunde liegenden Theorien, findet der Konstrukteur im "Handbuch für Konstrukteure", eine übersichtliche und online zu lesende HTML-Referenz, die er einfach per Mausklick auf die entsprechende Schaltfläche im Menu „Konstruktions-Assistent“ anzeigen kann (Bild 1.1).

Bild 1.1: Konstruktions-assistenten

Bild 1.2: Berechnungsergebnisse (HTML-Datei) für Stirnräder (Ausschnitt)


Stahlbaukonstruktion in wenigen Schritten Zum Inventor-Konzept der funktionsorientierten Kon-struktion gehört auch ein Softwaremodul für die Stahl-baukonstruktion. In vielen Bereichen des Maschinen-baus, vor allem im Anlagenbau, in der Betriebsmittel-konstruktion und im Nutzfahrzeugbau, werden Rah-menkonstruktionen unter Verwendung von Normstahl-profilen entworfen. Sie dienen als Stützgerüste, Arbeitsbühnen, Montagerahmen, Treppen, Umläufe oder Rahmen von Fahrzeugaufbauten. Die Konstruktion solcher tragender Strukturen mit Hilfe von Standardprofilen ist durch einfache Geo-metrien und viele ähnliche Teile oder Baugruppen gekennzeichnet. Ihr Aufbau ist eine Routinearbeit, die sich in hohem Maße in einem CAD-System auto-matisieren lässt. Der Software-Baustein, der diese Aufgaben übernimmt, trägt bei Inventor den Namen „Gestellgenerator“. Diese integrierte Software-Komponente orientiert sich an der Vorgehensweise eines Konstrukteurs, der zunächst ein idealisiertes Bauraummodell entweder als Draht- oder Volumenmodell definiert. Anschlie-ßend geht er daran, die Kanten des idealen Modells durch reale Profile zu ersetzen. Inventor bietet ihm eine Auswahl der verfügbaren Normprofile. Er platziert die Profile entlang der Kanten in 2D- oder 3D-Skizzen. Die Platzierung nimmt der Anwender in einem Einfüge-Menüfenster (Bild 1.3) vor, das dazu dient, die Orientierung des Profils in Bezug auf die vorgegebene Bauraumgeometrie festzulegen. Ausprägung der Verbindungen Danach geht der Konstrukteur mit intuitiv zu be-dienenden Werkzeugen an die Gestaltung der Eck-verbindungen: Er wählt beispielsweise einen Geh-rungsschnitt, definiert die Ausprägung des Profil-endes, die Korrektur des Zuschnitts (Verkürzung, Verlängerung) oder die Einstellung eines Offsets (Abstand). Dabei kann er jederzeit wieder zum Ausgangsprofil zurückkehren, um auf eine andere Form, etwa eine stumpfe Verbindung, zu wechseln. Alle Informationen über das Profil können jederzeit abgefragt werden, wie Masse, Volumen, Abmessun-gen, Normbezeichnung und Positionierung relativ zu der Bezugsgeometrie des Bauraums. Die Standardinstallation von Inventor enthält bereits eine Bibliothek der wichtigsten Profile und Norm-reihen. Der Anwender kann eigene Profile definieren, beispielsweise Alu-Profile, und in der Bibliothek, dem Inventor Inhaltscenter verwalten.

Bild 1.3: Menüfunktionen für das Einfügen eines Normprofils

Bild 1.4: Überprüfung der Knickbeanspruchung von belasteten Profilen

Bild 1.5: Festigkeitsrechnung: relevante Profileigenschaften


Berechnungen integriert Die wichtigsten Berechnungsverfahren sind integriert anwendbar, beispielsweise die Überprüfung der Knickbeanspru-chung von Stützen und Stäben für die vier Eulerschen Knickfälle (Bild 1.4) und die Berechnung der Grenzspannungen, ebenso die Untersuchung kritischer Teile (Bild 1.5) auf Biegung, Torsion, Zug, Druck usw. Die Software nutzt die integrierten Stück-listenfunktionen von Inventor und produ-ziert automatisch Listen aller einzelnen Zuschnitte, aber auch Summenlisten geordnet nach Normen, um beispiels-weise die Gesamtlänge verbauter Profile für die Bestellung zu ermitteln. Beispiel: Pressentisch Der Unterbau des Pressentisches aus unserem Bei-spiel einer Fertigungszelle wurde als Rahmenkon-struktion mit Vierkantrohren ausgeführt. Die Profile stoßen an den Ecken stumpf aufeinander und sind verschweißt. Bild 1.6 zeigt das Einfügen eines Profils zwischen zwei Kanten, in der Vorschau als grünes Drahtmodell erkennbar. Nach Auswahl einer stumpfen Verbindung (Inventor-Funktion „Auf Rahmen stutzen“) kürzt die Gestellgenerator-Software das Profil auto-matisch auf die passende Länge zwischen den beiden

begrenzenden Profilen oben und unten.

Konstruktions-Assistenten Die nachfolgenden Beispiele illustrieren die nahtlose Integration der Berechnung in den Konstruktionspro-zess. Dargestellt wird die Konstruktion und Auslegung von Schraubverbindungen, Wellen, ihrer Lagerung und der Kraftübertragung über Kegelräder für den Rundtakttisch der bereits beschriebenen Fertigungs-zelle. Schraubverbindungs-Generator Der Schraubverbindungs-Generator erstellt komplette Schraubverbindungen, einschließlich der zugehörigen Bohrungen automatisch. Alle wichtigen Normen werden unterstützt. Im Dialog (Bild 1.7) wählt der Anwender 1. den Typ (Durchgangsbohrung, Sackloch) und 2. die Position der Bohrungen (z. B. konzentrisch

oder über den Abstand von Bezugskanten), 3. die Startebene in Teil 1 und die Schlussebene in

Teil 2), 4. die Schraube, und eventuell 5. Beilagscheiben, 6. die Mutter. Schraubverbindungen, die häufiger vorkommen, speichert der Konstrukteur in einer Vorlagenbibliothek. Er spart sich so die wiederholte Auswahl der einzel-nen Komponenten der Schraubverbindung. Die Objekteigenschaften der gesamten Schraubverbin-dung werden gespeichert und bleiben bei Modifika-tionen erhalten. Soll statt einer Schraube M10 eine Schraube M8 verwendet werden, so ist nur der Nenn-durchmesser zu ändern und die Konstruktion zu aktualisieren. Ebenso könnte eine Innensechskant-Schraube gegen eine Sechskantschraube ausge-tauscht werden, ohne an den übrigen Elementen der Verbindung eine Änderung vornehmen zu müssen.

Bild 1.6: Der Unterbau des Pressentisches ist als Rahmenkonstruktion mit Profilstahl ausgeführt: Einfügen einer vertikalen Stütze mit Hilfe des Gestellgenerator

Bild 1.7: Schraubverbindungs-Generator


Schraubenberechnung Stark beanspruchte Schrauben wie die Befestigungen der Pressenzylinder, die auf Zug beansprucht sind, müssen hin-sichtlich ihrer Festigkeit über-prüft werden. Der Schrauben-verbindungs-Generator bietet eine Berechnung (Bild 1.8) sowohl für die Beanspruchung der belasteten und durch An-ziehen vorgespannten Schrau-be als auch für die Dauerfestig-keit (Ermüdung) an. Die Ausle-gungsberechnung verlangt die Parameter Axialkraft, Tangen-tialkraft (im Fall der Zylinder-befestigung gleich Null), einen Faktor für die Vorspannung der angezogenen Schraube, einen Faktor, der durch die Art des Schraubenanzugs bestimmt wird, einen werkstoffabhängigen Reibungskoeffizient und den erforderlichen Sicherheitsfaktor. Beispiel: Einfügen von Normteilen mit Autodrop Eine Reihe von Normteilen platziert Inventor mit der komfortablen „Autodrop“-Funktion. Für Schrauben-verbindungen ist dieser Weg als Alternative zum o. g. Schraubverbindungs-Generator zu sehen. Dabei wählt der Konstrukteur nach dem Aufruf der Norm-teilebibliothek den Schraubentyp. Die empfohlene Größe zeigt Inventor in einer Vorschau und fügt dann die Schraube nach Bestätigung automatisch ein (Bild 1.9). Diese Funktion benötigt nur die Anwahl der oberen Bohrungskante mit dem Mauszeiger, um die Schraube korrekt zu positionieren. Scheiben und Muttern werden analog positioniert. Die Reihenfolge entspricht der Montage: 1. Scheibe oben – 2. Schraube – 3. Scheibe unten – 4. Mutter. Mehrfaches Einfügen Eine Schaltfläche in der Autodrop-Werkzeugleiste schaltet das Einfügen mehrerer Verbindungselemente in einem einzigen Schritt ein. Wenn diese Option aktiviert ist, sucht Autodrop nach allen Bohrungen, deren Durchmesser dem der ursprünglichen Auswahl entspricht, und füllt sie entsprechend auf (Bild 1.10).

Bild 1.8: Schraubenberechnung

Bild 1.9: Autodrop: Eine passende Schraube zeigt Inventor in der Vorschau.

Bild 1.10: Befestigung der hydraulischen Arretierung. Per Autodrop-Funktion fügt Inventor alle Schauben in die passenden Bohrungen ein.


Beispiel: Konstruktion und Berechnung einer Welle Der Rundtakttisch des Beispiels Fertigungszelle, wird von einer Welle angetrieben, die das Antriebsmoment des Motors über ein Kegelradgetriebe in eine Dreh-bewegung des Tisches umwandelt. Der Konstruktionsassistent Wellengenerator hilft zunächst bei der schnellen Definition aller Haupt-abschnitte einer Welle (Bild 1.11). Die Hauptelemente sind vor allem Zylindersegemente, aber auch Kegel oder Polygonabschnitte. Die Auswahl erfolgt durch Klick auf die blauen Symbole:

Am linken und rechten Wellenende können Bohrun-gen angebracht sein (zylindrisch oder kegelförmig), die Auswahl erfolgt auf diesen Schaltflächen:

In weiteren Schritten legt der Konstrukteur weitere Detailelemente der Welle fest: Fasen, Radien, Ein-stiche oder eine Rille für eine Sicherungsmutter auf der linken Seite und entsprechend auf der rechten Seite, Auswahl über diese Symbole:

Die folgenden Elementobjekte können auf den Wellenabschnitten hinzugefügt werden. Die Auswahl-möglichkeit steuert Inventor sinnvoll, da für Kegel und Zylinder unterschiedliche Optionen sinnvoll sind:

Es entsteht ein Strukturbaum der Wellenelemente und –objekte, der an jeder Stelle editierbar ist. Für die automatische Erzeugung einer Passfeder und zugehöriger Nut sorgt alternativ der Kon-

struktionsassistent „Keilverbindungs-Generator“. Er ermittelt automatisch den Wellendurchmesser, bestimmt die Passfederlänge und die Federgröße nach der entsprechenden DIN-Norm. Die Kraftannahmen (Drehmoment, vgl. Bild 1.12) resultieren aus den Bewegungskräften des Rund-schalttisches, Querkräfte ergeben sich aus den Reaktionskräften in den Lagern. Den Verlauf des Biegemoments, der Querkraft, der Durchbiegung und der Spannungskenngrößen liefert Inventor auf Knopfdruck (Bild 1.13) nach den Formeln, die im Inventor-Handbuch für Konstrukteure (Bild 1.14) nachzulesen sind.

Bild 1.12: Wellenberechnung, Belastungsannahmen

Bild 1.11: Wellengenerator, Festlegung der Hauptabschnitte einer Welle


Auswahl und Auslegung der Lager Für die Auswahl und Berechnung der Lager bemüht der Anwender einen weiteren Konstruktionsassisten-ten, den Lagergenerator. Nach Festlegung der Lager-art, im Beispiel eines Rillenkugellagers DIN 625-T1 (Bild 1.15), wählt der Konstrukteur den Wellendurch-messer und die Position durch Anklicken der Mantel-fläche der Welle und der Seitenfläche des angren-zenden Wellenabschnitts. Die auf die Lager wirken-den radialen und axialen Kräfte rühren vom Antrieb des Rundtakttisches über Kegelzahnräder. Die Berechnung führt Inventor wahlweise nach ANSI/AFBMA 9-1990 (ISO 281-1990) oder nach der SKF-Methode durch. Die Überprüfung unter Berücksichtigung der Lagerkräfte ergibt eine ausreichende Lebensdauer der Lager (Bild 1.16).

Bild 1.14: Auszug aus dem Inventor Online-Handbuch für Konstrukteure: Die Formeln, nach denen die Belastungskenngrößen für Wellen berechnet werden.

Bild 1.13: Wellenberechnung, Verlauf des Biegemoments

Bild 1.15: Auswahl und Auslegung der Lager


Bild 1.17: Berechnung der Kegelräder: Auslegung der Zahnrad- geometrie

Auslegung der Kegelräder Bei der Auslegung von Zahnrädern geht es zunächst darum, die Verzahnungsgeometrie und Zähnezahlen entsprechend der gewünschten Übersetzung zu be-stimmen (Bild 1.17). Im zweiten Schritt ist die Trag-fähigkeit festzustellen. Dabei überprüft Inventor die Dauerfestigkeit hinsichtlich der Zahnbiegebeanspru-chung und der Kontaktbeanspruchung der Zahn-flanken (Bild 1.18).

Bild 1.16: Lagerberechnung: Überprüfung der Lebensdauer

Bild 1.18: Berechnung der Kegelräder: Festigkeitsüberprüfung


Sonstige Berechnungsverfahren Weitere, häufig benötigte Berechnungsverfahren sind als Software-Assistenten direkt in Autodesk Inventor implementiert. Dazu gehören folgende Methoden: • Schweißverbindungen

Inventor überprüft die statische und z. T. die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen. • Lötverbindungen

Berechnet wird die statische Festigkeit der Lötverbindungen. • Klemmverbindungen

Dieser Konstruktionsassistent überprüft die Festigkeit der Klemmverbindungen bei statischer und wechselnder Belastung. • Toleranzen, Passungen, Presspassung

Dieser Assistent unterstützt eine Toleranzanalyse, berechnet Grenzwerte und Passungen, unterstützt die Auswahl und Berechnung von Passungen für das System Einheitsbohrung und Einheitswelle und legt die Parameter für die Berechnung von Presspassun-gen fest.

• Bewegungsschraube

Dieser Assistent berechnet die Geometrieparameter einer Bewegungsschraube und überprüft die zulässigen Belastungen. • Träger und Platten

Auf diese Schaltfläche klickt der Konstrukteur, wenn er eine Berechnung von Balken (Trägern) mit unter-schiedlichen Belastungen, entweder mit Standard-querschnitten oder für ein Bauteil aus seiner Kon-struktion, braucht – eine häufig vorkommende Auf-gabe. Der Software-Assistent liefert den Verlauf des Biegemoments, der Querkraft, der Durchbiegung und der Spannungskenngrößen. Daneben findet er die Berechnung von Stützen, aber auch die Berechnung von kreisförmigen und rechteckigen Platten unter Flächen- oder Punktbelastung. • Bremsen

Dieser Assistent berechnet Bremsmomente, Kräfte, wichtige Abmessungen, erforderliche Bremszeit und Umdrehungen bis zum Stillstand. Zeit sparen – Fehler vermeiden Autodesk hat die funktionsorientierte Konstruktion von Inventor in den letzten Jahren ausgebaut, um Rou-tineprozesse zu automatisieren und den Anwendern mehr Zeit für die kreativen Aufgaben in der Ent-wicklung zu verschaffen. Es lohnt sich für die Firmen, die Mitarbeiter mit diesen Software-Funktionen ver-traut machen. Die Standardisierung und Automati-sierung häufig benutzter Methoden beschleunigt den Ablauf der Konstruktion und hilft Fehler zu vermeiden.


2. Dynamische Simulation Bewegte mechanische Systeme im CAD-System analysieren und berechnen Bis vor wenigen Jahren verstand Inventor wie viele andere Systeme unter Simulation nur die Animation der Grafik beweglicher Bauteile und Baugruppen. Das erlaubte die Bestimmung ihrer Bahnbewegung in der Ebene oder im Raum ohne reale Parameter wie Drehzahlen, Geschwindigkeiten oder Taktzeiten. Die Bahn-kurven beschreiben aber nur einen kleinen Teil der Probleme. Für die Auslegung realer Ma-schinen und Geräte ist eine umfassendere Analyse erforderlich, die Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und die daraus resultieren-den Belastungen ermittelt. Neben den extern angreifenden Kräften erzeugen die bewegten Massen Kräfte in den mechanischen Systemen. Feder-, Dämpfungselemente oder Reibungskräfte beein-flussen die Belastung und das Verhalten der Systeme. Ihre Auswirkungen müssen in die Analyse eingehen. Inventor Professional beherrscht seit Version 11 solche Analysen und die Simulation der Dynamik, einschließlich der Berechnung von Kräften, Massen-kräften, Lagerkräften, oder Drehmomenten. Dadurch kann ein Konstrukteur jetzt beispielsweise einen Pneumatikzylinder korrekt auslegen, die Torsions-beanspruchung einer Welle oder die Belastung eines Lagers unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Systems berechnen. Bahnkurven sind jetzt automatisch und komplett ermittelbar. Selbst das war früher nur mühsam durch schrittweise Ermitt-lung von Bahnpunkten möglich. Diese Software ist heute in den Paketen Autodesk Inventor Professional und Autodesk Inventor Professional for Simulation enthalten.

In wenigen Schritten zum Ergebnis Welche Aufgaben analysiert nun die dynamische Simulation? Hier weitere Beispiele von Problem-stellungen, die von der Software gelöst werden können: • Optimierung der Nockenscheibe für die Betätigung

eines Schließventils (Bild 2.1) • Ermittlung der Geschwindigkeit am Ausgang eines

Malteserkreuz-Getriebes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit am Getriebeeingang (Bild 2.2)

• Optimierung der Federung und Dämpfung einer Radaufhängung (Bild 2.3)

• Optimierung der Nockensteuerung eines Mehrfachgreifers für die Handhabung von Keramiknutzen (Bild 2.4)

Die vollständige Integration der Simulationssoftware in Inventor Professional bedeutet, dass der Anwender nur wenige Vorbereitungsmaßnahmen treffen muss, um eine dynamische Simulation durchzuführen. Dabei werden die Abhängigkeiten aus der Inventor-Bau-

gruppenumgebung direkt als Gelenkdefinitionen genutzt. Das verkürzt die Vorbereitung der dynamischen Simulation. Die Software unterstützt alle wich-tigen Formen von Gelenken, Getrieben, Kontaktbedingungen und Antriebsarten, beispiels-weise:

Bild 2.1: Simulation eines Ventilantriebs – Ausgabe der Antriebskraft in einem Diagramm

Bild 2.2: Malteserkreuz-Getriebe und Verlauf der Geschwindigkeit am Getriebeausgang


• zylindrisches Gelenk • Kugelgelenk • Translationsverbindung • abrollende Verbindung (Zahnrad) • spiralförmige Verbindungen oder Antriebe (Spindel,

Schraube) • Schneckengetriebe • Kurvenscheiben (mit Kontaktbedingung) • Federkraft • usw. Anschließend sind weitere Randbedingungen fest-zulegen wie Schwerkraft, Reibung, äußere Kräfte und Antriebe. Die Ergebnisse der Simulation (Wege, Geschwindig-keiten, Beschleunigungen, Kräfte und Momente) können in grafischer Form oder in einer Excel-Datei ausgegeben werden. Natürlich ist alternativ oder ergänzend die visuelle Überprüfung in einer realitäts-nah animierten 3D-Darstellung auf dem Bildschirm möglich. Die errechneten maximalen Kräfte dienen als Eingabe für die Belastungsanalyse einzelner Bauteile oder für die Auslegung von Antrieben und Stell-gliedern. Der Konstrukteur erhält eine Antwort auf seine Frage: Welche Kraft muss mein Hydraulik-zylinder aufbringen, um eine bestimmte Bewegung zu erzeugen? Die Festigkeitsrechnung kann direkt anschließend mit dem integrierten FEM-Modul in Inventor Professional oder – falls eine ganze Bau-gruppe untersucht werden soll – in einem externen FEM-System durchgeführt werden.

Kurvenscheiben erzeugen Inventor löst mit dieser Software eine häufige Auf-gabenstellung: Die Simulation ermöglicht es, eine Kurvenscheibe rückwärts zu ermitteln, d.h. für eine gewünschte Bahnkurve die erforderliche Geometrie der Kurvenscheibe zu bestimmen. Das Ergebnis gibt die Software in einer Excel-Datei für die weitere Bearbeitung aus. Inventor kann sie auch direkt für die weitere Konstruktion übernehmen. Beispiel: Simulation einer Pressenanlage Die dynamischen Kräfte, die am Pressenstempel (Bild 2.5) auftreten, sollen untersucht werden, um die Aus-legung und Festigkeit der belasteten Komponenten zu überprüfen. Dazu wechselt der Inventor-Konstrukteur in die Software-Umgebung für die dynamische Simu-lation (Bild 2.6 links). Den Ablauf der Vorbereitung und die verfügbaren Funktionen zeigt Bild 2.6 rechts. Eine neue Baugruppe enthält zunächst keine Gelenkzuordnungen zwischen den Bauteilen bzw. Unterbaugruppen. Der Ursprung der Baugruppe gilt als fest fixiert und wird im Modellbrowser (Bild 2.8) unter „Fixiert“ geführt, zusammen mit Komponenten oder Unterbaugruppen, die nicht beweglich sind. Daneben führt der Modellbrowser die beweglichen Komponenten auf. Unterbaugruppen, die in sich nicht beweglich sind, behandelt Inventor wie einzelne, starre Bauteile. Bauteile selbst sind immer starr, d.h. nicht elastisch verformbar.

Bild 2.5: Pressenstempel

Bild 2.4: Mehrfachgreifer mit Nockensteuerung (Bild: Baumann GmbH)


Der erste Schritt ist die Definition aller Gelenke, d. h. der beweglichen und starren („verschweißten“) Verbindungen. Das Bild 2.7 zeigt eine Übersicht aller möglichen Gelenktypen, welche die unterschiedlichen Bewegungsmöglichkeiten repräsentieren. Es gibt sechs Freiheitsgrade, die jeder Körper im Raum maximal besitzen kann: drei translatorische in x, y und z-Richtung und drei rotatorische um die Achsen x, y und z. Die Gelenk- oder Verbindungsarten sind dadurch charakterisiert, dass sie verschiedene Freiheitsgrade sperren. So bezeichnet Inventor eine Verbindung mit nur einem translatorischen Freiheitsgrad als „prismatisch“ (vgl. Beispiel Pressenstempel Bild 2.8). „Verschweißt“ ist eine starre Verbindung. „Zylindrisch“ wäre beispielsweise eine Verbindung mit einem translatorischen und einem rotatorischen Freiheitsgrad usw. In einem zweiten Schritt sind für das Beispiel Pres-senstempel die Kraft- und Dämpfungswerte der Pressenzylinder und der gefederten Stößel fest-zulegen, die das Bauteil beim Pressvorgang fixieren. Die Simulationssoftware erlaubt die Definition von Reibung, Dämpfung, Federkräften als Kennlinien abhängig von der Zeit. Die Werte werden direkt eingegeben oder aus vorhandenen Tabellen einge-lesen (Bild 2.9). Die Stößelkräfte ergeben sich aus den Federkräften der komprimierten Federn (Bild 2.10). Die Federkraft setzt ein, sobald die Stößel das festzuhaltende Bauteil berühren. Diese Bedingung legt der Konstrukteur durch das Einfügen einer „2D-Kontaktverbindung“ zwischen Stößel und Bauteil fest.

Bild 2.6: Start des Softwaremoduls Dynamische Simulation und Überblick über seine Funktionen

Bild 2.7: Übersicht über die verfügbaren Gelenkformen (Verbindungen zwischen den Elementen eines beweglichen Mechanismus)

Bild 2.8: Definition der Gelenke bzw. Verbindungen für die dynamische Simulation am Beispiel Pressenstempel


Die Simulationssoftware kann Diagramme aller Ein- und Ausgabeparameter sowohl während der Simu-lation dynamisch, als auch nach der Berechnung, zusammen mit Wertetabellen, ausgeben. Sie ist auch in der Lage, aus den errechneten Kraftverläufen automatisch die maximalen Kräfte anzuzeigen, die während eines Arbeitsganges auftreten (Bild 2.12). Diese Maximalwerte sind schließlich die relevanten Größen, die anschließend in einer FEM-Analyse dazu dienen, die Festigkeit des Pressenrahmens zu unter-suchen. Den Ablauf einer Animation der dynamischen Simulation definiert der Anwender in der Menüfläche Simulationsfeld (Bild 2.11). Der Wiedergabeknopf startet die filmähnliche Präsentation.

Bild 2.11: Animation der dynamischen Simulation

Bild 2.9: Definition der Kraft- und Dämpfungswerte der Pressenzylinder

Bild 2.10: Ermittlung der Federkräfte der Stößel


Mehr Nutzen ohne Mehrkosten Die Visualisierung der Bewegungen und Belastungen in Abhängigkeit von der Zeit liefert dem Konstrukteur ein besseres Verständnis des Verhaltens seiner Konstruktion und eine realitätsnahe Animation des digitalen Prototyps, die einem physischen Prototyp nahe kommt. Den Anwendern der Softwarepakete Autodesk Inventor Professional und Autodesk Inventor Simulation Suite steht damit eine leistungs-fähige Software für die Simulation bewegter mecha-nischer Systeme innerhalb des CAD-Pakets zur Verfügung, eine Funktionalität, die CAD-Anwender sonst in der Regel nur bei Drittanbietern erhalten. Nach wenigen vorbereitenden Arbeitsschritten kann ein Konstrukteur heute auf Knopfdruck die Dynamik seiner Baugruppen untersuchen, den teuren Bau von Prototypen sowie viele teuere und zeitaufwändige Versuchsreihen sparen. Wer sich mit der dynami-schen Simulation früh vertraut macht, kann sehr schnell Erfolge in Form verbesserter Produkte und reduzierten Entwicklungsaufwands ernten.

Bild 2.12: Ermittlung der maximalen Kräfte aus den ermittelten Kraftverläufen


3. FEM-Berechnung Früher ein Wunschtraum - heute Realität: FEM im CAD-System integriert Mit dem konsequenten Umstieg von der 2D- auf die 3D-Konstruktion haben viele Unternehmen die besten Voraussetzungen für die konstruktionsbegleitende Berechnung mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) geschaffen. Deshalb können Mittelständler und Konstruktionsbüros in allen Bereichen des Maschi-nenbaus an die nächsten Schritte denken, wenn es darum geht, die Qualität und Zuverlässigkeit ihrer Produkte zu verbessern. Moderne FEM-Software ist so einfach in der Anwendung, dass selbst kleine Ingenieurbüros problemlos damit zurecht kommen und sie mit Erfolg nutzen können. Der Konstrukteur kann eigenständig in Minuten am Arbeitsplatz Tendenzen und Problembereiche erkennen. FEM-Berechnungsverfahren, die in der Vergangenheit aus Kostengründen den Entwicklungszentren der Groß-unternehmen und Forschungszentren vorbehalten waren, sind heute in den Paketen Autodesk Inventor Professional und Autodesk Inventor Simulation Suite enthalten. Schneller und genauer Überschlagsrechnungen und Schätzungen gehören damit der Vergangenheit an. Noch vor einem Jahr-zehnt hätten sich viele Konstrukteure das nicht träumen lassen. Heute kann die Überprüfung von Spannungen und Verformungen als regelmäßige Routine bei allen kritischen Bauteilen stattfinden. Das bedeutet, der Konstrukteur kann seine CAD-Geome-trie auf Festigkeit überprüfen, die Geometrie in Inventor iterativ durch Änderung einiger Parameter anpassen und nachrechnen bis ein Optimum erreicht ist. Für die Berechnung sind keine externen Spezia-listen und langwierigen Kommunikationswege erforderlich. Einfache Handhabung Die Handhabung des Systems ist einfach und in kurzer Zeit erlernbar. Der Konstrukteur kann danach selbst in Minuten am Arbeitsplatz Berechnungen durchführen sowie Tendenzen und Problembereiche erkennen. Ein FEM-Netz braucht nicht gesondert aufgebaut zu werden. Das übernimmt Autodesk Inventor Professional automatisch (Bild 3.1). Das FEM-Modul von Inventor Professional unterstützt die Berechnung von Verformungen, Spannungen und die Modalanalyse zur Bestimmung der Eigenfrequenzen. Die Netzgenerierung und Analyse erfolgen unmittelbar am CAD-Modell. Die Materialauswahl, die Festlegung der Randbedingungen, Einspannungen, die Angabe der wirkenden Kräfte, Lasten, Druck oder Momente

führt der Anwender direkt in der Inventor-Benutzeroberfläche durch. So können Konstrukteure ihre Berechnungsprojekte in der gewohnten Softwareumgebung definieren. Der Rest ist ein Mausklick, um eine komplexe Rechnung anzustoßen. Das grafische Ergebnis ist unmittelbar verständlich. Inventor FEM berechnet auch dünnwandige Bauteile und Bleche. Deshalb kann der Konstrukteur die FEM-Belastungsanalyse von der Bauteil- oder Blechumgebung von Inventor aus aufrufen. Bei

Bild 3.1: FEM-Netz mit partieller Verdichtung

Finite-Elemente-Methode (FEM oder Finite Element Analysis FEA) Ursprünglich wurde die Methode für die Berechnung von

Verformungen und Spannungen bei festen Körpern entwickelt

und das ist auch heute der häufigste Anwendungsfall in der

mechanischen Konstruktion. Die besondere Bedeutung der

FEM liegt darin, dass sie die Berechnung beliebig komplexer

Körper erlaubt und sich nicht auf einfache Formen beschränkt

wie Balken(Trägern) mit verschiedenen Querschnitten, die

jeder Ingenieur, zumindest während der Ausbildung, von Hand

berechnet. Das FE-Verfahren bewährt sich inzwischen bei

vielen physikalischen Problemen wie der Berechnung von

Strömungen, in der Hydraulik, bei der Wärmeleitung,

Elektrizität, Magnetostatik usw.

Bei der FEM wird der zu berechnende Körper in diskrete Teile

zerlegt (Finite Elemente). Das räumliche Fachwerk ist ein

Sonderfall, der das Prinzip illustriert. Bei ihm ist die Aufteilung

in Elemente, nämlich die Fachwerkstäbe, durch die Aufgabe

selbst bereits gegeben. Für diese diskreten Elemente lassen

sich nun Berechnungsgleichungen aufstellen, die beim

Fachwerk noch manuell berechenbar wären, bei der Vielzahl

der Elemente in einem FEM-Netz aber zu riesigen Gleichungs-

systemen anwachsen, deren manuelle Lösung undenkbar ist.

Noch vor 20 Jahren wurden Großrechner für solche

Berechnungen eingesetzt, heute genügt die Leistung eines

modernen PCs.


Blechteilen kann der Anwender entscheiden, ob er sein Bauteil als Volumenkörpermodell oder optimiert als dünnwandiges Schalenmodell berechnen will (Bild 3.2) und die Netzgenerierung entsprechend steuern. Beispiel: Pressenrahmen Als Beispiel für die Anwendung von Inventor FEM soll die rechnerische Untersuchung des C-förmigen Rahmens einer Presse dienen. FEM ist ein Nähe-rungsverfahren, das zwar einfach zu benutzen ist, dessen Ergebnisse und deren Interpretation inge-nieurmäßiges Denken und Grundkenntnisse der Methode voraussetzen. Beispielsweise kann es sinnvoll und notwendig sein, Kerbwirkungen durch Netzverdichtung genauer zu untersuchen. Der Inventor-Anwender kann über einen Schieberegler die Netzdichte erhöhen und zusätzlich eine Konvergenz-Option wählen. Die Konvergenz-Option bewirkt die partielle Netzverdichtung an kritischen Stellen. Natürlich erhöhen sich der Rechenaufwand und die Laufzeit der Analyse mit zunehmender Netzdichte. Das FEM-Modul von Inventor berechnet Bauteile. Baugruppen sind über die Funktion „abgeleitete Bauteile“ in Bauteile zu integrieren. Damit liefert Inventor als wichtigste Eingabe-Information direkt die Geometrie des zu berechnenden Modells, die sonst sehr aufwändig erst beschrieben werden müsste. Eine Datenkonvertierung ist nicht erforderlich. Für die Berechnung ist noch die Zuweisung eines Materials erforderlich. Die Materialbibliothek für die FEM-Analyse ist identisch mit der Materialbibliothek in der Inventor-Bauteilmodellierung, d.h. der dort gewählte Werkstoff ist für die FEM-Berechnung voreingestellt. Danach geht der Konstrukteur daran, die Kräfte anzubringen, die auf das Bauteil wirken und die Lagerungsbedingungen zu definieren. Die Kräfte sind entweder schon bekannt, oder ergaben sich aus der vorangegangene dynamische Simulation und dienen jetzt als Eingabegrößen für die Berechnung. Die Inventor- Schaltfläche "Belastungsanalyse" (Bild 3.3) gibt einen Überblick über die Funktionen der Inventor FEM-Software, den Ablauf der vorbereiten-den Schritte und der Auswertung der Ergebnisse.

Bild 3.3: Inventor Schaltfläche Belastungsanalyse

Bild 3.2: FEM-Netz optimiert für dünnwandige Modelle


Der C-Rahmen unserer Presse soll mit seiner Bodenfläche fest fixiert sein (Bild 3.4). Auf die Auflageflächen des Pressentisches wirken vertikale Kräfte (Bild 3.5). Die Gegenkräfte wirken im Schulterbereich des Rahmens, dort wo die Hydraulikzylinder befestigt sind (Bild 3.6). Kleine, graue Pfeilsymbole zeigen die Richtungen und Angriffspunkte der Kräfte bildlich an. Die Last-annahmen und Lagerbedingungen legt die Software als Bestandteil des digitalen Modells ab. Sie sind im Modellbrowser wieder aufrufbar und können für einen neuen Rechenlauf bei Bedarf modifiziert werden. Die Berechnung startet der Bediener mit einem Klick auf die Schaltfläche "Belastungsanalyse Aktuali-sierung" (Bild 3.7). Eine Fortschrittsanzeige gibt Aufschluss über die Laufzeit der Berechnung. Die Ergebnisse der Berechnung findet der Anwen-der anschließend im Modellbrowser abgelegt. Durch einen Doppelklick auf die Ergebnissymbole (Ver-gleichsspannung, Verformung, Sicherheit) holt er sich die grafischen Darstellungen auf seinen Bildschirm (Bilder 3.8, 3.9).

Bild 3.4: Feste Einspannung der Bodenfläche (blau dargestellt)

Bild 3.6: Gegenkräfte

Bild 3.5: Kräfte auf Auflageflächen (blau)

Bild 3.7: Start der Berechnung und Fortschrittsanzeige


Im konkreten Beispiel ergeben sich keine problema-tischen Werte. Beim gewählten Material wäre ein Spannung von ca. 600 N/mm2 zulässig, d.h. selbst bei höheren Sicherheitsfaktoren ist das Ergebnis mit 25 N/mm2 unkritisch. Es kann aber trotzdem optimiert werden. Bauteiloptimierung Der Konstrukteur erkennt, dass die offene Form der Schultern des C-Rahmens eine starke Verformung zulässt (Bild 3.8, links, selbst wenn die Verbindungs-elemente in der Baugruppe eine solche Verformung reduzieren). Er vermutet, dass sich die Verformung durch eine geschlossene Form (Bild 3.10, rechts) deutlich reduzieren lässt. Ändert der Konstrukteur nun seine Geometrie oder Lastannahmen, stimmen die Rechenergebnisse nicht mehr überein. Inventor weist im Modellbrowser durch ein Blitzsymbol darauf hin und verlangt auf diese Weise eine Aktualisierung der Belastungsanalyse. So sorgt Inventor dafür, dass Modell- und Berechnungs-daten konsistent bleiben. Die Änderungen führt der Konstrukteur direkt am Modell durch. Die Randbedingungen und vorher definierten Lasten bleiben erhalten und müssen nicht erneut eingegeben werden. Anschließend ist nur ein Klick für die Aktualisierung der Berechnung erforder-lich, um die neuen Ergebnisse zu erhalten. Die Ergebnisgrafik (Bild 3.11) zeigt, wie eine einfache Modifikation die Festigkeit des Bauteils erhöht. Die geschlossene Form führt zu einer um 20% niedrigeren maximalen Vergleichsspannung (20 N/mm2 statt 25 N/mm2).

Eigenfrequenzen Durch die Analyse der Eigenfrequenzen ermittelt die Software kritische Frequenzen oder Drehzahlen, die zu Resonanz-schwingungen führen können. Die Schwin-gungsform eines Resonanzfalles ist darstellbar und hilft dabei, Abhilfe zu schaffen und die Resonanz zu vermeiden.

Bild 3.8: Vergleichsspannung

Bild 3.9: Verformung

Bild 3.10: Bauteiloptimierung: links offene Form – rechts geschlossene Form der Schulter des C-Rahmens

Bild 3.11: Bauteiloptimierung, Bild rechts mit Vernetzung


HTML-Berichte Inventor FEM erzeugt auf Knopfdruck Berichte der Festigkeitsuntersuchung im HTML-Format und speichert sie mit dem Modell ab (Bilder 3.12, 3.13). Sie sind anschließend im Modellbrowser aufgeführt und jederzeit für eine Überprüfung zugänglich. Falls ein Bericht in Microsoft Word bearbeitet werden soll, kann er auch mit allen Bildern in eine Word-Datei übernommen werden.

Animationen Neben der statischen Darstellung der Verformungen erlaubt Inventor FEM eine sehr anschauliche Animation. Die Geschwindigkeit der Animation ist einstellbar.

Bild 3.13: HTML-Bericht der FEM-Analyse (Auszüge)

Bild 3.12: HTML-Bericht der FEM-Analyse (Auszüge)


Belastungsarten und Lagerarten Das Beispiel C-Rahmen zeigt nur einen Teil der Möglichkeiten von Inventor FEM auf. Weitere Belastungsarten wie • Gleichmäßiger Druck auf einer Fläche, • Kraft verteilt auf einer Fläche, • Kraft auf einem Eckpunkt, • Lagerbelastung, • Drehmoment, • Massenkräfte in beschleunigten Systemen, • Fliehkräfte, • Eigengewicht kann der Konstrukteur aufbringen. Neben der Einspannung einer Fläche wie im Beispiel C-Rahmen lässt Inventor weitere Lagerarten zu wie: • die Einspannung einer Kante, • die Einspannung eines Eckpunkts, • die „Pin“-Abhängigkeit, damit ist eine axiale

Lagerung zu verstehen, bei der bestimmte Frei-heitsgrade wahlweise eingeschränkt werden: Radiale Bewegung, axiale Bewegung und / oder tangentiale Bewegung

• „reibungslose Abhängigkeit“: Damit ist die Beweg-lichkeit in tangentialer Richtung gemeint, während die Normalrichtung gesperrt ist. Beispiele: Beweg-lichkeit in einer Fläche und Drehung um Normale, bei Zylinderfläche: axiale Beweglichkeit und Drehung um die Achse.

Bessere Konstruktionen – weniger Kosten Mit Hilfe der Simulations- und Berechnungsfunktionen von Inventor Professional kann die Optimierung einer Konstruktion in einer frühen Phase des Projekts beginnen. Schwachstellen werden zeitig ausgemerzt und konstruktive Varianten schnell verglichen, um bessere Alternativen zu finden. Das kann beispiels-weise dabei helfen, die Steifigkeit einer Bearbeitungs-station zu überprüfen. Das führt zu optimierten Entwürfen, mehr Sicherheit, reduziert die Anzahl teurer Prototypen und verkürzt die Entwicklungszeit insgesamt. Die Produktkosten werden zu einem großen Teil vom Material und Gewicht bestimmt. Überdimensionierte Bauteile erhöhen nicht nur die Materialkosten, sondern in der Folge beispielsweise die Antriebs-, Lager-, Montage und Transportkosten. Mit Inventor Professional kann der Konstrukteur selbst seinen Entwurf prüfen. Er bekommt unmittelbares Feedback,

reduziert überflüssiges Gewicht, lernt dabei für die Gestaltung künftiger Objekte und spart obendrein Zeit und Kosten. Die einheitliche Software-Umgebung erleichtert die Bedienung und verringert den Schulungsaufwand. Mit den Paketen Inventor Professional oder Inventor Professional for Simulation erhält der Konstrukteur nicht nur eines der leistungsfähigsten CAD-Systeme auf dem Markt, sondern auch Softwaremodule für eine leistungsfähige dynamische Simulation und Festigkeitsuntersuchungen - nahtlos integriert in sein CAD-System. Ausblick Im August 2007 übernahm Autodesk den Entwickler von FEM-Analyse-Software PlassoTech. Das bedeutet, dass der Bereich Berechnungen innerhalb der Inventor-Produktfamilie bald signifikante Erweite-rungen erfahren wird. Die PlassoTech-Software bietet weit mehr Möglichkeiten der Berechnung von Bau-teilen und Baugruppen als heute in Inventor vorhan-den sind. Eine weitere Transaktion schloss Autodesk im Juni 2008 ab. Sie bedeutet, dass Moldflow, der bekannte Entwickler von Software-Lösungen für Aufgaben im Bereich Spritzguss-Technik ein Teil von Autodesk wird. Die Moldflow-Software ist in der Lage, den Prozess des Spritzgießens von Kunststoffteilen zu berechnen, zu visualisieren und zu optimieren. Mit dieser Ergänzung seines Portfolios wird Autodesk zu einem wichtigen Lieferanten der Hersteller von Kunststoffprodukten. Beide Akquisitionen gelten als wichtige Bausteine der Digital Prototyping-Strategie von Autodesk. Neue, nahtlos in Inventor integrierte Produkte sind schon im nächsten Jahr zu erwarten. Herausgeber: Autodesk Deutschland GmbH Aidenbachstr. 56 81379 München Tel. 0180-5225353∗ www.autodesk.de [email protected]

∗ 14 Cent pro Minute aus dem Netz der Deutschen Telekom, Abweichungen für Anrufe aus dem Mobilfunknetz möglich. Bei internationalen Gesprächen fallen die üblichen Auslandsgebühren an.

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