Inhalt | 6 |
Teil I Digital Prototyping | 16 |
1 Einführung | 18 |
1.1 Autodesk Inventor | 18 |
1.2 Die Grenzen der Simulation | 20 |
1.3 Was fehlt | 20 |
1.4 Inventor-Schnittstellen | 21 |
1.5 Inventor für Schüler und Studenten | 22 |
1.5.1 Inventor kostenlos? | 22 |
1.6 Systemvoraussetzungen | 22 |
1.6.1 Hinweise zur Installation | 22 |
1.6.2 Hardware | 22 |
1.6.3 Betriebssysteme | 23 |
1.6.4 Sonstige Anforderungen | 23 |
1.7 Voraussetzungen für Anwender | 24 |
1.8 Übungsdateien und Videos auf DVD | 24 |
1.9 Resümee | 24 |
2 Digital Prototyping und Produktdesign | 26 |
2.1 Virtuelle 3D-Modelle | 26 |
2.2 Herstellung von Prototypen, Rapid Prototyping | 27 |
2.3 Produktoptimierung | 28 |
2.3.1 Flächen- bzw. Formoptimierung | 28 |
2.3.2 Berechnungen | 29 |
2.3.3 Dynamische Simulation | 29 |
Teil II Oberflächenanalysen und Grundlagen | 30 |
3 Bauteilanalysen | 32 |
3.1 Zebra-Analyse | 34 |
3.2 Entwurf, Verjüngungsanalyse | 35 |
3.3 Fläche, Gauß-Analyse, Gauß’sche Flächenkrümmung | 36 |
3.4 Schnitt, Querschnittsanalyse | 38 |
3.5 Krümmungsanalyse, Krümmungskammanalyse | 39 |
4 Technische Mechanik, Festigkeitslehre und Inventor | 42 |
4.1 Statik | 42 |
4.2 Freiheitsgrade | 43 |
4.3 Freiheitsgrade überprüfen | 45 |
4.3.1 Anzeige der Freiheitsgrade | 45 |
4.3.2 Freiheitsgrad-Analyse | 46 |
4.4 Gelenke | 47 |
4.4.1 Inventor-Gelenke | 48 |
4.5 Reibung | 49 |
4.6 Kinematik | 49 |
4.7 Dynamik | 51 |
4.7.1 Schwerkraft, Gravitation | 51 |
4.7.2 Masse, Gewichtskraft, Trägheitsmomente | 52 |
4.7.3 Gelenkkräfte und -momente | 52 |
4.7.4 Simulation | 53 |
4.7.5 Export nach FEM | 54 |
4.7.6 Schwingungen, Eigenfrequenz, Resonanz, Modalanalyse | 55 |
4.8 Festigkeitslehre und FEM-Ergebnisse | 56 |
4.8.1 Festigkeitshypothesen | 57 |
4.8.2 Spannungen | 58 |
4.8.3 Verformungen | 59 |
4.8.4 Sicherheitsfaktoren, Belastung/Dehnung | 59 |
4.8.5 Kontaktdruck | 60 |
4.8.6 Knicken und Beulen | 60 |
4.9 Grenzen der Inventor-Mechanik | 61 |
5 Die Materialbibliothek | 64 |
5.1 Der Materialien-Browser | 64 |
5.2 Mit Materialien und Darstellungen arbeiten | 65 |
5.2.1 Übersicht | 65 |
5.3 Eine eigene Bibliothek mit neuen Materialien erstellen | 70 |
5.3.1 Eigene Bibliothek und eigene Kategorien erstellen | 70 |
5.3.2 Ein neues Material definieren | 71 |
5.4 Problematische Materialien in der FEM | 73 |
5.4.1 Beispiel: Silentblock | 73 |
5.4.2 Material ohne Kennwerte | 74 |
5.5 Nicht in der FE-Analyse verwendbare Werkstoffe | 77 |
5.5.1 Polymere Werkstoffe | 77 |
5.5.2 Verbundwerkstoffe | 78 |
5.6 Bauteile mit großen Verformungen | 79 |
Teil III Grundlagen und Anwendungsbeispiele der Finiten-Elemente-Methode | 82 |
6 FEM | 84 |
6.1 FEM, allgemein | 84 |
6.2 Konvergenz | 85 |
6.2.1 Maximale Anzahl der H-Verfeinerungen | 86 |
6.2.2 Stopp-Bedingung | 86 |
6.2.3 Schwellenwert für H-Verfeinerungen | 86 |
6.2.4 Konvergenz-Plots | 87 |
6.2.5 Beispiel: Konvergenzeinstellungen und Auswirkung | 87 |
6.3 Das FEM-Netz | 90 |
6.3.1 Netzeinstellungen | 90 |
6.3.2 Lokale Netzsteuerung | 92 |
6.3.3 Allgemeine Richtlinien für die Netzerstellung | 93 |
6.3.4 Netzgenerierungen und Simulationen mit dünnen Bauteilen | 95 |
6.4 Abhängigkeiten, Einspannungen | 95 |
6.5 Lasten und Lastangriffsfälle | 96 |
6.5.1 Lastarten | 96 |
6.5.2 Lastangriffsfälle | 97 |
6.6 Beispiel einer einfachen vollständigen FE-Analyse | 104 |
6.6.1 Das Bauteil und seine Eigenschaften | 105 |
6.6.2 Funktion des Bauteils | 106 |
6.6.3 Die erste Simulation erstellen | 107 |
6.6.4 Das Bauteil einspannen | 107 |
6.6.5 Trennen von Bauteilflächen | 107 |
6.6.6 Das Bauteil belasten | 108 |
6.6.7 Das Bauteilnetz | 109 |
6.6.8 Simulation ausführen | 110 |
6.6.9 Anpassung der Gestalt (Gestaltfestigkeit) | 112 |
6.6.10 Materialanpassung | 113 |
6.6.11 Hauptspannungen | 115 |
6.6.12 Verformung, Verschiebung | 116 |
6.6.13 Rückstoßkräfte, Lagerkräfte | 117 |
6.6.14 Ergebnisprotokoll | 118 |
6.6.15 Bericht | 119 |
7 Rückstoßkraft und Kraftermittlung über Verformungen | 122 |
7.1 Beispiel: Rückstoßkraft ermitteln | 122 |
7.2 Verformungskraft ermitteln | 123 |
7.3 Fehlerbetrachtung | 125 |
8 Parametrische FEM-Studien | 126 |
8.1 Das parametrische Bauteil | 126 |
8.2 Vorbereitung der parametrischen FE-Analyse | 127 |
8.2.1 Die parametrische Tabelle | 127 |
8.3 Die parametrische Simulation | 132 |
8.4 Parametrische Ergebnisse | 133 |
8.5 Das Modell anpassen | 135 |
9 FEM an dünnen Bauteilen | 138 |
9.1 Beispiel: Blechtraverse | 138 |
9.2 Simulation als normaler Körper | 139 |
9.3 Simulation als dünnwandiges Bauteil | 140 |
10 Modal- oder Eigenfrequenzanalyse | 144 |
10.1 Eine Modalanalyse durchführen | 144 |
10.2 Ein zweites Beispiel | 147 |
11 Stimmgabel 440?Hz entwerfen | 150 |
11.1 Die Konstruktion | 150 |
11.2 Die Belastungsanalyse | 151 |
11.2.1 Netzverfeinerung | 152 |
11.2.2 Die erste Simulation | 152 |
11.3 Frequenzermittlung iterativ | 153 |
11.4 Frequenzermittlung mit parametrischer Tabelle | 155 |
12 FEM an Schweißbaugruppen | 158 |
12.1 Erstes Beispiel | 158 |
12.1.1 Die Baugruppe | 158 |
12.1.2 Die Schweißverbindung | 159 |
12.1.3 Die Vorbereitung der Belastungssimulation | 160 |
12.1.4 Kontakte überprüfen | 161 |
12.1.5 Die Simulation | 163 |
12.2 Zweites Beispiel | 164 |
12.2.1 Die Schweißkonstruktion | 164 |
12.2.2 Simulation vorbereiten | 165 |
12.2.3 Kontakte kontrollieren | 166 |
12.2.4 Die Simulation | 167 |
12.2.5 Sicherheitsfaktor | 168 |
12.3 Punktschweißen | 169 |
12.3.1 Die Punktschweißung im Beispiel | 170 |
12.3.2 Die Simulation vorbereiten | 170 |
12.3.3 Kontakte bearbeiten | 171 |
12.3.4 Die Simulation | 171 |
Teil IV Einfache Bewegungssimulationen und Baugruppenvereinfachung | 174 |
13 Einfache Bewegungssimulationen | 176 |
13.1 Baugruppen von Hand bewegen | 176 |
13.2 Automatische Bewegung in der Baugruppe | 177 |
13.3 Bewegung in der Präsentationsumgebung | 179 |
13.3.1 Eine Präsentation erstellen | 180 |
13.3.2 Die Präsentationsfunktionen | 180 |
13.4 Die Präsentationsanimation von Schrauben | 184 |
13.4.1 Komponentenpositionen | 184 |
13.5 Bewegung im Inventor Studio | 186 |
13.5.1 Die Inventor Studio-Arbeitsumgebung | 187 |
13.6 Beispiel einer Studio-Animation | 191 |
13.6.1 Vorbereitung der Animation | 191 |
13.6.2 Abhängigkeit animieren | 192 |
13.6.3 Die Ablaufsteuerung | 193 |
13.6.4 Animation aufzeichnen | 194 |
14 Bauteil- bzw. Baugruppenvereinfachung | 196 |
14.1 Beispiel: Kurbeltrieb | 197 |
14.2 Detailgenauigkeit erstellen | 197 |
14.3 Bauteile mit vereinfachtem Bauteil ersetzen | 199 |
Teil V Die dynamische Simulation anhand zahlreicher Beispiele | 202 |
15 Die dynamische Simulationsumgebung | 204 |
15.1 Die Arbeitsumgebung | 204 |
15.1.1 Funktionsgruppe Verbindung | 205 |
15.1.2 Funktionsgruppe Laden | 205 |
15.1.3 Funktionsgruppe Ergebnisse | 206 |
15.1.4 Funktionsgruppe Animieren | 206 |
15.1.5 Funktionsgruppe Verwalten | 207 |
15.1.6 Funktionsgruppe Belastungsanalyse | 208 |
15.1.7 Funktionsgruppe Beenden | 208 |
15.2 Der Objektbrowser in der dynamischen Simulation | 208 |
15.3 Bewegliche Gruppen einfärben | 211 |
15.4 Beschreibung der Gelenkarten | 212 |
15.4.1 Normgelenk | 212 |
15.4.2 Abhängigkeiten und Gelenke | 212 |
15.4.3 Vordefinierte Gelenke | 214 |
15.5 Gelenkeinfügungsarten | 216 |
15.5.1 Gelenkeinfügung von Hand: die Funktion Gelenk einfügen | 216 |
15.5.2 Gelenk aus Abhängigkeit erzeugen: die Funktion Abhängigkeiten ableiten | 221 |
15.5.3 Automatische Gelenkdefinition | 222 |
15.6 Eigenschaften der Normverbindung bearbeiten | 224 |
15.6.1 Registerkarte Allgemein | 224 |
15.6.2 Registerkarte Freiheitsgrad x (R/T) | 226 |
15.7 Gelenkkräfte, Steifigkeit und Dämpfung | 227 |
15.7.1 Nichts ist starr – alles ist Gummi! | 227 |
15.7.2 Steifigkeit und Dämpfung – der Sprungbretteffekt | 227 |
15.7.3 Inventor ist ein Starrkörpersystem | 228 |
15.7.4 Inventor ist elastisch? | 228 |
15.7.5 Steifigkeit | 229 |
15.7.6 Dämpfung | 230 |
15.8 Gelenkeigenschaften | 230 |
15.8.1 Anfangsbedingungen bearbeiten | 231 |
15.8.2 Gelenkdrehmoment bzw. Gelenkkraft bearbeiten | 232 |
15.8.3 Festgelegte Bewegung bearbeiten | 233 |
15.9 Das Eingabediagramm | 233 |
15.9.1 Die Diagrammfläche | 234 |
15.9.2 Sektor-Optionen | 234 |
15.9.3 Start- und Endpunkt | 235 |
15.9.4 Funktionsdefinitionen speichern und laden | 236 |
15.9.5 Referenzachsen bestimmen | 236 |
16 Pendelklappe mit Schwerkraft | 238 |
16.1 Die Bauteile und die Baugruppe | 238 |
16.2 Die dynamische Simulation starten | 239 |
16.3 Schwerkraft definieren | 240 |
16.4 Die erste Simulation | 241 |
16.5 Einen 3D-Kontakt einfügen | 242 |
16.6 Die zweite Simulation | 243 |
16.7 Ändern der Pufferdämpfung | 243 |
16.8 Drehgelenkeigenschaften einstellen | 244 |
17 Das Ausgabediagramm | 246 |
17.1 Die Oberfläche des Ausgabediagramms | 247 |
17.2 Diagrammoptionen | 247 |
17.3 Variable anzeigen | 248 |
17.4 Eine zweite Variable überlagern | 250 |
17.5 Nullpunktverschiebung | 251 |
17.6 Darstellungs- und Wertegenauigkeit | 252 |
17.7 Diagramm und Werte nach Excel exportieren | 253 |
18 Fliehkraftregler | 254 |
18.1 Die Baugruppenabhängigkeiten | 255 |
18.2 Baugruppe bewegen | 257 |
18.3 Die dynamische Simulation | 258 |
18.3.1 Überbestimmungen | 258 |
18.3.2 Der Objektbrowser | 259 |
18.4 Der Antrieb | 260 |
18.4.1 Antriebsmoment | 261 |
18.4.2 Dämpfung | 261 |
18.4.3 Reibung | 262 |
18.5 Die Vertikalbewegung der unteren Gleitbuchse | 262 |
18.5.1 Die Rotation | 263 |
18.6 Andere Gelenke mit Reibwerten versehen | 264 |
18.7 Die Simulation | 265 |
18.8 Das Ausgabediagramm | 266 |
18.8.1 Rotationsgeschwindigkeit interpretieren | 266 |
18.8.2 Schwingungen untersuchen | 267 |
18.9 Feder einfügen | 268 |
18.10 Simulation mit eingebauter Feder | 272 |
18.11 Kurven im Ausgabediagramm bearbeiten | 273 |
18.12 Export nach FEM und FE-Analyse von Bauteilen | 274 |
18.12.1 Die Vorbereitung | 274 |
18.12.2 Zeitschritt auswählen | 275 |
18.12.3 Bauteile zur FE-Analyse auswählen | 275 |
18.12.4 Überbestimmte Bauteile heilen | 276 |
18.12.5 In die Belastungsanalyse wechseln | 278 |
18.12.6 Die Belastungsanalysen | 279 |
18.12.7 Fazit | 281 |
19 Spielerei mit einem Ball | 282 |
19.1 Die Bauteile und die Konstruktion | 282 |
19.2 Die Simulationsumgebung | 284 |
19.2.1 Feder einfügen | 284 |
19.2.2 Schwerkraft definieren | 285 |
19.2.3 Der Ball benötigt Gelenke | 286 |
19.2.4 Der Objektbrowser | 288 |
19.3 Die Simulation | 289 |
19.3.1 Starres Abprallen | 289 |
20 Kurbelschwinge | 292 |
20.1 Die Funktion | 292 |
20.2 Die Bauteile | 293 |
20.3 Die Abhängigkeiten | 294 |
20.4 Nach Abhängigkeit bewegen | 295 |
20.5 Vorbereitung der Simulation | 296 |
20.5.1 Nichts geht mehr | 296 |
20.5.2 Geht doch! | 297 |
20.5.3 Der Antrieb | 297 |
20.6 Die erste Simulation | 298 |
20.7 Schiebegelenk einfügen | 299 |
20.8 Die zweite Simulation | 301 |
20.9 Schwerkraft und Reibung | 301 |
20.9.1 Schwerkraft | 301 |
20.9.2 Reibungswerte und Kraftübertragung | 302 |
20.9.3 Beidseitige Kraftübertragung an der Schwinge | 302 |
20.9.4 Gelenkreibungen der Drehgelenke | 303 |
20.9.5 Startposition | 303 |
20.10 Die dritte Simulation und das Ausgabediagramm | 304 |
20.10.1 Das Ausgabediagramm | 305 |
20.11 Externe Kraft einfügen | 307 |
20.12 Die vierte Simulation und das Ausgabediagramm | 308 |
20.13 Spur aufzeichnen | 310 |
21 Schiebevorrichtung | 314 |
21.1 Die Bauteile | 314 |
21.2 Die Funktion | 315 |
21.3 Gelenke einfügen | 316 |
21.3.1 Zylindrisches Schiebegelenk | 316 |
21.3.2 Punkt-Ebene-Gelenk | 317 |
21.3.3 Druckfeder | 318 |
21.4 Die erste Simulation | 320 |
21.5 Status des Mechanismus | 321 |
21.6 Redundante Abhängigkeiten | 323 |
21.6.1 Redundanz hinzufügen | 323 |
21.6.2 Redundanz untersuchen | 324 |
21.7 Gelenkdrehmoment aktivieren | 325 |
21.8 Die zweite Simulation | 326 |
21.9 Externe Belastung | 328 |
21.9.1 Externe Kraft definieren | 328 |
21.9.2 Antriebsmoment anpassen | 329 |
21.9.3 Die dritte Simulation | 329 |
21.9.4 Das Ausgabediagramm | 330 |
21.10 Export nach FEM | 331 |
21.11 Die FE-Analyse der Schwinge | 331 |
22 Kurbelschwinge, die Dritte | 334 |
22.1 Die Bauteile | 334 |
22.2 Die Baugruppe | 335 |
22.3 Die Simulationsumgebung | 335 |
22.4 Gelenke einfügen | 336 |
22.4.1 Räumliches Gelenk | 336 |
22.4.2 3D-Kontakte | 337 |
22.5 Reibung definieren | 338 |
22.6 Die Simulation | 339 |
23 Hubkolben-Triebwerk | 340 |
23.1 Die Baugruppe | 340 |
23.2 Die Simulationsumgebung | 341 |
23.3 Untersuchung der Redundanz | 342 |
23.3.1 Status des Mechanismus | 342 |
23.3.2 Schwerkraft definieren | 343 |
23.3.3 Gelenke überprüfen und bearbeiten | 344 |
23.4 Die erste Simulation | 347 |
23.5 Zweites Beispiel: Antrieb durch den Kolben | 348 |
23.5.1 Externe Kraft wirken lassen | 349 |
23.5.2 Externe Kraft definieren | 349 |
23.5.3 Kraft im Eingabediagramm definieren | 350 |
23.6 Die zweite Simulation | 351 |
23.6.1 Das Ausgabediagramm | 352 |
23.7 Beispiel: Verbrennungsmotor | 353 |
23.7.1 Lastmoment hinzufügen | 353 |
23.7.2 Zyklischen Antrieb hinzufügen | 353 |
23.7.3 Die Simulation | 356 |
23.8 Variante mit Feder | 357 |
23.8.1 Festgelegte Bewegung aktivieren | 357 |
23.8.2 Feder einfügen | 357 |
23.8.3 Die Simulation | 358 |
23.8.4 Das Ausgabediagramm | 359 |
23.9 Export nach FEM | 360 |
23.9.1 Die FE-Analyse der Kurbelwelle | 360 |
23.9.2 Die FE-Analyse des Kolbens | 362 |
Stichwortverzeichnis | 364 |