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Fachhochschule Dortmund University of Applied Sciences and Arts Forschungsschwerpunkt Computersimulation im Maschinenbau Prof. M. Geller ACUM 2013 Die simulationsgetriebene Produktentwicklung als geschlossener Ausbildungszyklus im Masterstudium an der FH Dortmund
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Forschungsschwerpunkt Computersimulation im Maschinenbau Prof. M. Geller ACUM 2013
Die simulationsgetriebene Produktentwicklung als geschlossener Ausbildungszyklus im Masterstudium an der FH Dortmund
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Offiziell ernannter Partner der
Vorgestellt vom akkreditierten Forschungsschwerpunkt
„Computersimulation im Maschinenbau“
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Unsere studentischen Arbeiten
• Formel 1
Strömungssimulation der Karosserie
• State of the art FSI
Simulation eines Lagerschadens
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Unsere studentischen Arbeiten
• Biomedizin
Simulation einer künstlichen Herzklappe
• Turbomaschinenbau
Geometrieoptimierung mit stochastischen
Methoden
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• Robotik
Künstliche Hand sensorisch
gesteuert
• Gasturbine
Mit einem Meta Modell zur
optimalen Beschaufelung
Unsere studentischen Arbeiten
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• Bionik
Die Fluke eines Fisches als
Schiffsantrieb
• Moving Mesh
Den Vogelflug entschlüsselt
Unsere studentischen Arbeiten
Photo by DAVID ILIFF. License: CC-BY-SA 3.0
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Unser Profil
Turbomaschinen, Strömungsmechanik
Computersimulation mit FEM, CFD, HPC
„Multiphysic“
Stochastische Optimierung
Bionik
Biomedizin
Das erklärt die Motivation für den Master:
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Die Motivation
Eigene Kompetenzen sollen in der Lehre umgesetzt
werden
Die Leitidee des Multiphysics soll sich widerspiegeln
Die simulationsgetriebene Produktentwicklung ist
essentiell
Das Konzept der Workbench von ANSYS ist die ideale
Plattform
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Die industrielle Entwicklung wird in dem Curriculum der
Vertiefungsmodule abgebildet
Das Konzept
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Die Grobstruktur
Beruf
3. Semester: Thesis
2. Semester: - Spezialveranstaltungen zur
Computersimulation
1. Semester: - Ingenieurwissenschaftliche Grundlagen
zur Vorbereitung auf die Vertiefung
- erste Vertiefungsmodule
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• Sämtliche Vorlesungen sind bis auf das Detail aufeinander abgestimmt
• Veranstaltungsübergreifende Simulationsprojekte begleiten das Studium: Masterprojekt
• Jedes Jahr ein neues Thema für das Masterprojekt!
• Eine einheitliche Softwareumgebung
• Die Ingenieurdisziplinen werden übergreifend vermittelt: „Multiphysics“
• Wir hören nicht mitten drin auf:
Mit Methoden der Bruchmechanik wird eine Lebensdaueranalyse erstellt (keine VIBUBI)
• Das Design Exploration der Workbench sowie die stochastische Bauteiloptimierung sind
integriert
Die Merkmale des Curriculums
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Ein gewisses architektonisches Ambiente …..
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….. wird unterstützt durch die modernste Ausstattung …..
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….. die auch für aufwändigere Simulationen länger genutzt werden kann!
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Höhere Mathematik
Höhere technische Mechanik und Maschinendynamik
Thermo- und Fluiddynamik
Dynamische Systeme (Messen, Steuern, Regeln)
Numerische Methoden
Advanced CAD
Advanced Meshing
Strukturmechanik (FEM)
Strömungssimulation (CFD)
Bruchmechanik und Strukturanalyse
Neu: Stochastische Design Optimierung
Thesis
Kolloquium
Grundlagen
Vertiefung
Abschluss
Masterprojekt
Die Module im Detail
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Nachfolgend exemplarisch ausgewählte
Schwerpunkte
1. Advanced CAD
2. Meshing
3. Einige Masterprojekte
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Was soll gelernt werden im Advanced CAD?
Nicht: Klickanleitung für den Design Modeler!
Sondern: Die Numerik einer CAD-Software
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Die Klausurvorbereitung
Generierung einer Skulptur in Excel und Datentransfer in
den Design Modeler
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Ein Beispiel für eine studentische
Vorbereitung
Gezeigt auf den nächsten Folien
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CAD mit Microsoft-Excel Workflow zur Erstellung einer dreidimensionalen Figur
CAD mit Microsoft-Excel Workflow zur Erstellung einer
dreidimensionalen Figur
Advanced-CAD im SS11
Karl Ziaja, 7069375
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CAD mit Microsoft-Excel Workflow zur Erstellung einer dreidimensionalen Figur
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Definition der Querschnitte
mit Beziér-Splines
Definition des Laufpfades
mit C1- und C2-stetigen
Bezíér-Splines
Definition eines
mitlaufenden lokalen
Koordinatensystems auf
dem Laufpfad (Dreibein)
durch numerische
Differentiation
Transformation der Querschnitte
auf die lokalen
Koordinatensysteme mit Hilfe von
Transformationsmatrizen
Räumliche Darstellung der Figur durch
affine Transformation und der
Möglichkeit einer direkten
Manipulation mittels einer grafischen
Benutzeroberfläche
Bereitstellung der Exportdaten für
folgende CAD-Programme:
-DesignModeler
- Pro/ENIGINEER
1. Querschnitt 2. Pfad 3. Dreibein 4. Hochzeit 5. GUI 6. Export
Querschnitt
Globales Koordinatensystem
Lokales Koordinatensystem
Laufpfad
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Die Querschnitte bestehen aus zwei an ihren Enden zusammengesetzten Beziér-Splines
Ihre Form ist über die Kontrollpunkte beliebig veränderbar
Die Querschnitte liegen auf der x-y-Ebene des globalen Koordinatensystems
Kontrollpunkte
der roten Spline
Kontrollpunkte der
blauen Spline
(verblasste
Schriftfarbe
bedeutet, dass die
Zellen mit Formeln
hinterlegt sind)
Koordinaten der
Splines
Kontrollpunkt
kann im
Diagramm
verschoben
werden
Binomialkoeffizie
nten
1. Querschnitt 2. Pfad 3. Dreibein 4. Hochzeit 5. GUI 6. Export
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Der Pfad besteht aus mindestens einem dreidimensionalen Beziér-Spline welcher in der x-y-Ebene und der y-z-Ebene über die Kontrollpunkte manipuliert werden kann
Mit Hilfe der lokalen Koordinatensysteme (siehe Dreibein) werden die Querschnitte auf den Pfad aufgefädelt (siehe Hochzeit)
Kontrollpunkte
der Spline in der
x-y-Ebene
Kontrollpunkte der
Spline in der y-z-Ebene
(verblasste Schriftfarbe
bedeutet, dass die
Zellen mit Formeln
hinterlegt sind) Koordinaten der
Spline (y,z)
Kontrollpunkt kann
im Diagramm
verschoben werden
Binomialkoeffizie
nten
Koordinaten der
Spline (x,y)
1. Querschnitt 2. Pfad 3. Dreibein 4. Hochzeit 5. GUI 6. Export
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Berechung des lokalen Koordinatensystems (Dreibein) bzw. der drei Achsen u (Tangente), v (Normale), w (Binormale)
Berechnung der Drehmatrix zwischen dem lokalen und globalem Koordinatensystems, sowie des Verschiebungsvektors
Bestimmung des Dreibeins bzw. des lokalen Koordinatensystems:
1. Berechung des Ursprungs (Origin) vom Dreibein
2. Berechnung der Tangente
3. Berechung der Binormalen
4. Berechung der Normalen
5. Definition des lokalen Koordinatensystems und Berechung der Drehmatrix / Winkelmatrix
6. Zusammenfassung der Daten des lokalen Koordinatensystems
1
.
2
.
3
.
4
.
5
.
6
.
2
)()(
)()()(
tbtb
tbtbtB
)!(!
!
)1()(
)()(
,
,
ini
n
i
n
tti
ntB
tBPtb
ini
ni
ni
n
oi
i
2
)(
)()(
tb
tbtT
)()()( tTtBtN
LängegleichediehabenAchsen
derenbzwnormiertdundUrsprung
selbendenhabenGundKetztvorrausges
EG
GK
tN
tB
tT
tb
K.sin
:,,
)(
)(
)(
)(
1
1
20
0
)()(2)(lim)(
2
)()(lim)(
h
htbtbhtbtb
h
htbhtbtb
h
h
1. Querschnitt 2. Pfad 3. Dreibein 4. Hochzeit 5. GUI 6. Export
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Die Koordinaten der Querschnittsflächen (Querschnittsvektor) werden zunächst mit Hilfe der Dreh- / Winkelmatrix gedreht
Die Rotationsmatrizen Ru, Rv und Rw erlauben eine Rotation um die Achsen des lokalen Koordinatensystems
Die Skalierungsmatrix S erlaubt eine Größenskalierung der Querschnitte
Zuletzt wird der Querschnitt mit dem Verschiebungsvektor T auf das lokale Koordinatensystem verschoben
QR
*Q
*Q
wR
wR
S
S
R
R
Q
Q
R
T
T
uR
uR
vR
vR
cossin0
sincos0
001
uR
cos0sin
010
sin0cos
vR
100
0cossin
0sincos
wR
z
y
x
S
S
S
S
00
00
00
1. Querschnitt 2. Pfad 3. Dreibein 4. Hochzeit 5. GUI 6. Export
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Manipulation der
Querschnitte:
- Translation
- Rotation um u-Achse
- Rotation um v-Achse
- Rotation um w-Achse
Manipulation des
Pfads:
Auswahl der
Kontrollpunkte und
Verschiebung in
globale
Raumrichtungen (X, Y,
Z)
Drehen der Figur
Ansicht der Figur aus
verschiedenen
Raumrichtungen
Erstellen einer DesignModeler-
Import-Datei auf Knopfdruck
Koordinatensystem zur
besseren Orientierung
Ein-/Ausblenden von der lokalen
Koordinatensysteme, den
Querschnitten, etc.
1. Querschnitt 2. Pfad 3. Dreibein 4. Hochzeit 5. GUI 6. Export
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Die Exportdaten bestehen aus den kartesischen Koordinaten der Querschnitte
Das Excel-Sheet beinhaltet zwei Register (Export_DM, Export_Proe) mit den Exportdaten
in der entsprechenden Syntax der CAD-Software (Copy&Paste)
Über das GUI ist auch das Erstellen einer DesginModeler-Import-Datei auf Knopfdruck
möglich
1. Querschnitt 2. Pfad 3. Dreibein 4. Hochzeit 5. GUI 6. Export
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ACUM 2013 Forschungsschwerpunkt Computersimulation im Maschinenbau Prof. M. Geller
Die simulationsgetriebene Produktentwicklung als geschlossener Ausbildungszyklus im Masterstudium an der FH Dortmund
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Die Klausur „Advanced CAD“
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29
Zum Advanced Meshing
zuerst: Die Theorie:
Lösung der Wärmeleitungsgleichung mit dem
Differenzenverfahren und der FEM-Methode in Excel
dann: Die Praxis:
Vernetzung unseres Kompressors
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Die simulationsgetriebene Produktentwicklung als geschlossener Ausbildungszyklus im Masterstudium an der FH Dortmund
30
Die Theorie: Lösung der
Wärmeleitungsgleichung
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37
Die Praxis: Unser Kompressor
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Einige Netze des Kompressors
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Die Masterprojekte
1. Lebensdaueranalyse eines Mountain Bikes
2. Windanlage mit vertikaler Achse
3. Vorderachse eines PKW
4. Segeljacht Americans Cup und Mastbruch
5. Schiffspropeller
6. In Vorbereitung: Kolbenmotor
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1. Lebensdaueranalyse eines Mountain Bikes
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1. Lebensdaueranalyse eines Mountain Bikes
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2. Windanlage mit vertikaler Achse
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2. Windanlage mit vertikaler Achse
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2. Windanlage mit vertikaler Achse
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3. Vorderachse eines PKW
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3. Vorderachse eines PKW
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4. FSI-Simulation einer Segeljacht
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4. FSI-Simulation einer Segeljacht
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4. FSI-Simulation einer Segeljacht
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4. FSI-Simulation einer Segeljacht
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4. FSI-Simulation einer Segeljacht
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5. Vorschläge der Studierenden im laufenden Kurs
Foto: Thomas Ihle unter
CC-BY-SA-3.0 Lizenz
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6. Laufende Vorarbeiten für den kommenden Kurs
