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Finite-Elemente-Methoden mit CATIA V5 / SIMULIA - Berechnung von Bauteilen und Baugruppen in der Konstruktion
Inhalt
8
1 Einleitung
12
1.1 Arbeitsumgebungen
12
1.2 Aufbau des Buches
13
1.3 Internet-Link
14
2 Theoretische Grundlagen
16
2.1 Finite Elemente des elastischen Kontinuums -Verschiebungsansatz
16
2.2 Beispiel einer FEM-Berechnung
19
3 Arbeitsumgebung GPS
22
3.1 Vorbereitung einer GPS-Analyse
24
3.2 Die Materialbibliothek
25
3.2.1 Anlegen einer neuen Materialfamilie
26
3.2.2 Anlegen eines neuen Materials
26
3.2.3 Sonstige Icons in der Material Library
26
3.2.4 Übungsbeispiel Material Library
26
3.2.5 Pfadeingabe für den neuen Materialkatalog
29
3.2.6 Materialzuordnung
31
3.3 Vorgangsweise bei der Berechnung
32
3.3.1 Definition der gewünschten FEM-Analyse
33
3.4 Einstiegsbeispiel für GPS
34
3.4.1 Aufgabenbeschreibung
34
3.4.2 Öffnen des Startmodells
35
3.4.3 Auswahl des Analyseprozesses
35
3.4.4 Randbedingungen zur Bauteillagerung
35
3.5 Standardeinstellungen für GPS
43
3.5.1 Spannungen in der Einheit MPa
43
3.5.2 Generelle Standardeinstellungen von GPS
44
3.5.3 Festlegen der Speichereinstellungen
47
3.6 Der CATIA ELFINI Solver
48
3.7 Möglichkeiten der Vernetzung
49
3.7.1 Beam-Elemente (1D-Elemente)
49
3.7.2 Schalenelemente (2D-Elemente)
49
3.7.3 Tetraederelemente (3D-Elemente)
50
3.8 Der Abaqus Solver
50
4 Definition der Randbedingungen
52
4.1 Bedingungen direkt auf Bauteilgeometrie
53
4.1.1 Feste Einspannung
54
4.1.2 Flächenloslager
55
4.1.3 Erweiterte Bedingung (Allgemeine Definition)
57
4.1.4 Isostatische Randbedingung
60
4.2 Virtuelle Elemente
60
4.2.1 Starres virtuelles Teil
61
4.2.2 Bewegliches virtuelles Teil
62
4.2.3 Virtuelles Kontaktteil
63
4.2.4 Beispiel zur Anwendung virtueller Teile
64
4.2.5 Virtuelles Teil mit starrer Feder
73
4.2.6 Virtuelles Teil mit beweglicher Feder
74
4.3 Randbedingungen über virtuelle Teile
75
4.3.1 Loslager
76
4.3.2 Gleitdrehpunkt
76
4.3.3 Kugelgelenkverbindung
77
4.3.4 Drehpunkt
78
4.4 Zusammenfassende Übersicht
78
4.5 Berücksichtigung von Bauteilsymmetrien
79
4.5.1 Symmetrierandbedingung
79
4.5.2 Periodizitätsbedingung
80
5 Definition der Lasteinleitung
84
5.1 Druck
85
5.2 Verteilte Last
86
5.3 Moment
89
5.4 Lagerlast
92
5.5 Importierte Kraft
93
5.6 Importiertes Moment
95
5.7 Streckenlast
95
5.8 Flächenlast
96
5.9 Körperkraft
98
5.10 Dichte der Kraft
99
5.11 Beschleunigung
100
5.12 Rotation
101
5.13 Erzwungene Verschiebung
103
5.14 Temperaturfeld
105
5.15 Zusammenfassende Übersicht
110
6 Durchführung der Berechnungen
112
6.1 Erster Rechenschritt
112
6.2 Netzverfeinerung und weitere Berechnung
114
6.3 Überprüfung der Genauigkeit
116
6.4 Strategien bei der FEM-Analyse
119
6.4.1 Qualitative Prüfung der Ergebnisse
120
6.4.2 Variantenvergleich bei verfeinertem Netz
120
6.4.3 Lokale Spannungsuntersuchungen
120
6.5 Berechnungsmethoden im ELFINI-Solver
120
6.5.1 Der Gauß-Algorithmus
121
6.5.2 Das Gradientenverfahren
121
6.6 Verfügbare FEM-Analysen
122
6.6.1 Statischer Prozess
122
6.6.2 Durch die Statik erzwungene Frequenzen
123
6.6.3 Frequenzprozess
124
6.6.4 Beulprozess
134
6.6.5 Kombinierter Prozess
139
6.6.6 Dynamische Schwingungsprozesse
141
7 Auswertung der Ergebnisse
146
7.1 Darstellung des Netzes
146
7.2 Von-Mises-Vergleichsspannungen
147
7.3 Darstellung der Verformungen
151
7.4 Darstellung der Hauptspannungen
153
7.4.1 Die Normalspannungshypothese
155
7.4.2 Die Schubspannungshypothese
155
7.4.3 Die Gestaltänderungsenergiehypothese
155
7.5 Darstellung der Genauigkeit
161
7.6 Analysetools
162
7.6.1 Animieren
162
7.6.2 Schnittebenenanalyse
163
7.6.3 Maßstabsfaktor der Verformung
163
7.6.4 Extremwert bei Bild
164
7.6.5 Informationen
164
7.6.6 Bildlayout
165
7.7 Symbolleiste Analyseergebnisse
166
7.7.1 Bericht der Basisanalyse
167
7.7.2 Verbesserter Bericht
167
7.7.3 Protokoll der Berechnungen
169
7.7.4 Listenbericht
169
7.8 Sensoren
170
7.8.1 Reaktionssensor
170
7.8.2 Globaler Sensor
171
7.8.3 Lokaler Sensor
172
7.8.4 Werte für Sensoren anzeigen
174
8 Verfügbare Finite Elemente
176
8.1 1D-Elemente (Balkenelemente)
176
8.1.1 Vorgangsweise bei der Vernetzung
176
8.1.2 Zuordnung von Eigenschaften
177
8.1.3 Berechnung mit Balkenelementen
181
8.2 2D-Elemente (Schalenelemente)
182
8.2.1 Vorgangsweise bei der Vernetzung
183
8.2.2 Zuordnung der Eigenschaften
185
8.2.3 Berechnung mit Schalenelementen
185
8.2.4 Definition veränderlicher Wandstärken
186
8.3 Viereckige Schalenelemente (2D-Elemente)
187
8.3.1 Vernetzung mit viereckigen Schalenelementen
188
8.3.2 Qualität des Netzes überprüfen
193
8.3.3 Netz editieren
195
8.3.4 Berechnung mit Schalenelementen
197
8.4 3D-Elemente (Tetraederelemente)
199
8.4.1 Lineare Tetraederelemente (TE4)
199
8.4.2 Das parabolische Tetraederelement (TE10)
200
8.4.3 Unterschiede von TE4- und TE10-Elementen
200
8.5 Hexaederelemente (3D-Elemente)
201
8.6 Neuerungen in CATIA V5R14
204
8.6.1 Tetraeder Filler
204
8.6.2 Erweiterte Möglichkeiten bei der Hexaedervernetzung
210
9 Übungsbeispiele GPS
222
9.1 Stahlplatte mit Bolzenverbindung
222
9.2 Kipphebel
228
9.3 Sicherungsring
233
9.4 Optimierung eines Zylindergehäuses
239
9.4.1 Konstruktionsvariante 1
239
9.4.2 Konstruktionsvariante 2
245
9.4.3 Konstruktionsvariante 3
247
9.4.4 Konstruktionsvariante 4
249
9.5 Vernetzung eines Zylinderkopfs mit dem Tetraeder-Filler
251
9.6 Zahnradberechnung mit Hexaederelementen
260
10 Baugruppenberechnung (GAS)
266
10.1 Bedingungen in der Baugruppe
266
10.1.1 Bedingungen im Assembly Design
266
10.1.2 Analysis-Connection-Bedingung (Analyse allgemeiner Verbindung)
267
10.2 Verbindungen zwischen zwei Teilen
272
10.2.1 Eigenschaft der fixierten Verbindung
272
10.2.2 Eigenschaft der Gleitverbindung
274
10.2.3 Eigenschaft der Kontaktverbindung
275
10.2.4 Eigenschaft der fixierten Federverbindung
276
10.2.5 Eigenschaft der Presspassverbindung
276
10.2.6 Eigenschaft der Schraubenverbindung
277
10.3 Ferne Verbindungen
278
10.3.1 Starre Verbindung
278
10.3.2 Bewegliche Verbindung
279
10.3.3 Verbindung mit virtuellem Festdrehen von Bolzen
281
10.3.4 Verbindung mit virtuellem Festdrehen von Federbolzen
282
10.3.5 Benutzerdefinierte Verbindung
284
10.4 Schweißverbindungen
286
10.4.1 Definition eines benutzerdefinierten Materials
287
10.4.2 Die Punktschweißverbindung
288
10.4.3 Nahtschweißverbindung
291
10.5 Übersicht der Baugruppenverbindungen
293
11 Übungsbeispiele zu Baugruppen
296
11.1 Abtriebswelle mit Riemenscheibe
296
11.2 Punktschweißverbindung
309
11.3 Schweißnahtverbindung
317
11.4 Kurbeltrieb eines Verbrennungsmotors
323
11.5 Baugruppe mit unterschiedlichen finiten Elementen
338
12 FEM-Berechnungen mit SIMULIA
344
12.1 Fluent for CATIA
344
12.1.1 Startbeispiel Rohrleitung mit Durchmessersprung
345
12.1.2 Strömungssimulation eines Sportflugzeugs
352
12.2 ANL Abaqus nichtlineare Simulationen
354
12.2.1 Nichtlineare Simulation von hyperelastischen Materialien
357
12.2.2 Reibungsbehaftete Vorgänge
366
12.3 ATH Abaqus Thermische Analysen
370
12.3.1 Berechnung der Wärmebelastung einer Bremsscheibe
371
12.3.2 Koppelung ANL und ATH
376
13 Hinweise für die Anwender
380
13.1 Modellprüfprogramm
380
13.2 Elemente gruppieren
381
13.3 Speichern und Versenden von Ergebnisdaten
383
13.4 Optimierung von Bauteilen (Knowledgeware)
385
13.5 Schnittstellen zu anderen Produkten
390
13.6 Allgemeine Hinweise
390
14 Literaturverzeichnis
392
15 Index
394
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