Strukturanalyse (FEM), Kinematik/Kinetik, Strömungssimulation (CFD)

Volker Krämer

Auf DVD: alle Modelle

aus dem Buch

Auch für

Version 2009geeignet

Praxishandbuch

Simulationen in SolidWorks 2010

Dr. rer. nat.Volker Krämer ist Inhaber und Geschäftsführer der Icon Informationssysteme GmbH in Saarbrücken, die Beratung, Trainings und Projekte rund um SolidWorks mit den Schwerpunkten Simulation und Produktdatenmanagement durchführt. Der Autor hat bei zahlreichen Veranstaltungen zu diesem Themenkomplex vor einem interessierten Fachpublikum Vorträge gehalten. Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Weise aus der Benutzung dieser Informationen – oder Teilen davon – entsteht, auch nicht für die Verletzung von Patentrechten, die daraus resultieren können.

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© 2010 Carl Hanser Verlag München Gesamtlektorat: Sieglinde Schärl Sprachlektorat: Sandra Gottmann, Münster-Nienberge Herstellung: Stefanie König Umschlagkonzept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Umschlagrealisation: Stephan Rönigk Datenbelichtung: aprinta druck GmbH & Co. KG, Wemding Printed in Germany

ISBN 978-3-446-42165-3 www.hanser.de

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Inhalt

Vorwort ..................................................................... 7

Nomenklatur ............................................................. 9

1 Aufgaben und Ziele einer konstruktionsbegleitenden Analyse .... 11

2 Die SolidWorks-Simulationstools in der Übersicht ........................................... 13

3 SolidWorks Simulation – Strukturanalyse mit FEM....................... 17

3.1 Grundlagen der Finite-Elemente-Methode............................................ 17

3.1.1 Gegenüberstellung analytische und numerische Lösungsmethode................17

3.1.1.1 Voraussetzungen..........................18 3.1.1.2 Analytische Lösung................................18

3.1.1.3 Das Prinzip der FEM ..............................20

3.1.1.4 Ein Wort zu den finiten Elementtypen .......................................................28

3.1.2 Erstes Beispiel mit SolidWorks Simulation...............................................30

3.2 Die Benutzeroberfläche von SolidWorks Simulation..........................40

3.2.1 Simulation-Optionen .............................41 3.2.1.1 Systemoptionen ......................................41

3.2.2 Standardoptionen...................................44 3.2.2.1 Einheiten..................................................44

3.2.2.2 Ergebnisse................................................44

3.2.2.3 Darstellung ..............................................48

3.3 Die drei Schritte einer numerischen Analyse ....................................................50

3.3.1 Das Preprocessing ..................................50 3.3.2 Solving.....................................................83

3.3.3 Das Postprocessing.................................86 3.4 Weitere Studienarten im Detail ............98 3.4.1 Lineare Studien – Fortsetzung..............99 3.4.1.1 Kontakt beim Einzelbauteil–

virtuelle Wand ...................................................101

3.4.1.2 Die Arbeit mit Baugruppen.................115 3.4.2 Die thermische Analyse...................... 130 3.4.2.1 Stationäre Wärmeleitung ....................133

3.4.2.2 Die transiente Wärmeleitung..............139

3.4.2.3 Die Wärmespannung ...........................147

3.4.3 Die Frequenzanalyse ........................... 152 3.4.4 Wege zum optimalen Modell –

Konstruktionsszenario ........................ 161 3.4.5 Ermüdung............................................. 177 3.4.6 Zum Abschluss ein Beispiel mit

„Schale“ ................................................ 183 3.5 Sonstiges............................................... 191 3.5.1 Rechnen im Hintergrund

(Batchmodus) ....................................... 191 3.5.2 Nicht lineare Aufgabenstellungen .... 192

4 SolidWorks Motion – Kinetik und Kinematik starrer Körper .................... 195

4.1 Einführung ........................................... 195 4.2 Zur Benutzeroberfläche von

SolidWorks Simulation....................... 197 4.3 Bewegungsstudie einer Kurbel-

schwinge............................................... 200 4.3.1 Preprocessing....................................... 201 4.3.2 Solverlauf ............................................. 204 4.3.3 Postprocessing ..................................... 204 4.3.4 Antriebsmoment bestimmen.............. 211 4.4 Generierung der Kontur einer

Kurven-/Steuerscheibe........................ 214

Inhalt

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5 SolidWorks Flow Simulation – Strömungsanalyse von Flüssigkeiten und Gasen ..............................................229

5.1 Kurzporträt ........................................... 229 5.2 Strömungsverlauf in einer

Absperrklappe...................................... 231 5.2.1 Preprocessing ....................................... 240 5.2.2 Postprocessing ..................................... 254 5.2.3 Projekte weiterentwickeln .................. 263 5.3 Die Benutzeroberfläche von Flow

Simulation............................................ 266 5.3.1 Wichtige Systemoptionen .................. 266 5.3.2 Hilfreiche Tools.................................... 269 5.3.2.1 Engineering Database ..........................269

5.3.2.2 Create Lids.............................................271

5.3.2.3 Check Geometry....................................274

5.3.3 Mehr Details zum Flow Simulation Tree ................................... 276

5.3.4 Ein Wort zur Datenstruktur ............... 278 5.4 Kv-Wert-Bestimmung bei einem

Ventil .................................................... 279 5.5 Strömung mit Wärmeleitung............. 286 5.6 Export von Ergebnissen nach

SolidWorks Simulation....................... 296 5.6.1 Windlastermittelung –

Strömungsberechnung........................ 296 5.6.2 Windlastwirkung analysieren –

strukturmechanische Analyse............ 302

6 Anhang................................................... 307 6.1 Ausgewählte Begriffe kurz

erläutert ................................................ 307 6.2 Literaturverzeichnis............................. 310

Index ................................................................. 311

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Vorwort

Sehr geehrte Leserin, sehr geehrter Leser, es ist heutzutage eine allzu bekannte Binsenweisheit, dass 80% der Kosten eines neuen Produktes durch den konstruktiven Entwurf festgelegt werden. Gleichwohl bewegen sich die Durchlaufzeiten für die Entwicklung neuer Konstruktionen im-mer weiter nach unten. Das bedeutet, die Verweilzeiten in der Entwicklung beim Konstrukteur werden kürzer und der Termindruck damit immer höher. Automa-tisch wächst damit das Risiko, dass nicht optimal ausgereifte Entwürfe viel zu früh in die Produktionsphase gehen. Die Folge: Das Produkt wird teurer als gedacht oder die Fertigung komplizierter und zeitaufwendiger als erforderlich. Daneben wachsen zugleich die Kundenansprüche kontinuierlich an, und, da die Konkurrenz nicht schläft, es erhöht sich auch der Wettbewerbsdruck. Ein Produkt muss bestmögliche Funktionalität bieten, was sich sowieso von selbst versteht, es soll langlebig sein, kostengünstig sowieso. Außerdem soll es auch noch gut aussehen. Zeit zur Erstellung aufwendiger Testmodelle fehlt oft ebenso wie das hierfür erfor-derliche Budget. So präsentiert sich heute dem Konstrukteur und Entwicklungsingenieur der tägli-che Alltag. Genau das ist die Sternstunde für den Einsatz von Analysewerkzeugen. Vor allem in Großunternehmen wird diese Vorgehensweise schon seit vielen Jahren und Jahrzehnten erfolgreich praktiziert. Viele solcher Unternehmen leisten sich sogar ganze Abteilungen oder zumindest spezielle und spezialisierte Mitarbeiter, die sol-che Berechnungsleistungen quasi als interne Dienstleistung erbringen können. Nicht ganz so alt ist hingegen der Trend, bereits während der Konstruktionsphase solche Werkzeuge zu verwenden. Bisher waren diesbezügliche Programme als Stand-alone-Pakete meist viel zu komplex in der Handhabung und vor allem auch ziemlich teuer. Aber mit dem Erscheinen der in das CAD-System integrierten Applikationen hat sich das zum Teil grundlegend geändert. Diese Programme haben eine Leistungs-stärke und einen Benutzerkomfort erreicht, die bis vor wenigen Jahren noch un-denkbar waren. Es ist auch nicht mehr unbedingt erforderlich, sich jahrelang täg-lich damit zu beschäftigen, um damit vernünftige und nutzbare Ergebnisse zu erhalten. Auch wer nur gelegentlich Analysen benötigt, kann damit sehr gut arbei-ten und erlangt schnell einen sichtbaren Mehrwert bei seiner konstruktiven Arbeit.

Vorwort

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Das vorliegende Buch soll am Beispiel den hier Interessierten, Einsteigern und Pro-fis einen einfachen Zugang zu diesen Methodiken eröffnen. Das Werk gibt wichti-ge Informationen zu den Hintergründen der Simulationsprogramme, führt an Bei-spielen die einfache Handhabung vor Augen und gibt Hilfestellung bei der so wichtigen Interpretation der Ergebnisse für die praktische Arbeit. Selbstverständlich würde ich mich darüber freuen, wenn Sie mir nach der Lektüre dieses Buches eine Rückmeldung geben. Nicht nur wie Ihnen das Buch gefallen hat, interessiert mich. Ich bin ebenso dankbar für Hinweise, Anregungen und/oder Verbesserungsvorschläge und verspreche mich zu bemühen, kritische Anmerkun-gen nicht persönlich zu nehmen. Schicken Sie einfach eine E-Mail an vkraemer@icon-info.de. Saarbrücken, im Mai 2010 Volker Krämer

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Nomenklatur

Die DVD

Auf der beiliegenden DVD finden Sie alle Beispiele. Es gibt zwei Root-Ver-zeichnisse, eines für SolidWorks 2009 und eines für SolidWorks 2010, da ja So-lidWorks bekanntermaßen nicht aufwärtskompatibel ist. Unterhalb dieser Root-Verzeichnisse finden sich die Hauptkapitel-Verzeichnisse und darunter die Unterkapitelverzeichnisse. Jedes Beispiel respektive die Daten der „Rohmodelle“, d.h. also ohne Eingabewerte für die Simulationsprogramme, ist dort abgelegt. In einigen Kapitelverzeichnissen findet sich auch noch ein weiteres Un-terverzeichnis mit dem Namen Lösung. Dort stehen die durchgerechneten Modelle mit allen Eingabewerte und den Ergebnissen. Um die Beispiele Schritt für Schritt nachzuvollziehen, verwenden Sie am besten die Rohmodelle. Haben Sie Probleme bei der Umsetzung oder sind ungeduldig, dann analysieren Sie die Lösungen. Am besten kopieren Sie die Beispiele zuvor auf Ihre Festplatte, damit Sie vollen Schreibzugriff auf das SolidWorks-Dokument haben. Die Simulationsprogramme schreiben nämlich einen Teil der Eingabeparameter direkt in das SolidWorks-Dokument, halten aber auch einen nicht unerheblichen Datenbestand in eigenen Dateien und/oder Verzeichnissen.

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1 Aufgaben und Ziele einer konstruktions-begleitenden Analyse

Ich habe in der Einleitung, vielleicht auch etwas überspitzt, versucht, den alltägli-chen Wahnsinn in den Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen zu skizzieren. Im Vordergrund des Interesses steht immer eine frühzeitige Optimierung des Ent-wurfs in jedweder Hinsicht. Zu Beginn einer konstruktiven Aufgabe, wenn es sich nicht um eine Änderungs-konstruktion handelt, existiert keinerlei physische Vorlage. Alle Gedanken und Vorgaben liegen als Gedanken, in Papierform oder virtuell vor. In einem Lasten-heft werden wichtige Vorgaben definiert. Darauf aufbauend beginnt die Erstellung des Entwurfes, heutzutage hoffentlich in der Mehrzahl der Fälle, in Form eines dreidimensionalen Volumenmodells mittels eines CAD-Programms. Schon in dieser Phase ist es immens wichtig, dass wesent-liche Funktionsvorgaben an den Entwurf abgetestet werden können. Zwar führt das Erfahrungswissen des Konstrukteurs bereits zu entscheidenden Grundgeomet-rien. Aber in der Folge geht es dann um eine Verfeinerung der Entwurfsparameter. Das Design muss im Hinblick auf eine Vielzahl von Anforderungen verfeinert werden. Es werden Alternativen erwogen und wieder verworfen. Bereits und gerade in dieser Phase zeigen sich die Stärken der konstruktionsbeglei-tenden Analyse. Im Computer können die verschiedenen Varianten einander ge-genübergestellt und bewertet werden. Ohne das Büro oder gar CAD-System verlas-sen zu müssen, können wichtige Entscheidungen und Verbesserungen gefunden werden. Wesentliche Stärke der Analysetools ist daher die Trendanalyse, mit der konstruktive Ideen auf ihre Wirksamkeit und Brauchbarkeit untersucht werden können.

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2 Die SolidWorks-Simulationstools in der Übersicht

Das Unternehmen SolidWorks bietet mittlerweile neben dem eigentlichen Haupt-produkt, dem 3D CAD-Programm SolidWorks, eine ganze Familie an ergänzenden Zusatzprodukten an. Seit der Markteinführung in Europa auf der CeBIT 1996 be-müht sich SolidWorks, Hilfsmittel für die komplette Prozesskette von der Entwick-lung bis zur Fertigung anzubieten. Mit dem Prozess des Konstruierens besonders verbunden sind hierbei die drei Analysewerkzeuge – SolidWorks Simulation, So-lidWorks Motion, SolidWorks Flow Simulation –, die bis einschließlich Version 2008 noch alle den allseits bekannten und gut eingeführten „Vornamen“ COSMOS getragen haben. Alle drei Programme sind sogenannte numerische Analyseprogramme, die Aufga-benstellungen durch Verwendung geeigneter Näherungsalgorithmen lösen. Dem gegenüber stehen die analytischen Lösungen, die man im Allgemeinen daran er-kennt, dass die Lösung durch eine oder mehrere Gleichungen beschrieben werden kann. Diese sind dann üblicherweise allgemeingültig für eine bestimmte Kategorie von Aufgaben. Diese Vorgehensweise ist deshalb notwendig, da für nahezu alle in Natur und Technik interessierende Vorgänge keine solchen analytischen, also ge-schlossenen Lösungen existieren oder gefunden werden können. Trotzdem sollte man jetzt nicht argwöhnen, dass Programme auf dieser Berechnungsgrundlage Ih-re speziellen Probleme, lieber Leser, nur annähernd und damit sogar unzureichend lösen können. Dies ist ein durch nichts haltbares Vorurteil, das dem Autor in den vielen Jahrzehnten seiner Praxis immer wieder begegnet ist.

SolidWorks Simulation Wenn Sie sich mit computergestützter Simulation oder Analyse beschäftigen, wer-den Sie fast immer früher oder später mit dem Begriff Finite-Elemente-Methode (FEM) konfrontiert werden. FEM gehört zur Klasse der numerischen Analysever-fahren. Wir werden sie im nächsten Kapitel noch im Detail näher kennenlernen. Die Methode ist im Grunde seit den Fünfzigerjahren des vorigen Jahrhunderts be-kannt und verfügbar. Sie hat ihren, wenn man so will, immer noch nicht abge-schlossenen Siegeszug mit der stärkeren Verbreitung leistungsstarker Computer-systeme aber auch erst viel später gestartet. SolidWorks Simulation ist ein Programm zur Strukturanalyse von Bauteilen und Baugruppen, die mit SolidWorks entworfen wurden. Es gibt das Programm in den drei Ausbaustufen SolidWorks Simulation Standard, Simulation Professional und Simulation Premium (früher CosmosWorks Designer, CosmosWorks Professional und CosmosWorks Advanced Professional). Alle drei Stufen bauen aufeinander auf und besitzen eine durchgehend einheitliche Benutzeroberfläche. Die Standardversion ist mittlerweile als eigenständiges Produkt nicht mehr ver-fügbar, sondern wurde in das Paket SolidWorks Premium integriert.

2 Die SolidWorks-Simulationstools in der Übersicht

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Es verfügt lediglich über einen sogenannten Studientyp, aber der hat es, was die Leistungsfähigkeit betrifft, schon in sich. Simulation Standard bietet wirklich um-fassende Möglichkeiten zur linearen statischen Analyse von Bauteilen, Baugrup-pen und sogenannten Mehrkörperbauteilen. Simulation Professional verfügt gewissermaßen über einen erweiterten Baukasten an Studientypen, bleibt aber vom Grundsatz her immer noch bei den sogenannten linearen Aufgabenstellungen. Man kann damit unter anderem zusätzlich an-spruchsvolle thermische Analysen durchführen, Wärmespannungen berechnen, Ermüdungsstudien durchführen und vieles mehr. Simulation Premium erweitert das Aufgabenspektrum noch mal um eine Qualitäts-stufe und erschließt dem Anwender das weite Feld nichtlinearer Anwendungsfälle. Dazu zählen die Simulation von nichtlinearem Materialverhalten, wie es etwa Gummiwerkstoffe aufweisen, die Behandlung von großen Formänderungszustän-den, plastische Verformungen, Restspannungen etc. Ich werde in diesem Buch ausschließlich Aufgabenstellungen behandeln und be-sprechen, die mit Simulation Standard und Professional gelöst werden können.

SolidWorks Motion

SolidWorks Motion (früher COSMOSMotion) hat sich, wie der Name schon andeu-tet, ganz dem Studium bewegter Systeme verschrieben. Motion betrachtet im Ge-gensatz zu der FEM-Anwendung SolidWorks Simulation die Komponenten einer Baugruppe als starr, also in sich nicht verformbar. Die Baugruppe wird dabei zu einem Mechanismus, bei dem sich die Teile relativ zueinander im dreidimensiona-len Raum bewegen, soweit ihnen das nicht durch die verbindenden Gelenke un-möglich gemacht wird. Bewegungsabläufe können dabei nahezu beliebig komplex sein. Die Möglichkeit zur Definition beliebiger Kräfte und Momente, Feder-/Dämpfersysteme, die Einbeziehung verschiedenster Reibungseffekte, elastischer sowie unelastischer Stöße bieten ein Unzahl unterschiedlichster Anwendungsberei-che. Die der Software zugrunde liegende ADAMS®-Technologie ist bei allen, die sich mit der Analyse bewegter Systeme befassen, schon seit Jahrzehnten bekannt, um-fassend etabliert und enorm geschätzt. Motion ist in den Bereichen Automotive, Robotersteuerung und Robotersimulation, Transportwesen oder auch für an-spruchsvolle Präsentationsaufgaben etc. vielseitig einsetzbar. SolidWorks Motion ist ebenfalls nicht mehr als eigenständiges Programm erhält-lich, sondern wurde in den letzten Versionswechseln immer stärker in die Solid-Works-Welt und Oberfläche eingearbeitet. Es ist mittlerweile fester Bestandteil von SolidWorks Premium bzw. SolidWorks Simulation Professional aufwärts.

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Ergebnisse aus einer Bewegungsanalyse können bereits in SolidWorks Simulation importiert werden, um etwa dort für weiterführende strukturmechanische Berech-nungen als Randbedingungen verwendet zu werden. Seit Version 2010 lassen sich sogar während einer Bewegungsstudie FEM-Festig-keitsberechnungen durchführen und grafisch animiert darstellen.

SolidWorks Flow Simulation Flow Simulation (früher COSMOSFloWorks) erweitert das Analysespektrum um die Möglichkeit zur Beschreibung des Verhaltens nicht fester Stoffe wie Flüssigkeiten und Gase. Flow Simulation ermöglicht Strömungsberechnungen für fluide Medien, die sich durch ein SolidWorks-Modell hindurchbewegen, es umströmen oder bei-des gleichzeitig tun. Mathematische Grundlage bilden die Reynolds gemittelten Navier-Stoke-Gleichungen, die mit zeitlich gemittelten turbulenten Fließvariablen arbeiten. FloWorks verwendet ein einziges Gleichungssystem zur Berechnung von laminaren und turbulenten Strömungen. Deshalb ist auch der Übergang von lami-nar nach turbulent und umgekehrt simulierbar. Es lassen sich sowohl stationäre als instationäre Aufgabenstellungen bearbeiten. Als Lösungsmethode kommt dabei die mit der Finite-Elemente-Methode eng verwandte Finite-Volumen-Methode zum Einsatz. Ermittelt werden können wichtige Kenngrößen einer Strömung wie Druckvertei-lung, Druckverlust, Fließgeschwindigkeiten, Stromlinienverläufe, Temperaturen im fluiden Medium ebenso wie optional die Temperaturverteilung im umgebenden Festkörper, Massenbilanzen, Mischungsverhältnisse uv.m. Auch hier können Ergebnisse einer Strömungsanalyse teilweise exportiert und als Randbedingung in eine strukturmechanische Studie mit SolidWorks Simulation wieder importiert werden.

Bemerkung

Ich werde in diesem Buch den ehrgeizigen Versuch unternehmen, alle drei vorge-stellten Programme in einem zu besprechen. Man sollte bei so einem Projekt nicht erwarten, dass alle Aspekte einer Anwendung umfassend und erschöpfend bespro-chen werden. Man kommt dabei nicht umhin, Prioritäten zu setzen und sich auf bestimmte, charakteristische Aspekte eines Programms und seiner Funktionen zu konzentrieren. Das Ergebnis ist daher immer auch von subjektiven Vorstellungen geprägt. Ich habe mich daher zum einen dafür entschieden, hinsichtlich der Mächtigkeit der einzelnen Kapitel, die sich mit der Behandlung der drei Programme im Detail be-fassen, mich ein wenig an Umfang und Häufigkeit der Supportanfragen zu diesen Themen in der betrieblichen Praxis zu orientieren. Zum anderen habe ich beson-ders das Thema der strukturmechanischen Analyse mit FEM bewusst etwas aus-führlicher behandelt. Sie ist, wie ich meine, einfacher zugänglich, unfassender ein-

2 Die SolidWorks-Simulationstools in der Übersicht

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setzbar, und sie steht zudem, verglichen mit beiden anderen Programmen, oftmals am Ende einer Analyse gekoppelter Problemstellungen. Was ich zeigen wollte, ist, dass man numerische Simulation sehr wohl in der tägli-chen Praxis anwenden kann und dass man dafür auch nicht unbedingt jahrelang studiert haben muss. Sie hat sich mittlerweile so weit entwickelt und ist auch so weit etabliert, dass man sich bei der Konstruktion auch gut auf die erzielten Ergebnisse verlassen kann. Das Buch will ein Appetitanreger sein und Möglichkeiten für ihre Anwendung aufzeigen. Eine Schulung, bei der eine Kommunikation mit dem Trainer viel besser gegeben ist als in einem Buch, kann dieses Werk natürlich nicht ersetzen. Auch sollte man nicht der Illusion erliegen, der intensive Einsatz computergestütz-ter Simulation in der Konstruktion könne über kurz oder lang die Durchführung von Versuchen, die Erstellung von Prototypen oder die Messung am physischen Objekt komplett ersetzen. Sie wird aber dennoch als zunehmend wichtiger wer-dender Baustein mithelfen, konstruktive Entwürfe zu verbessern und zu beschleu-nigen. Und es kann fatale Folgen haben, sich auch zukünftig weiterhin der An-wendung dieser wichtigen Werkzeugen vehement zu verschließen.