Unigraphics NX 4

Reiner Anderl
Peter Binde
Simulationen mit
Unigraphics NX 4
Kinematik, FEM und CFD

Inhalt
1 Einleitung...................................................................................................................... 15
1.1 Beispielsammlung, Voraussetzungen und Lernziele............................................. 17
1.2 Arbeitsumgebungen .................................................................................................... 19
1.3 Arbeiten mit dem Buch .............................................................................................. 20
2 Motion-Simulation (MKS) ......................................................................................... 23
2.1 Einführung .................................................................................................................... 24
2.2 Lernaufgaben Kinematik ............................................................................................ 27
2.2.1 Lenkgetriebe.................................................................................................................................27
2.2.1.1 Aufgabenstellung ...............................................................................................27
2.2.1.2 Überblick über die Funktionen........................................................................28
2.2.1.3 Überblick über die Lösungsschritte ...............................................................32
2.2.1.4 Erzeugen der Motion-Simulationsdatei.......................................................32
2.2.1.5 Wahl der Umgebung..........................................................................................35
2.2.1.6 Definition der Bewegungskörper (Links) ......................................................37
2.2.1.7 Definition von Drehgelenken...........................................................................38
2.2.1.8 Ermittlung unbestimmter Freiheitsgrade.....................................................41
2.2.1.9 Testlauf mit zwei unbestimmten Freiheitsgraden.....................................42
2.2.1.10 Definition eines kinematischen Antriebs.....................................................44
2.2.1.11 Erzeugung eines Zahnradpaars.......................................................................46
2.2.1.12 Visuelle Kontrolle durch Nutzung der Artikulation ..................................47
2.2.2 Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik ..............................................................49
2.2.2.1 Aufgabenstellung ...............................................................................................49
2.2.2.2 Überblick über die Lösungsschritte ...............................................................50
2.2.2.3 Vorbereitungen....................................................................................................50
2.2.2.4 Erzeugen einer Prinzipskizze der Lenkhebel................................................51
2.2.2.5 Erzeugen der Motion-Simulationsdatei.......................................................52
2.2.2.6 Definition der Bewegungskörper durch Skizzenkurven ...........................53
2.2.2.7 Erzeugung von Drehgelenken..........................................................................55
Inhalt
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Inhalt
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2.2.2.8 Testlauf mit einem unbestimmten Freiheitsgrad......................................57
2.2.2.9 Bedeutung redundanter Freiheitsgrade.......................................................58
2.2.2.10 Einbau eines Kugelgelenks ..............................................................................60
2.2.2.11 Einbau eines Zylindergelenks..........................................................................61
2.2.2.12 Erzeugung eines kinematischen Antriebs ...................................................61
2.2.2.13 Durchführung der Artikulation.......................................................................62
2.2.2.14 Graphenerstellung der Radwinkelbewegung .............................................63
2.2.2.15 Erstellung von Baugruppenkomponenten aus Prinzipkurven................66
2.2.2.16 Zufügen der neuen Komponenten zum Motion-Modell.........................68
2.2.3 Kollisionsprüfung am Gesamtmodell der Lenkung ...........................................................71
2.2.3.1 Aufgabenstellung...............................................................................................71
2.2.3.2 Erstellen der Motion-Datei .............................................................................72
2.2.3.3 Importieren der Motion-Untermodelle........................................................72
2.2.3.4 Zufügen der Lenkstange...................................................................................75
2.2.3.5 Erzeugung des Drehkreuzes mit einem Hilfskörper..................................76
2.2.3.6 Erzeugung eines Kugelgelenks .......................................................................76
2.2.3.7 Artikulation des Gesamtsystems ...................................................................77
2.2.3.8 Mechanismus für das Einfedern zufügen....................................................78
2.2.3.9 Durchfahren der Bewegungen beim Einfedern und Lenken ..................80
2.2.3.10 Kollisionsprüfung ...............................................................................................81
2.3 Lernaufgaben Dynamik ...............................................................................................83
2.3.1 Fallversuch am Fahrzeugrad ...................................................................................................83
2.3.1.1 Aufgabenstellung...............................................................................................83
2.3.1.2 Vorbereitungen...................................................................................................84
2.3.1.3 Zuordnung von Masseneigenschaften.........................................................84
2.3.1.4 Definition der Bewegungskörper (Links)......................................................86
2.3.1.5 Funktionsweise des 3D-Kontakt....................................................................87
2.3.1.6 Funktionsweise der Reibung am 3D-Kontakt ............................................88
2.3.1.7 Funktionsweise der Dämpfung am 3D-Kontakt........................................89
2.3.1.8 Voreinstellungen für Kontakte und Genauigkeit ......................................90
2.3.1.9 Erzeugung eines 3D-Kontakts........................................................................90
2.3.1.10 Animation der Ergebnisse................................................................................91
2.3.1.11 Erzeugung einer Bewegungsspur ..................................................................91

3 Design-Simulation (FEM)........................................................................................... 93
3.1 Einführung .................................................................................................................... 94
3.1.1 Lineare Statik...............................................................................................................................95
3.1.1.1 Nichtlineare Effekte...........................................................................................97
3.1.1.2 Einfluss der Netzfeinheit..................................................................................99
3.1.1.3 Singularitäten...................................................................................................100
3.1.2 Eigenfrequenzen.......................................................................................................................100
3.1.3 Thermotransfer .........................................................................................................................101
3.1.4 Lineares Beulen ........................................................................................................................102
3.2 Lernaufgaben lineare Analyse.................................................................................105
3.2.1 Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) ..............................................................................105
3.2.1.1 Aufgabenstellung ............................................................................................106
3.2.1.2 Laden und Vorbereiten der Baugruppe......................................................106
3.2.1.3 Starten der FE-Anwendung und Erstellen der Dateistruktur ..............107
3.2.1.4 Wählen der Lösungsmethode.......................................................................109
3.2.1.5 Umgang mit dem Simulation-Navigator ..................................................109
3.2.1.6 Überblick über die Lösungsschritte ............................................................113
3.2.1.7 Materialeigenschaften definieren...............................................................113
3.2.1.8 Vorbereitungen der Geometrie ....................................................................115
3.2.1.9 Allgemeines zur Vernetzung.........................................................................124
3.2.1.10 Standardvernetzung erzeugen.....................................................................126
3.2.1.11 Erzeugen der Last ............................................................................................127
3.2.1.12 Überblick über weitere Lasttypen ...............................................................128
3.2.1.13 Erzeugen der fixen Einspannung.................................................................129
3.2.1.14 Erzeugen der drehbaren Lagerung..............................................................130
3.2.1.15 Erzeugen der Bedingung für Spiegelsymmetrie......................................131
3.2.1.16 Vollständigkeit der Einspannung prüfen...................................................132
3.2.1.17 Überblick über weitere Randbedingungen...............................................132
3.2.1.18 Ergebnisse berechnen.....................................................................................134
3.2.1.19 Überblick über den Postprozessor...............................................................134
3.2.1.20 Verformungsergebnisse beurteilen.............................................................136
3.2.1.21 Vorläufige Spannungsergebnisse ablesen ................................................138
3.2.1.22 Vergleich der FE-Ergebnisse mit der Theorie...........................................140
3.2.1.23 Beurteilung der FE-Netzgüte .......................................................................141
3.2.1.24 Möglichkeiten zur Verbesserung des FE-Netzes.....................................144
3.2.1.25 Unterteilung von Flächen am interessierenden Bereich.......................145
3.2.1.26 Verbesserung der Polygongeometrie..........................................................147
Inhalt
9

Inhalt
10
3.2.1.27 Flächenattribute zur Netzsteuerung definieren......................................149
3.2.1.28 Weitere Verfeinerungen bis zur Konvergenz............................................150
3.2.1.29 Gegenüberstellung der Ergebnisse und Bewertung ...............................150
3.2.1.30 Der Effekt von Singularitäten.......................................................................152
3.2.2 Temperaturfeld in einer Rakete (Sol153) ..........................................................................155
3.2.2.1 Aufgabenstellung.............................................................................................155
3.2.2.2 Laden der Teile..................................................................................................156
3.2.2.3 Erzeugen der Dateistruktur ...........................................................................156
3.2.2.4 Überlegungen zu Symmetrie und Lösungstyp .........................................157
3.2.2.5 Lösung erzeugen ..............................................................................................158
3.2.2.6 Erzeugen von Promotion-Features..............................................................158
3.2.2.7 Erzeugen der Symmetrieschnitte.................................................................159
3.2.2.8 Materialeigenschaften erzeugen und zuordnen .....................................159
3.2.2.9 Netzverbindung erzeugen..............................................................................160
3.2.2.10 Vernetzung erzeugen......................................................................................161
3.2.2.11 Temperaturrandbedingung erzeugen .........................................................162
3.2.2.12 Konvektionsrandbedingung erzeugen........................................................162
3.2.2.13 Die thermische Symmetrierandbedingung ...............................................163
3.2.2.14 Ergebnisse berechnen und anzeigen ..........................................................163
4 Advanced-Simulation (FEM)................................................................................... 165
4.1 Einführung.................................................................................................................. 166
4.1.1 Sol 101: Lineare Statik und Kontakt...................................................................................167
4.1.2 Sol 103: Eigenfrequenzen......................................................................................................167
4.1.3 Sol 106: Nichtlineare Statik..................................................................................................167
4.1.4 Sol 601: Advanced Nichtlinear.............................................................................................168
4.2 Lernaufgaben lineare Analyse und Kontakt (Sol 101/103) .............................. 169
4.2.1 Steifigkeit des Fahrzeugrahmens.........................................................................................169
4.2.1.1 Aufgabenstellung Teil 1 .................................................................................170
4.2.1.2 Auswählen der Baugruppe ............................................................................170
4.2.1.3 Überlegungen zur Vernetzung......................................................................170
4.2.1.4 Erzeugen der Dateistruktur für Schalenelemente-Simulation............172
4.2.1.5 Markierungen für spätere Randbedingungen erzeugen .......................173
4.2.1.6 Entfernen unrelevanter Formelemente......................................................174
4.2.1.7 Erzeugen der Mittelfläche.............................................................................176
4.2.1.8 Unterteilen der Fläche für den Lastangriff ...............................................178

4.2.1.9 Polygongeometrie für die Mittelfläche erzeugen...................................178
4.2.1.10 2D-Vernetzen des Flächenmodells .............................................................180
4.2.1.11 Angeben der Wandstärke..............................................................................180
4.2.1.12 Verbinden des Netzes mit den Lagerungspunkten.................................181
4.2.1.13 Materialeigenschaften ...................................................................................182
4.2.1.14 Erzeugen der Last ............................................................................................183
4.2.1.15 Erzeugen der Lagerungen..............................................................................183
4.2.1.16 Lösungen berechnen und bewerten ...........................................................184
4.2.1.17 Aufgabenstellung Teil 2.................................................................................186
4.2.1.18 Klonen der Simulationsdateistruktur.........................................................187
4.2.1.19 Löschen von Features .....................................................................................187
4.2.1.20 Erzeugen der Mittelflächen ..........................................................................188
4.2.1.21 Schnitt an der Symmetrieebene..................................................................189
4.2.1.22 Flächenunterteilungen für die Nietverbindungen..................................189
4.2.1.23 Hilfspunkte für die Nietverbindungen.......................................................190
4.2.1.24 Materialeigenschaften ...................................................................................190
4.2.1.25 Polygongeometrien für die Mittelflächen zufügen................................190
4.2.1.26 Vernetzen der Teile..........................................................................................191
4.2.1.27 Neuerzeugung der Verbindungsnetze........................................................191
4.2.1.28 Erzeugen von Modellen für Nietverbindungen .......................................191
4.2.1.29 Erzeugen der Symmetrierandbedingung...................................................193
4.2.1.30 Lösungen berechnen und bewerten ...........................................................193
4.2.2 Auslegung einer Schraubenfeder ........................................................................................197
4.2.2.1 Aufgabenstellung ............................................................................................197
4.2.2.2 Überblick über die Lösungsschritte ............................................................198
4.2.2.3 Aufbau des parametrischen CAD-Modells ...............................................198
4.2.2.4 Überlegungen zur Vernetzungsstrategie...................................................198
4.2.2.5 Überlegungen zu Randbedingungen..........................................................200
4.2.2.6 Erzeugung der Dateistruktur und der Lösungsmethode.......................200
4.2.2.7 Vorbereitungen für Randbedingungen......................................................201
4.2.2.8 Erzeugen eines Balkenquerschnitts............................................................202
4.2.2.9 Vernetzung mit Balkenelementen ..............................................................203
4.2.2.10 Verschmelzen dicht angrenzender Knoten...............................................205
4.2.2.11 Zuordnen von Material ..................................................................................206
4.2.2.12 Zuordnen des Querschnitts...........................................................................206
4.2.2.13 Erzeugen der Einspannung............................................................................207
4.2.2.14 Erzeugen der vorgegebenen Verschiebung ..............................................208
4.2.2.15 Lösungen berechnen.......................................................................................209
4.2.2.16 Ermitteln der Reaktionskraft........................................................................209
Inhalt
11

Inhalt
12
4.2.2.17 Ermitteln der maximalen Zughauptspannung.........................................211
4.2.2.18 Schlussfolgerungen für die Konstruktion..................................................212
4.2.2.19 Änderung der Konstruktion und Neuanalyse...........................................212
4.2.3 Eigenfrequenzen des Fahrzeugrahmens ............................................................................215
4.2.3.1 Aufgabenstellung.............................................................................................215
4.2.3.2 Klonen eines ähnlichen Modells..................................................................216
4.2.3.3 Erzeugen einer Punktmasse am Rahmen ..................................................217
4.2.3.4 Einfügen einer Lösung für Eigenfrequenzen ............................................218
4.2.3.5 Zuweisen der Randbedingungen zur neuen Lösung ..............................219
4.2.3.6 Berechnen und Bewerten der Schwingungsformen und Frequenzen220
4.2.3.7 Bewerten sonstiger Ergebnisgrößen...........................................................221
4.2.4 Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit Kontakt ..............................................................225
4.2.4.1 Aufgabenstellung.............................................................................................225
4.2.4.2 Notwendigkeit für nichtlinearen Kontakt.................................................226
4.2.4.3 Funktionsweise des nichtlinearen Kontakts.............................................226
4.2.4.4 Laden der Baugruppe und Erzeugen der Dateistruktur.........................228
4.2.4.5 Kontaktspezifische Parameter in der Lösungsmethode ........................229
4.2.4.6 Symmetrieschnitte, Vereinfachungen und Materialeigenschaften ...231
4.2.4.7 Erzwingen einer übereinstimmenden Vernetzung im
Kontaktbereich..................................................................................................231
4.2.4.8 Netzverfeinerung im Kontaktbereich .........................................................233
4.2.4.9 Vernetzung mit linearen Tetraedern...........................................................234
4.2.4.10 Definition von Randbedingungen und weichen Federlagerungen.....235
4.2.4.11 Definition des Kontaktbereichs....................................................................236
4.2.4.12 Erzeugung der Schraubenkraft.....................................................................238
4.2.4.13 Lösungen berechnen und Ergebnisse beurteilen.....................................238
4.3 Lernaufgaben Basic Nichtlineare Analyse (Sol 106).......................................... 241
4.3.1 Analyse der Blattfeder mit großer Verformung...............................................................241
4.3.1.1 Aufgabenstellung.............................................................................................241
4.3.1.2 Notwendigkeit für geometrisch nichtlineare Analyse...........................241
4.3.1.3 Funktionsweise der geometrisch nichtlinearen Analyse.......................242
4.3.1.4 Überblick über die Lösungsschritte.............................................................243
4.3.1.5 Vorbereitungen und Erzeugung der Lösung für lineare Statik............243
4.3.1.6 Mittelfläche erzeugen und der Polygongeometrie zufügen ................244
4.3.1.7 Kantenunterteilung an der Polygongeometrie ........................................245
4.3.1.8 Vernetzung für Analysen mit nichtlinearer Geometrie.........................246
4.3.1.9 Erzeugung der Randbedingungen ...............................................................247

4.3.1.10 Erzeugung der Lasten für zwei Lastfälle...................................................247
4.3.1.11 Erzeugung einer zweiten Lösung für lineare Statik...............................248
4.3.1.12 Erzeugung der Lösungen für nichtlineare Statik....................................249
4.3.1.13 Automatisches Abarbeiten aller Lösungen...............................................250
4.3.1.14 Gegenüberstellen und Bewerten der Ergebnisse ....................................251
4.3.2 Plastische Verformung des Bremspedals...........................................................................253
4.3.2.1 Aufgabenstellung ............................................................................................254
4.3.2.2 Effekte bei Plastizität .....................................................................................254
4.3.2.3 Vorbereitungen und Erzeugen der Lösung ...............................................256
4.3.2.4 Vereinfachen der Geometrie.........................................................................256
4.3.2.5 Vernetzung für plastische Analyse .............................................................257
4.3.2.6 Definieren der plastischen Materialeigenschaften ................................258
4.3.2.7 Definieren der Randbedingungen ...............................................................260
4.3.2.8 Definieren der Lastschritte für Be- und Entlastung ..............................260
4.3.2.9 Lösungen berechnen und bewerten ...........................................................261
4.4 Lernaufgaben advanced nichtlinear (Sol 601) ....................................................263
4.4.1 Schnapphaken mit Kontakt und großer Verformung ....................................................263
4.4.1.1 Aufgabenstellung ............................................................................................264
4.4.1.2 Vorbereitungen und Erzeugung der Lösung.............................................264
4.4.1.3 Optionales Importieren der vorbereiteten Geometrie...........................264
4.4.1.4 Verändern der Baugruppenposition im idealisierten Teil.....................265
4.4.1.5 Vereinfachen der Geometrie.........................................................................267
4.4.1.6 Entfernen von störenden Kanten ................................................................268
4.4.1.7 Hexaedervernetzung und Verfeinerung ....................................................269
4.4.1.8 Definition der Materialeigenschaften........................................................271
4.4.1.9 Definition der Kontaktflächen .....................................................................271
4.4.1.10 Definieren eines zeitabhängigen Verfahrwegs........................................272
4.4.1.11 Definieren der weiteren Randbedingungen .............................................276
4.4.1.12 Aktivierung der Option für große Verformungen ...................................276
4.4.1.13 Lösungsversuch ohne automatisches Zeitschrittverfahren .................277
4.4.1.14 Interpretation des Lösungsverlaufs anhand der f06-Datei..................278
4.4.1.15 Steuerparameter zur Erreichung einer konvergenten Lösung 601....279
4.4.1.16 Weitere Empfehlungen für konvergente Lösungen ...............................280
4.4.1.17 Lösung mit automatischem Zeitschrittverfahren...................................280
Inhalt
13

Inhalt
14
5 Advanced-Simulation (CFD).................................................................................... 283
5.1 Prinzip der numerischen Strömungsanalyse ....................................................... 284
5.2 Lernaufgaben (NX-Flow) ......................................................................................... 285
5.2.1 Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil.........................................................285
5.2.1.1 Aufgabenstellung.............................................................................................285
5.2.1.2 Erstellen der Dateistruktur und Auswahl der Lösung............................286
5.2.1.3 Zeitschrittgröße und Konvergenzsteuerung.............................................287
5.2.1.4 Auswahl eines Turbulenzmodells.................................................................288
5.2.1.5 Weitere Optionen des Lösungselements ...................................................290
5.2.1.6 Erstellen des Strömungsraums.....................................................................291
5.2.1.7 Materialeigenschaften für Luft zuordnen.................................................294
5.2.1.8 Entfernung von Miniflächen.........................................................................295
5.2.1.9 Erstellung von Gitterverknüpfungen ..........................................................295
5.2.1.10 Hexaedervernetzung des Strömungsraums..............................................296
5.2.1.11 Übersicht über Strömungs-Randbedingungen ........................................298
5.2.1.12 Einlass mit Geschwindigkeitsrandbedingung definieren......................302
5.2.1.13 Auslassöffnung definieren.............................................................................302
5.2.1.14 Randbedingung für das Flügelprofil ...........................................................303
5.2.1.15 Randbedingung „Reibungsfreies Gleiten“ an den übrigen Wänden..304
5.2.1.16 Durchführen der Lösung ................................................................................304
5.2.1.17 Beobachten des Lösungsfortschritts ..........................................................304
5.2.1.18 Ergebnis der Druckverteilung und des Auftriebs.....................................306
5.2.1.19 Darstellen der Geschwindigkeiten...............................................................308
Literatur ................................................................................................................................ 311
Farbplots ................................................................................................................................ 313
Funktionsindex der Lernaufgaben ...................................................................................... 327
Begriffsindex........................................................................................................................... 334

1 Einleitung
Die Ingenieurwissenschaften zählen zu den wichtigsten Aufgaben für die Entwicklung
innovativer Produktlösungen. Der konstruktiven Auslegung, Gestaltung und
Detaillierung kommt dabei eine entscheidende Rolle zu. Ebenso wichtig ist allerdings
auch die Voraussage des Produktverhaltens unter verschiedenen Nutzungsszenarien
und Betriebszuständen. Gerade vor dem Hintergrund der rasanten Entwicklung
der Informations- und Kommunikationstechnologie sowohl durch die
zunehmenden Leistungsmerkmale der Hardware wie auch der Software, wie auch
durch die steigende Integrationstiefe von Anwendungssoftwaresystemen gelingt es
immer besser rechnergestützte, numerische Simulationsverfahren und rechnerunterstützte
Konstruktionsverfahren aufeinander abzustimmen.
Virtualität
3D-CAD 3D-CAD
Virtuelle Virtuelle Produktentwicklung
Produktentwicklung
Functional Functional Digital Digital Mockup Mockup
Digital Digital
Mockup Mockup
Virtueller Virtueller
Prototyp/ Prototyp/
virtuelles virtuelles
Produkt Produkt
+ Geometrie
+ Zusammenbau- + Funktionale
+ Baugruppeninformation information
struktur
+ Material
+ Features
+ (Software
+ Parametrik
Logik)
Produktdatenmanagement
Virtuelle Virtuelle
Fabrik Fabrik
+ Fertigung
+ Controlling
+ Logistik
+ Finanzen
+ Marketing...
Informationsintegration
Die Informations- und Kommunikationstechnologie hat auf das Leistungsprofil des
Produktentwicklungsprozesses einen entscheidenden Einfluss bekommen. Dieser
Einfluss resultiert aus
- der schnellen Informationsgewinnung aus weltweit verfügbaren Quellen,
- der Verfügbarkeit von neuen, rechnerbasierten Methoden zur Produktentwicklung
und -konstruktion wie die zur Produktmodellierung (CAD), zur Auslegungs-
und Nachweisrechnung (FEM, MKS, CFD), zur schnellen Validierung
und Verifikation (z.B. über Digital Mock Ups, DMU), zur schnellen Prototypher-
Stufen der virtuellen
Produktentwicklung
Einfluss der Informationstechnik
auf die Produktentwicklung
15

1 Einleitung
3D-CAD ist Grundlage.
DMU
Die wichtigsten Simulationsverfahren
sind die
FEM, MKS und CFD.
16
stellung (Virtual und Rapid Prototyping) sowie den Methoden zur Weiterverarbeitung
von Produktdaten in Prozessketten (CAX-Prozessketten) und
- der Abbildung aufbau- und ablauforganisatorischer Strukturen in Produktdatenmanagementsystemen
(PDM) mit der Bereitstellung der Produktentwicklungsergebnisse
per Mausklick.
Durch den bereits sehr hohen Durchdringungsgrad des Produktentwicklungsprozesses
mit Rechnerunterstützung wurde auch der Begriff der virtuellen Produktentwicklung
geprägt. Die virtuelle Produktentwicklung kann über mehrere Stufen erreicht
werden (siehe Abbildung). Sie führen über
- 3D CAD,
- Digital Mock Ups,
- virtuellen Prototypen bis zum
- virtuellen Produkt und auch zur
- virtuellen Fabrik.
Der Einsatz von 3D-CAD ist dabei die Grundlage zur dreidimensionalen Beschreibung
der Produktgeometrie. Diese Produktbeschreibung bezieht sich dabei sowohl
auf die Einzelteilmodellierung wie auch auf die Baugruppenmodellierung. Vielfach
erfolgt diese Modellierung featurebasiert und parametrisch.
Digital Mock Ups (kurz DMU, im Deutschen auch als digitale Attrappe bezeichnet)
repräsentieren hauptsächlich die Produktstruktur sowie die approximierte Geometrie
der Einzelteile und Baugruppen auf der Basis von Volumen- und Flächengeometrien.
Wurden auch Materialeigenschaften zum Volumen zugewiesen, so sind Gewicht,
Schwerpunktlagen sowie Trägheitsmomente und -tensoren berechenbar.
Digital Mock Ups werden insbesondere zur Simulation von Ein- und Ausbauvorgängen
sowie für Kollisionsprüfungen eingesetzt.
Digitale Prototypen besitzen neben der Repräsentation der 3D-dimensionalen Geometrie
von Einzelteilen und Baugruppen, der Materialeigenschaften, sowie der Produktstruktur
auch physikalische Eigenschaften. Damit sind sie in der Lage, im Rahmen
der modellierten Merkmale eine Simulation des physikalischen Produktverhaltens
zu berechnen und auch grafisch darzustellen. Digitale Prototypen werden meist
disziplinenspezifisch erstellt, also für z.B. die mechanische Festigkeitsberechnung,
die Bewegungssimulation oder die Strömungssimulation. Die wichtigsten dazu eingesetzten
Verfahren sind die Finite-Elemente-Methode (FEM, im Englischen auch
häufig als Finite Element Analysis, kurz FEA bezeichnet), die Mehrkörpersimulation
(MKS, im Englischen auch als Multi Body Simulation, kurz MBS, bezeichnet) und
die Strömungssimulation (im Englischen als Computational Fluid Dynamics bezeichnet).
Der Begriff virtuelles Produkt fasst mehrere physikalische Eigenschaften eines Produktes
zusammen, ergänzt auch logische Abhängigkeiten und vereinigt sie interoperabel
in einem gemeinsamen Produktmodell.

1.1 Beispielsammlung, Voraussetzungen und Lernziele
Der Begriff virtuelle Fabrik bezieht sich auf die modellhafte Abbildung der Objekte
einer Fabrik mit ihren physikalischen Eigenschaften und der Herstellungsprozesse.
Auch hierbei ist das Ziel, mit Hilfe von Simulationsverfahren die einzelnen Abläufe
der Fertigung, der Montage und auch der Prüfung simulieren zu können.
Die in den jeweiligen Anwendungssoftwaresystemen entstehenden Produktdaten
werden schließlich nach den aufbau- und ablauforganisatorischen Strukturen in
einem Produktdatenmanagementsystem (kurz PDM-System) gespeichert.
Durch die zunehmende Einführung von 3D-CAD-Systemen in die industrielle Praxis
zeigt sich auch, dass der Bedarf an integrierten numerischen Simulationsverfahren
steigt. Das Ziel ist es dabei, die 3D-Produktdaten zu vielfältigen Aufgaben weiterzuverarbeiten,
um das Ergebnis des Produktentwicklungsprozesses bereits in der
digitalen Welt zu optimieren und damit das geforderte Anforderungsprofil möglichst
maximal zu erfüllen.
1.1 Beispielsammlung, Voraussetzungen und Lernziele
Ausgehend von der Zielsetzung, 3D-CAD-Daten zur Nachrechnung, Simulation und
Optimierung zu verwenden, ergibt sich die Frage, wie können 3D-CAD-Daten weiter
genutzt werden. Dazu wurden in diesem Lehrbuch für die Verfahren der Finite-
Elemente-Methode, der Mehrkörpersimulation und der Strömungssimulation repräsentative
Beispielszenarien entwickelt, anhand derer die Integration von Berechnungen
und Simulationen dargestellt werden. Die dabei aufgezeigten Szenarien
basieren auf dem 3D-CAD-System Unigraphics-NX4 und den Berechnungs- und
Simulationssystemen der NX Nastran-Reihe.
Um dem Leser das Verständnis für die Methodik zu erleichtern und die Einarbeitung
zu verkürzen, wurde für die Lernaufgaben dieses Buchs eine einzige zusammenhängende
Baugruppe ausgewählt. Es handelt es sich dabei um das CAD-Modell des
legendären Opel Rak2, das in der Vergangenheit am Institut für Datenverarbeitung
in der Konstruktion (DiK) der technischen Universität Darmstadt (TUD) in studenti-
Im PDM-System werden
alle anfallenden Produktdaten
gespeichert.
Die Lerninhalte werden
anhand von Methodikbeispielen
vermittelt.
Der Opel Rak2 bildet die
Beispielsammlung.
17

1 Einleitung
Einige Beispielbilder der
Lernaufgaben
Voraussetzungen
18
schen Projekten erstellt wurde, wofür an dieser Stelle allen Beteiligten herzlich gedankt
sein soll. Alle CAD- und Berechnungsdaten, die in den Lernaufgaben gebraucht
oder erstellt werden, liegen auf der beiliegenden CD vor und sollten vom
Leser zum Nachvollziehen der Beispiele genutzt werden.
Die Lerninhalte werden also anhand von aus dem Leben gegriffenen Beispielen
vermittelt. Funktionen des NX-Systems werden niemals isoliert, sondern immer in
Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert. Weil dies dem Lernen durch reale
Projekte ähnelt, ist diese Methode effizient, einprägsam und didaktisch modern.
Die einzelnen Kapitel sind so strukturiert, dass sie zwar das didaktische Konzept des
kontinuierlichen Lernfortschritts verfolgen, jedoch Grundlagen im Arbeiten mit 3D-
CAD, insbesondere Unigraphics NX4 voraussetzen. Vorausgesetzt werden daher
Kenntnisse für den Aufbau von parametrischen 3D-Modellen und Baugruppen so-

wie allgemeines technisches Verständnis, so wie es in technischen Berufsausbildungen
üblicherweise vermittelt wird.
Ziel ist es, dem Studenten, Konstrukteur oder Berechnungsingenieur einen Einstieg
zu vermitteln, der es ihm ermöglicht, einfache Aufgaben der Finite-Elemente-
Methode, der Mehrkörpersimulation und der Strömungssimulation mit Unigraphics
NX4 selbst zu lösen und ein Verständnis für diese Technologien zu entwickeln. Es
darf jedoch nicht erwartet werden, dass komplexe praktische Probleme mit dem
vermittelten Wissen sofort lösbar sind. Dies wäre ein wahnwitziger Anspruch. Vielmehr
entwickelt sich ein Anfänger zum Experten, indem er im Laufe der Zeit möglichst
viele praktische Aufgaben durcharbeitet und daran Erfahrungen sammelt.
Sein Erfahrungsschatz ergibt sich aus den erfolgreich erarbeiteten Projekten. Dieses
Buch vermittelt mit seinen Lernbeispielen wichtige grundlegende Erfahrungen und
bildet so den Grundstock für einen beliebig erweiterbaren Erfahrungsschatz.
1.2 Arbeitsumgebungen
Mechanische Problemstellungen erlauben eine Unterteilung in die drei Klassen starre
Körper, flexible Körper und Fluide. Starrkörpersysteme werden dabei mit Mehrkörpersimulationsprogrammen
(MKS), flexible Körper mit Programmen für Finite-
Elemente-Methode (FEM) und Strömungsaufgaben mit Computational Fluid Dynamics
(CFD) berechnet.
Starre Körper
Starrkörpermechanik
MKS (Mehr-Körper-
Systeme)
-Mechanik -
Flexible Körper
Strukturmechanik
FEM (Finite-
Elemente-Methode)
Fluide
Strömungsmechanik
CFD (Computational
Fluid Dynamics)
Dementsprechend gibt es in Unigraphics NX4 mehrere Arbeitsumgebungen im Bereich
der digitalen Simulation. Diese sind (neben einigen anderen, die hier nicht
behandelt werden):
- „Kinematik“ (Motion-Simulation) für Bewegungssimulationen mit MKS,
- „FEM – Finite-Elemente-Methode“ (Design-Simulation) für einfache Strukturmechanik,
die konstruktionsbegleitend eingesetzt werden kann, und
- „Erweiterte Simulation“ (Advanced-Simulation) für
o komplexe Strukturmechanik auch nichtlinearer Effekte mit FEM und
o Strömungssimulation mit CFD.
Die Arbeitsumgebungen haben eine gemeinsame Oberfläche, und die verfügbaren
Funktionen hängen von der jeweils vorhandenen Lizenz ab. In diesem Buch wird
1.2 Arbeitsumgebungen
Ziel ist der Aufbau eines
grundlegenden Erfahrungsschatzes.
Die Mechanik kann grob
in drei Teile gegliedert
werden.
Das NX-System stellt für
digitale Simulation drei
Module bereit.
19

Funktionsindex der Lernaufgaben
328
Schieber (Slider) Kollisionsprüfung am Gesamtmodell
der Lenkung
Zylindergelenk (Cylinder) Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik,
Schraubgelenk (Screw) Erläuterung 29
Kardangelenk (Universal) Erläuterung 29
Kugelgelenk (Sphere)
Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik,
60
Kollisionsprüfung am Gesamtmodell
der Lenkung
76
Planargelenk (Planar) Erläuterung 30
Fixgelenk (Fix) Fallversuch am Fahrzeugrad 86
Zahnstange und Ritzel (Rack
and Pinion)
Erläuterung 30
Zahnradpaar (Gear) Lenkgetriebe 46
Kabel (Cable)
Kontakte:
Erläuterung 30
Punkt auf Kurve Erläuterung 30
Kurve an Kurve Erläuterung 30
Punkt auf Fläche Erläuterung 30
3D Kontakt Fallversuch am Fahrzeugrad 87
2D Kontakt
Feder, Dämpfer:
Erläuterung 30
Feder (Spring) Erläuterung 30
Dämpfer (Damper) Erläuterung 31
Buchse (Bushing)
Kräfte:
Erläuterung 31
Skalare Kraft Erläuterung 31
Skalares Moment Erläuterung 31
Vektor Kraft Erläuterung 31
Vektor Moment
weitere:
Erläuterung 31
Intelligenter Punkt Erläuterung 31
44, 78
61

Funktionsindex der Lernaufgaben
Markierung Erläuterung 31
Objekt bearbeiten
Geom. Berechnung:
Erläuterung 31
Durchdringung (Collision) Kollisionsprüfung am Gesamtmodell
der Lenkung
81
Messen (Measure) Erläuterung 31
Zeichen (Trace)
Simulationsmethoden:
Fallversuch am Fahrzeugrad 91
Lenkgetriebe 42
Animation
Fallversuch am Fahrzeugrad 91
Artikulation Kollisionsprüfung am Gesamtmodell
der Lenkung
77, 80
Graphenerstellung Top-down-Entwicklung der Lenkhebelkinematik,
63
Tabellenkalkulation ausführen
(Spreadsheet Run)
Erläuterung 32
Transfer Laden (Load Transfer) Erläuterung 32
Design/Advanced-Simulation Basisfunktionen
Name Lernaufgabe(n) / Erläuterung: Seite:
Finitelementmodell aktualisieren
(Update Finite Element
Model)
Modellvorbereitung:
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 149
Geometrie optimieren (Idealize Erläuterung
Geometry)
Steifigkeit des Fahrzeugrahmens
116
174
Plastische Verformung des Bremspedals
256
Defeature Geometry Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 123
Zerlegungsmodell
Model)
(Partition Erläuterung 234
Mittelfläche (Midsurface) Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 176
329

Funktionsindex der Lernaufgaben
330
Zusammenfügen (Sew) Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 177
Fläche unterteilen (Subdivide Erläuterung 116
Face)
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 146
Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 178
Materialeigenschaften (Material Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 113,
Properties)
139
Temperaturfeld in einer Rakete
(Sol153)
Lasten:
159
Kraft (Force)
Erläuterung 128
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 127
Lager (Bearing) Erläuterung 128
Druck (Pressure) Erläuterung 128
Erdanziehungskraft (Gravity) Erläuterung 128
Temperaturlast (Temperature
Load)
Erläuterung 128
Moment Erläuterung 128
Drehmoment (Torque) Erläuterung 128
Hydrostatischer Druck Erläuterung 128
Zentrifugalkraft (Centrifugal)
Constraints:
Erläuterung 128
Feste Randbedingung (Fixed Erläuterung 132
Constraint) Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 129
Erläuterung 132
Feste Verschiebungsrandbedingung
(Fixed Translation
Constraint)
Feste Rotationsrandbedingung
(Fixed Rotation Constraint)
Erzwungene Verschiebungsrandbedingung
(Enforced
Displacement Constraint)
Einfach unterstützte Randbedingung
(Simply Supported
Constraint)
Erläuterung 132
Erläuterung 132
Schnapphaken mit Kontakt und großer 273
Verformung
Erläuterung
132

Verstiftet (Pinned Constraint)
Zylindrische Randbedingung
(Cylindrical Constraint)
Schiebereglerrandbedingung
(Slider Constraint)
Rollenrandbedingung (Roller
Constraint)
Symmetrische Randbedingung
(Symmetric Constraint)
Antisymmetrische Randbedingung
(Anti-Symmetric
Constraint)
Anwenderdefinierte Randbedingung
(User Defined
Constraint)
Funktionsindex der Lernaufgaben
Erläuterung 132
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 130
Plastische Verformung des Bremspedals
260
Erläuterung 132
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 130
Erläuterung 132
Erläuterung 132
Erläuterung 132
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 131
Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 193
Erläuterung 132
Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 183,
193
Thermal Constraints Temperaturfeld in einer Rakete
(Sol153)
Konvektion erzeugen (Create
Convection)
Vernetzung:
Gitterverknüpfungsbedingung
(Mesh Mating Condition)
3D Tetraeder Gitter (3D Tetrahedral
Mesh)
Temperaturfeld in einer Rakete
(Sol153)
162
162
Temperaturfeld in einer Rakete 160
(Sol153)
Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit 231
Kontakt
Strömungsverhalten und Auftrieb am 295
Flügelprofil
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 126,
141
Temperaturfeld in einer Rakete 161
(Sol153)
Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit 234
Kontakt
331

Funktionsindex der Lernaufgaben
332
Gitter mit 3D-Extrusion (3D-
Swept Mesh)
Schnapphaken mit Kontakt und großer
Verformung
Strömungsverhalten und Auftrieb am
Flügelprofil
2D Gitter (2D-Mesh) Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 170,
180
1D Gitter (1D-Mesh) Auslegung einer Schraubenfeder 198,
203
1D Element Schnitt (1D Element
Section)
Auslegung einer Schraubenfeder 202
0D-Gitter (0D Mesh)
weiteres:
Eigenfrequenzen des Fahrzeugrahmens 217
Attribute Editor Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 149
Check
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 143
- Elementformen
Steifigkeit des Fahrzeugrahmens 185
- Elementnormalen
- Doppelte Knoten
Auslegung einer Schraubenfeder 206
Identifizieren (Identify)
Lösen (Solve) Alle Beispiele
Postprozessor Alle Beispiele
269
296
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 139
Auslegung einer Schraubenfeder 210
Funktionen nur in Advanced-Simulation FEM/CFD
Name Lernaufgabe(n) / Erläuterung: Seite:
Geom. autom. reparieren
(Auto heal Geometry)
Erläuterung 245
Kante teilen (Split
Edge)
Fläche teilen (Split
Face)
Erläuterung 245
Analyse der Blattfeder mit großer Verformung 245
Erläuterung 116,
245

Kante vereinigen
(Merge Edge)
Fläche vereinigen
(Merge Face)
Erläuterung 245
Funktionsindex der Lernaufgaben
Erläuterung 117,
245
Kerbspannung am Lenkhebel (Sol101) 148
Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügel- 295
profil
An Kante anpassen
(Match Edge)
Erläuterung 245
Kante zusammenfassen
(Collapse Edge)
Erläuterung 245
Flächenreparatur (Face
repair)
Erläuterung 245
Zurücksetzen (Reset)
Simulationsobjekte:
Erläuterung 245
Fläche-zu-Fläche Kontakt
(Surf to Surf Contact)
Klemmsitzanalyse am Flügelhebel mit Kontakt 236
Eingang (Inlet) Erläuterung 300
Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil
302
Auslass (Outlet) Erläuterung 300
Interner Ventilator
(Internal Fan)
Erläuterung 300
Umlaufende Schleifen Erläuterung 300
Öffnung (Opening) Erläuterung 300
Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil
302
Begrenzungsflussoberfläche
(Boundary Flow
Surface)
Erläuterung 298
Strömungsverhalten und Auftrieb am Flügelprofil
303
333

334
Begriffsindex
3D-Kontakt ........................................ 87
A
Abhebende Kontakte ........................ 83
adiabatisch .......................................300
ADINA ..............................................168
Anregung .........................................222
Antrieb................................................ 44
Auftrieb ............................................306
Auslassöffnung................................302
B
Balkenelement ........................ 200, 203
Balkenquerschnitt ...........................202
Beschränkung bei MKS .................... 24
Bestimmte Freiheitsgrade................. 25
Bewegungskörper.............................. 86
Bewertung der Genauigkeit ...........105
Bibliothek........................................... 85
Blattfeder................................. 241, 332
C
CFD ...................................................283
D
Dämpfung ................................. 89, 222
DMU.................................................... 16
drehbare Lagerung..........................130
Drehfreiheitsgrad.............................192
Drehgelenke ....................................... 39
Druckverteilung...............................306
Dynamik.......................................36, 83
dynamische Viskosität....................295
E
Eigenfrequenzen.............100, 215, 332
Einheiten ............................................ 46
Einlass...............................................302
Elastizitätsmodul............................. 114
Erhaltungsgleichungen .................. 284
F
f06-Datei.......................................... 278
Finite-Volumen-Methode .............. 284
Flächenunterteilungen ................... 116
FVM .................................................. 284
G
geometrisch nichtlineare Analyse 241
Gitterpunkt ...................................... 201
Gitterverknüpfungen...................... 295
Graphenerstellung ............................ 63
große Verformung .. 98, 241, 263, 277
H
Hexaedervernetzung...............269, 296
Hook’sches Gesetz............................. 97
K
Kantenunterteilung......................... 245
K-Epsilon-Turbulenzmodell .......... 289
Kerbspannung........105, 329, 330, 331,
332, 333
Klemmsitz ........................................ 225
Klonen .............................................. 216
Kollisionsprüfung ............................. 81
Kontakt............................263, 330, 332
Kontakt-Nichtlinearität.................... 97
Konvektionsrandbedingung .......... 162
Konvergenz...................................... 150
Konvergenzkriterium...................... 288
Konvergenznachweis...................... 151
Konvergenzsteuerung..................... 306
Kopplungselemente ........................ 192
Körperwände ................................... 298
Kugelgelenk ....................................... 76

L
Lasttypen ..........................................128
Lineare Statik.....................................95
lineare Tetraeder..............................234
Lineares Beulen................................102
M
Masseneigenschaften ........................38
Master-Model-Concept .....................32
Materialeigenschaften... 113, 159, 294
maximale Zughauptspannung.......211
Miniflächen ......................................295
Mittelfläche .............................176, 188
Motion-Joint-Wizard........................33
N
Netzfeinheit........................................99
Netzsteuerung ..................................149
Netzverbindung ...............................160
Netzverfeinerung.............................233
Nichtlineare Effekte ..........................97
nichtlineare Geometrie ...................277
nichtlinearer Kontakt......................226
Nichtlineares Material.......................98
Nietverbindungen.......... 186, 189, 191
numerischer Fehler..........................151
O
Oberflächenrauhigkeit ....................299
Öffnungen ........................................300
Opel Rak2 ...........................................17
P
PDM.....................................................17
Plastische Verformung . 253, 329, 331
Plastizität..........................................254
Polygongeometrie ..................147, 245
Polygonkörper .................................111
Postprozessor ...................................134
Presspassung ....................................225
Prinzip der linearen FEM .................96
Prüfung der Elementformen ..........143
Punktmasse ......................................217
Q
Querkontraktionszahl .....................114
R
Randbedingungen ...........................132
Reaktionskraft .................................209
redundante Freiheitsgrade .........36, 59
Reibung .............................................. 88
Reibungsfreies Gleiten....................304
Rotationsfreiheitsgrade ..................171
S
Schalenelemente..............................171
Schiebegelenk.................................... 78
Schnapphaken ................263, 330, 332
Schraubenfeder................................197
Schraubenkraft ................................238
Simulation File View ......................110
Singularitäten ......................... 100, 152
Sol 101 .............................................167
Sol 103 .............................................167
Sol 106 .............................................167
Sol 601 .............................................168
Spannelement ..................................225
Standardvernetzung........................126
Strömungsanalyse...........................284
Strömungs-Randbedingungen.......298
Strömungsraum...............................291
Symmetrie ........................................157
Symmetrierandbedingung..............193
T
Temperaturfeld ...............155, 330, 331
Temperaturrandbedingung ............162
Thermotransfer ................................101
Toleranzen.......................................... 60
Top-down-Methode .......................... 51
Totwassergebiet...............................309
Transportgleichungen.....................284
Turbulenzmodell ..............................288
Begriffsindex
335

Begriffsindex
336
U
überbestimmte Freiheitsgrade ......... 36
übereinstimmende Vernetzung .....231
unbestimmte Freiheitsgrade............. 25
V
variable Positionierung ..................266
Ventilatoren .....................................300
Verbindung ............................. 181, 186
Verfeinerung....................................145
Verformungsergebnisse..................136
Verschmelzen von Knoten.............205
virtuelle Produktentwicklung.......... 15
Voreinstellungen.........................21, 90
vorgegebene Verschiebung ........... 208
vorgespannte Lagerungen ............. 197
W
Wandstärke...................................... 180
Wärmeaustausch............................. 300
weiche Federlagerungen ........235, 236
Z
Zahnradpaar ...................................... 46
zeitabhängiger Verfahrweg ........... 272
Zeitschritt......................................... 306
Zeitschrittgröße............................... 287
Zeitschrittverfahren........................ 280
Zylindergelenk .................................. 61