Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig [4. Aufl.] 9783658315603, 9783658315610

Citation preview

Sándor Vajna  Hrsg. Andreas Wünsch · Fabian Pilz

Siemens NX für Fortgeschrittene – kurz und bündig 4. Auflage Inklusive SN Flashcards Lern-App

Siemens NX für Fortgeschrittene – kurz und bündig

Sándor Vajna (Hrsg.) Andreas Wünsch • Fabian Pilz

Siemens NX für Fortgeschrittene – kurz und bündig 4., überarbeitete und aktualisierte Auflage

Andreas Wünsch Braunschweig, Deutschland

Fabian Pilz Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Magdeburg,, Deutschland

Hrsg. Sándor Vajna Weinheim, Deutschland

ISBN 978-3-658-31560-3 ISBN 978-3-658-31561-0 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2015, 2017, 2019, 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Lektorat: Thomas Zipsner Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany

Vorwort zur 4. Auflage Am Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik (LMI) an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg werden Studierende seit mehr als 25 Jahren an den führenden 3DCAx-Systemen mit dem Ziel ausgebildet, die Grundfertigkeiten in der Anwendung der CAx-Technologie zu erwerben, ohne sich dabei nur auf ein einziges System zu spezialisieren. Dazu bearbeiten die Studierenden auf ihrem Weg zum Bachelor- oder Masterabschluss eine große Anzahl von Übungen allein oder gemeinsam im Team mit mindestens vier verschiedenen CAx-Systemen. In diesem Buch wird dem Leser der Umgang mit den grundlegenden Funktionen des CAx-Systems Siemens NX vermittelt. Dabei werden die vielfältigen Erfahrungen genutzt, welche während dieser Ausbildung gesammelt werden. Der Fokus des vorliegenden Buches liegt auf einer kurzen und verständlichen Darstellung der weiterführenden Funktionen von Siemens NX in der Version Continuous Release 1872 eingewoben in praktische Übungsbeispiele. Somit kann der Leser, parallel zur Erläuterung der Funktionen, das Erlernte sofort praktisch anwenden und festigen. Dabei können natürlich nicht alle Details behandelt werden. Es werden aber stets Anregungen zum weiteren selbstständigen Ausprobieren gegeben, denn nichts ist beim Lernen wichtiger als das Sammeln eigener Erfahrungen. Das Buch wendet sich an Studierende und Ingenieure, die bereits über Erfahrungen in der Arbeit mit dem CAD-Modul von NX verfügen. Es soll sie beim Selbststudium unterstützen und zur weiteren Beschäftigung mit dem System anregen. Existieren keine Vorkenntnisse in NX, wird auf den Einsteigerband dieser Reihe verwiesen. Durch den Aufbau des Textes in Tabellenform kann das Buch nicht nur als Schrittfür-Schritt-Anleitung, sondern auch als Referenz für die tägliche Arbeit mit dem System genutzt werden. Das Sachwortverzeichnis am Ende des Buches wirkt dabei zusätzlich unterstützend. In der vorliegenden vierten Auflage wurden die Übungsbeispiele an die Funktionen von NX Continuous Release 1872 angepasst sowie an einigen Stellen zusätzliche Erläuterungen der Funktionen ergänzt. Zudem wurden die englischen Bezeichnungen der verwendeten Funktionen hinzugefügt. Kritische Modellierungsschritte werden weiterhin zusätzlich durch Videos dargestellt, welche über QR-Codes abrufbar sind. Wir als Autoren sind dankbar für jede Rückmeldung und Anregung aus dem Kreis der Leser zum Inhalt des Buches sowie zur Vorgehensweise der Modellierung, welche uns per E-Mail erreicht ([email protected]). Besonderer Dank geht an Herrn Thomas Zipsner und an alle beteiligten Mitarbeiter des Verlags Springer Vieweg für die engagierte und sachkundige Zusammenarbeit bei der Erstellung des Buches. Magdeburg, im Juni 2020

Dr.-Ing. Andreas Wünsch Fabian Pilz, M.Sc. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Sándor Vajna

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ............................................................................................................ 1 1.1 Erweiterte Parametrik ................................................................................... 3 1.2 Master-Modell-Konzept ............................................................................... 6 1.3 Kontrollfragen .............................................................................................. 8 2 Top-Down-Modellierung .................................................................................... 9 2.1 WAVE-Geometrie-Linker ............................................................................ 9 2.2 Bauteilübergreifende Parameter ................................................................. 21 2.3 Kontrollfragen ............................................................................................ 30 3 Teilefamilien ...................................................................................................... 31 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Teilefamilie einer Lochplatte ..................................................................... 31 Teilefamilie einer Passfeder ....................................................................... 37 Ablegen in der Wiederverwendungsbibliothek .......................................... 52 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks ..................................................... 54 Kontrollfragen ............................................................................................ 72

4 Deformierbare Teile ......................................................................................... 73 4.1 Parameterbasierte Deformation einer Feder ............................................... 73 4.2 Referenzbasierte Deformation eines O-Rings ............................................ 82 4.3 Kontrollfragen ............................................................................................ 88 5 User Defined Features (UDF) .......................................................................... 89 5.1 UDF-Bibliotheken ...................................................................................... 89 5.2 UDF für eine Passfedernut ......................................................................... 93 5.3 Kontrollfragen .......................................................................................... 107 6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM ............................................... 108 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Grundlagen ............................................................................................... 108 FE-Simulation eines einfachen Blechteils ................................................ 115 FE-Simulation eines Tankbehälters.......................................................... 125 FE-Simulation eines Kurbelarms ............................................................. 137 Ausgewählte Funktionen und Hinweise ................................................... 150 Kontrollfragen .......................................................................................... 153

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS............................................... 154 7.1 Grundlagen ............................................................................................... 154 7.2 Simulation eines Kurbeltriebs .................................................................. 157 7.3 Kontrollfragen .......................................................................................... 192

VIII

Inhaltsverzeichnis

8 Optimierung .................................................................................................... 193 8.1 Optimierung einer Getränkedose in der Konstruktion ............................. 193 8.2 Optimierung eines Kurbelarms in der Simulation .................................... 204 8.3 Kontrollfragen .......................................................................................... 214 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 215 Sachwortverzeichnis ............................................................................................. 216

1

Einleitung NX ist ein leistungsfähiges CAx-System, welches zur Unterstützung des gesamten Produktentwicklungs- und Fertigungsprozesses dient. Das System ist aus der Zusammenführung von I-DEAS und Unigraphics hervorgegangen, wurde von Siemens PLM Software übernommen und stetig weiterentwickelt NX ist nach Funktionen modular aufgebaut und beinhaltet neben der Konstruktion auch Module zur Fertigungsunterstützung, Simulation, Entwicklung mechatronischer Konzepte und elektrischer Systeme, Schiffs- und Fahrzeugbau sowie zur wissensbasierten Konstruktion und zur Visualisierung. NX basiert auf dem Parasolid-Modellierkern, welcher die Basis für die Geometriedarstellung bildet. In der aktuellen Version steht NX als Continuous Release zur Verfügung. Dabei werden kontinuierlich neue Updates bereitgestellt. Halbjährlich steht ein Release mit funktionalen Updates zur Verfügung. Kleinere Updates und Bugfixes werden über monatliche Patches veröffentlicht. In den Beispielen in diesem Buch werden dem Leser Methoden und Werkzeuge aufgezeigt, mit denen der Konstruktionsprozess erleichtert und effizienter gestaltet werden kann. Dabei spielt der Aufbau parametrischer Modelle eine besondere Rolle, ob bei der Anwendung der Top-Down-Modellierung, dem Erstellen von Teilefamilien oder bei der Erstellung von User Defined Features. Bei der Parametrisierung wird zudem auf die Verwendung mathematischer und logischer Beziehungen und auf die parameterbasierte Unterdrückung von Formelementen eingegangen. Weiterhin werden Grundkenntnisse im Aufbau von Simulationsmodellen vermittelt und die schnelle und einfache Integration dieser Modelle in den Konstruktionsprozess aufgezeigt. Zudem wird in zwei Optimierungsstudien dargelegt, wie das Erlernte genutzt werden kann, um durch den Einsatz von Optimierungsalgorithmen den Konstruktionsprozess auch bei komplexeren Produkten und zum Teil gegenläufigen Anforderungen zu unterstützen. Die Bearbeitung der in diesem Buch verwendeten Übungsbeispiele setzt Grundkenntnisse des CAD-Moduls von NX voraus. Daher werden einige Funktionen nur genannt, aber nicht näher erläutert. Zur detaillierten Erklärung dieser Funktionen wird auf den Einsteigerband dieser Reihe verwiesen. Zur Erstellung der Übungsbeispiele wurde NX Continuous Release 1872 verwendet. Die Beispiele können jedoch auch mit anderen NX Continuous Release-Versionen nachvollzogen werden. Bei der Mehrkörpersimulation in Abschnitt 7.2 ist für die Ermittlung von Kräften über Sensoren bei aktivierter Reibung eine neuere NX-Version notwendig (ab 1899). Alternativ wird in diesem Beispiel die Reibung deaktiviert.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_1

1

2

1 Einleitung Bei der Erstellung der Teilefamilie und beim Lasttransfer der Mehrkörpersimulation wurde Microsoft Excel 2019 genutzt. Hierbei funktionieren auch andere Versionen. Als Betriebssystem wurde Microsoft Windows 10 verwendet. Die Arbeit mit dem Buch wird durch einen Download-Bereich unterstützt. Alle verwendeten Modelle können unter www.springer.com auf der Seite dieses Buches heruntergeladen werden. Besteht kein Zugang zum Download-Bereich, können die benötigten Modelle auch selbstständig anhand der Zeichnungen modelliert werden. Um dem Leser die Handhabung des Buches zu erleichtern, sind links vor dem Text die Icons der jeweils verwendeten Funktionen sowie evtl. vorhandene Tastenkombinationen angegeben. Die Funktionen und Befehle sind kursiv dargestellt und durchnummeriert. Die Befehle können in NX somit auch jederzeit über die Befehlssuche gefunden werden. Die englischen Funktionsbezeichnungen sind bei der erstmaligen Verwendung einer Funktion jeweils grau und in Klammern hinter der deutschen Bezeichnung aufgeführt. Wichtige Begriffe und Eingabewerte sind fett hervorgehoben. ⇨ Pfeile weisen auf Handlungsfolgen hin.

Ergänzende Informationen werden kursiv ohne Nummerierung dargestellt und sind mit einem „i“ markiert. Die Beschreibung wichtiger Modellierungsschritte wird durch Videos ergänzt, welche über QR-Codes abrufbar sind. Kontrollfragen am Ende eines jeden Kapitels helfen dabei, das Erlernte zu überprüfen. Die Lösungen stehen im Download-Bereich zur Verfügung. Die Kontrollfragen sowie deren Antworten können auch als digitale Karteikarten in der SN Flashcards App und unter https://flashcards.springernature.com aufgerufen werden. In den Beispielen in diesem Buch kommen wiederholt Methoden zum Einsatz, welche ein gewisses Grundverständnis der erweiterten Parametrik sowie in der in NX zugrundeliegenden Modell- und Datei-Hierarchie, dem sog. Master-Modell-Konzept, erfordern. Diese Themen werden im Folgenden erläutert.

1.1 Erweiterte Parametrik

3

1.1 Erweiterte Parametrik Unter der erweiterten Parametrik wird die Verwendung von Parametern verstanden, welche über das reine Zuweisen von Parametern zu Maßen und das Ändern von Parameterwerten hinausgeht. Dabei kommen u. a. verschiedene Parametertypen wie Zahlen, Zeichenfolgen oder Boolesche Ausdrücke in Kombination mit mathematischen Berechnungen, logischen Bedingungen, Messungen und Attributen zum Einsatz. Für die Erläuterung der grundlegenden Verwendung von Parametern wird auf den Einsteigerband dieses Buches verwiesen. Strg+E

Das Erstellen und Editieren von Parametern erfolgt in NX im Ausdruckseditor. Register Werkzeuge ⇨ Ausdrücke (Expressions) Bearbeiten (Edit)

Über RMT auf die Zelle in der Spalte Formel ⇨ Bearbeiten wird der Dialog zum Bearbeiten eines Ausdrucks aufgerufen.

Neben der reinen Eingabe eines Wertes oder einer Formel befinden sich in diesem Dialog auch die wesentlichen Funktionen zur Definition einer Formel. Diese werden folgend erläutert.

Ändern der Methode zum Bearbeiten der Formel (Change the method to edit this formula) Mit diesem Befehl wird die Zeile zur Eingabe der Formel durch ein Eingabefeld ersetzt. Somit lassen sich auch mehrzeilige Formeln definieren.

4

1 Einleitung

Mathematische Funktionen Mit Hilfe von mathematischen Funktionen können Ausdrücke aus Konstanten oder anderen Ausdrücken berechnet werden. Dabei können die folgenden grundlegenden mathematischen Operatoren verwendet werden: + * / ^

Addition Subtraktion Multiplikation Division Exponent

Mathematische oder EngineeringFunktion (Math or engineering function) Weitere Funktionen stehen im Dialog zum Einfügen einer mathematischen oder Engineering-Funktion bereit. Dabei wird zunächst eine Kategorie gewählt und anschließend die Funktion aus der Liste ausgewählt. Weiterhin stehen eine Suchfunktion und eine kurze Erklärung zur Verfügung. Insbesondere wenn die Syntax einer Funktion im Vorfeld nicht bekannt ist, stellt die Auswahl über diesen Dialog eine sinnvolle Unterstützung dar.

Ist die Syntax einer Funktion bereits bekannt, kann die Formel auch jederzeit direkt in die Eingabezeile eingegeben werden.

1.1 Erweiterte Parametrik

5

Logische Bedingungen Neben den mathematischen Funktionen stehen in NX auch logische Operatoren zur Verfügung. Mit diesen logischen Operatoren können logische Bedingungen zwischen Ausdrücken erstellt und somit z. B. das Regelwissen für eine Teilefamilie aufgebaut werden (s. Kapitel 3). Logische Bedingungsklausel (Logical condition clause) Über den Bedingungs-Assistenten können logische Bedingungen auch durch die Eingabe in einem Dialog definiert werden. Wird in dem Dropdown-Menü Else If anstatt Else gewählt, können weitere Bedingungen hinzugefügt werden. Verschachtelte If-Funktionen sind somit nicht notwendig. Alternativ zur Eingabe über den Dialog kann eine logische Bedingung ebenfalls direkt in der Eingabezeile eingetragen werden. Zur Definition von logischen Bedingungen stehen folgende Operatoren zur Verfügung:
= & bzw. && | bzw. || - bzw. !

Kleiner als Kleiner als oder gleich Gleich Ungleich Größer als Größer als oder gleich Und Oder Nicht bzw. negiert

Dabei können verschiedene Operatoren auch auf unterschiedliche Art und Weise codiert werden. So lässt sich ein Ausdruck z. B. durch das Voranstellen von „-“ oder „!“ negieren bzw. verneinen. Ein Klick auf eine der Schaltflächen fügt den jeweiligen Operator in die vorher ausgewählte Zeile ein. Logische Bedingungen kommen in diesem Buch bei der Erstellung des Regelwissen der Teilefamilien (s. Kapitel 3) und bei der Erstellung des User Defined Features (s. Kapitel 5) zum Einsatz.

6

1 Einleitung

Weitere Funktionen Messen (Measure) Neben der Zuweisung eines Wertes kann der Wert eines Parameters auch durch Messen eines Geometrieelementes oder eines Abstandes bestimmt werden. Hierzu stehen in einem Dropdown-Menü die bekannten Messfunktionen zur Verfügung. Durch das Messen können schnell und ohne die explizite Definition von Parametern assoziative Modelle erstellt werden. Durch das System wird dabei implizit ein Parameter mit dem gemessenen Wert erstellt. Messen findet in diesem Buch im ersten Beispiel der Top-DownModellierung (s. Abschnitt 2.1) und bei der Optimierung in der Konstruktion (s. Abschnitt 8.1) Anwendung. Attribute (Attributes) Über Attribute können verschiedene Eigenschaften des gesamten Teils (Referenzteilattribut) oder einzelner Objekte (Referenzobjektattribut) als Ausdruckswerte verwendet werden. So lässt sich z. B. über das Attribut NX_Material das zugewiesene Material des Bauteils als Ausdruckswert nutzen. Attribute werden in diesem Buch nicht verwendet, an dieser Stelle aber aufgrund der Vollständigkeit erwähnt.

1.2 Master-Modell-Konzept Das Master-Modell-Konzept beschreibt die Modell- und Dateihierarchie in NX. Dabei werden die Modelle nachgelagerter Anwendungen auf das Master-Modell eines Bauteils oder einer Baugruppe referenziert, welches die notwendige Geometrie enthält. Nachgelagerte Anwendungen können z. B. Simulationen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) oder Mehrkörpersystemen (MKS), die Fertigungsplanung und -simulation (Computer-Aided Manufacturing, CAM) oder die Zeichnungserstellung sein. Die in diesen Anwendungen verwendeten Modelle beinhalten nicht direkt die Geometrie des CAD-Modells, sondern referenzieren nur auf das Master-Modell, das die Geometrie enthält. Die Modellstruktur ist dabei analog zur Struktur einer Baugruppe, mit der Ausnahme, dass jeweils nur ein Master-Modell eingebunden ist und nicht mehrere wie bei einer Baugruppe.

1.2 Master-Modell-Konzept

7

Die folgende Abbildung zeigt exemplarisch die Verwendung eines Master-Modells in verschiedenen Anwendungen. Baugruppe

FEM-Modell

CAM-Modell

Zeichnung

Master-Modell (CAD-Modell)

Die Modelle der nachgelagerten Anwendungen (Baugruppe, FEM- und CAMModell und Zeichnung) enthalten selbst nicht die Geometrie des Kurbelarms, sondern referenzieren nur auf das Master-Modell. Die Analogie zur Baugruppenstruktur kann durch Öffnen des Baugruppen-Navigators in den unterschiedlichen Anwendungen nachvollzogen werden.

8

1 Einleitung Master-Modell-Strukturen werden erzeugt, indem bei der Erstellung einer neuen Datei die Beziehung Vorhandenes Teil referenzieren (Reference Existing Part) gewählt und ein Referenzteil ausgewählt wird. Der wesentliche Vorteil des Master-Modell-Konzeptes liegt in dem Vorhandensein mehrerer Dateien, welche zwar durch die Referenzierung verbunden sind, sonst jedoch unabhängig voneinander bearbeitet werden können. So kann z. B. die Geometrie eines Bauteils für ein FEM-Modell vereinfacht werden, ohne dass die Originalgeometrie des Master-Modells verändert wird. Weiterhin lassen sich somit verschiedene Entwicklungsaufgaben parallelisieren, da gleichzeitig an den unterschiedlichen Anwendungsmodellen gearbeitet werden kann, die alle auf ein Master-Modell referenzieren, welches sich ebenfalls noch in Bearbeitung befinden kann. Somit ist es möglich, bereits mit der Erstellung eines FEM-Modells oder einer Zeichnung zu beginnen, bevor das Master-Modell fertig konstruiert ist. Durch die Referenzierung werden die Anwendungsmodelle aktualisiert, sobald das Master-Modell verändert wird. Die Aktualisierung kann dabei automatisch oder manuell erfolgen. Simulationsmodelle weisen zusätzlich eine eigene anwendungsspezifische Dateistruktur auf. Auf diese spezielle Dateistruktur wird in den jeweiligen Kapiteln gesondert eingegangen.

1.3 Kontrollfragen 1. Was wird unter erweiterter Parametrik verstanden? 2. Welche mathematischen und logischen Operatoren gibt es in NX? 3. Was beschreibt das Master-Modell-Konzept? 4. Wie können Master-Modelle erstellt werden? 5. Worin liegt der Vorteil des Master-Modell-Konzeptes?

2

Top-Down-Modellierung Die Top-Down-Modellierung stellt eine grundlegende Methode zur Modellierung von Baugruppen dar. Hierbei wird zunächst die Baugruppenstruktur ohne geometrisch vorhandene Komponenten angelegt. Oft werden dabei auch bereits die Schnittstellen der Komponenten festgelegt. Anschließend wird die Geometrie der Komponenten erzeugt und detailliert. Dies hat den Vorteil, dass nach dem Erstellen der Baugruppenstruktur und der Schnittstellen, die Komponenten parallel modelliert werden können, wodurch sich die Entwicklungszeit eines Produktes reduzieren lässt. Dem gegenüber steht die Bottom-Up-Modellierung, bei der die einzelnen Komponenten zuerst vollständig erstellt und dann zu einer Baugruppe zusammengefügt werden. Hierzu müssen alle Komponenten erstellt sein, bevor sie zu einer Baugruppe zusammengebaut werden können. Ob die Komponenten zusammenpassen, sieht man in diesem Fall erst beim Zusammenfügen. In der Praxis findet oft eine Kombination aus beiden Methoden statt, insbesondere wenn auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen werden kann.

2.1 WAVE-Geometrie-Linker Der WAVE-Geometrie-Linker (WAVE Geometry Linker) ist eine Technologie für einen strukturierten Top-Down-Ansatz in der Produktkonzeption und -entwicklung. Mit dem WAVE-Geometrie-Linker können geometrische Abhängigkeiten über die Komponenten einer Baugruppe hinweg erstellt und kontrolliert werden. Dies bietet Vorteile bei der Entwicklung komplexer Produkte, da die Struktur eines Produktes zentral auf der obersten Ebene definiert wird. Mit dem WAVE-Geometrie-Linker können verschiedene Geometrieelemente von Komponenten assoziativ in andere Komponenten und Baugruppen kopiert werden. Die WAVE-Geometrie wird als Formelement in der aktiven Komponente abgelegt und ist dort im Teile-Navigator sichtbar. In diesem Beispiel wird ein Hebel als Schweißbaugruppe erstellt, bestehend aus drei Komponenten. Auf Baugruppenebene wird eine parametrische Skizze (ein sog. Skelett) erzeugt, wodurch die Geometrie der Komponenten gesteuert wird. Vorgehensweise: I. Erzeugen der parametrischen Steuerskizze II. Erzeugen der leeren Komponentendateien III. Verlinken der Steuerskizze mit den Komponenten IV. Modellieren der Komponenten V. Analyse der verlinkten Beziehungen VI. Modellieren der Schweißnähte © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_2

9

10

2 Top-Down-Modellierung Die Modellierung kann als Ergänzung zum Text auch als Video nachvollzogen werden. Hierzu einfach den rechts abgebildeten QR-Code scannen, vorzugsweise mit einem Tablet. Liegt das Buch als eBook vor, kann der QR-Code auch direkt angeklickt werden.

I.

Erzeugen der parametrischen Steuerskizze 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell)

Strg+E

Dateiname ⇨ bg_hebel 2. Ausdrücke

⇨ Register Werkzeuge ⇨ Ausdrücke (Expressions) Name ⇨ B1

Formel ⇨ 20

Einheiten ⇨ mm

Dimensionalität ⇨ Länge

Typ ⇨ Anzahl

⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: ⇨ Neuer Ausdruck (New Expression) Name

B1 B2 D1_aussen D1_innen D2_aussen D2_innen L T

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

20 30 30 20 50 40 100 10

mm mm mm mm mm mm mm mm

Länge Länge Länge Länge Länge Länge Länge Länge

Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl

Die erstellten Ausdrücke können auch in eine Datei exportiert werden. Dabei werden alle Ausdrücke exportiert, auch die automatisch durch das System erzeugten. Die automatisch erzeugten Ausdrücke können bei Bedarf manuell aus der Datei gelöscht werden, indem diese in einem Texteditor geöffnet wird. Auch das Importieren von Ausdrücken ist möglich. Dabei muss ein gewisses Format eingehalten werden, welches am besten zunächst durch einen Export erzeugt werden kann (s. Seite 22).

2.1 WAVE-Geometrie-Linker

3. Arbeitslayer 21 4. Skizze (Sketch) Menü ⇨ Einfügen

⇨ Skizze in Aufgabenumgebung

⇨ XZ-Ebene

5. Arbeitslayer 61 6. Bezugsebene (Datum Plane) Typ ⇨ Im Abstand

Planare Referenz ⇨ XZ-Ebene Abstand ⇨ B1/2

Die Ebene wird manuell an die richtige Position geschoben. 7. Bezugsebene

Planare Referenz ⇨ XZ-Ebene

Abstand ⇨ B2/2

8. Arbeitslayer 1

11

12

II.

2 Top-Down-Modellierung

Erzeugen der leeren Komponentendateien 1. Aktivieren des Registers Baugruppen ⇨ Datei ⇨ Baugruppen (Assemblies)

2. Erzeugen der Komponentendateien ⇨ Register Baugruppen ⇨ Neu erzeugen (Create New) ⇨ Erzeugen der folgenden Komponenten: Dateiname ⇨ Huelse_1 Dateiname ⇨ Huelse_2 Dateiname ⇨ Steg

Das zweite Dialogfenster mit dem Titel Neue Komponente erzeugen kann ohne eine Auswahl bestätigt werden. Zudem kann hier in den Einstellungen auch das angezeigte Reference Set der erzeugten Komponente geändert werden. 3. Baugruppenzwangsbedingungen (Assembly Constraints) Typ ⇨ Fixieren

⇨ Fixieren der erzeugten Komponenten

Es wird empfohlen, die erzeugten Komponenten zu fixieren, damit diese ortsfest sind und später nicht mehr verschoben werden können.

III. Verlinken der Steuerskizze mit den Komponenten 1. Huelse_1 als aktives Teil festlegen ⇨ Doppelklick auf Huelse_1 im Baugruppen-Navigator Alternativ:

⇨ RMT auf Huelse_1 ⇨ Als aktives Teil festlegen (Make Work Part) 2. WAVE-Geometrie-Linker (WAVE Geometry Linker)

Typ ⇨ Zusammengesetzte Kurve ⇨ Äußeren Kreis wählen

⇨ Assoziativ

⇨ Als positionsunabhängig festlegen

Durch die Option Als positionsunabhängig festlegen kann der erstellte Körper später unabhängig von der Position der Ursprungsfläche verschoben werden.

2.1 WAVE-Geometrie-Linker

13

3. WAVE-Geometrie-Linker Typ ⇨ Zusammengesetzte Kurve

⇨ Inneren Kreis wählen

⇨ Assoziativ

⇨ Als positionsunabhängig festlegen

Die beiden Kreise können auch zusammen ausgewählt werden. Beim einzelnen Verlinken werden die Kurven jedoch auch als separate Elemente im Teile-Navigator abgelegt. Dies hat den Vorteil, dass die Kurven einzeln bearbeitet oder gelöscht werden können. 4. WAVE-Geometrie-Linker Typ ⇨ Bezug

⇨ Erste Ebene auswählen

⇨ Assoziativ

⇨ Als positionsunabhängig festlegen

5. Huelse_2 als aktives Teil festlegen ⇨ Wiederholen der Schritte 1-4 für die untere Hülse 6. Steg als aktives Teil festlegen 7. WAVE-Geometrie-Linker Typ ⇨ Zusammengesetzte Kurve

Kurvenregel ⇨ Einzelne Kurve

Zur Auswahl der einzelnen Segmente der Skizze muss die Funktion Anhalten bei Schnittpunkt (Stop at Intersection) aktiviert werden. ⇨ Auswählen der Kurven ⇨ Assoziativ

⇨ Als positionsunabhängig festlegen

14

2 Top-Down-Modellierung 8. bg_hebel als aktives Teil festlegen In den Komponenten sind nun alle benötigten Elemente der Skelettstruktur verlinkt und es kann mit der Modellierung der einzelnen Komponenten begonnen werden.

IV. Modellieren der Komponenten Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten modelliert.

Modellieren von Huelse_1 1. Huelse_1 in Fenster öffnen ⇨ RMT auf Huelse_1 ⇨ In Fenster öffnen (Open in Window)

Die Hülse kann auch innerhalb der Baugruppe als aktives Teil modelliert werden. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass versehentlich Elemente der Steuerskizze oder anderer Komponenten selektiert werden. 2. Auf Layer verschieben (Move to Layer) ⇨ Verschieben der verlinkten Elemente auf die jeweiligen Layer:

Verknüpfte Kurven ⇨ Layer 21

Verbundene Bezugsebene ⇨ Layer 61

3. Extrudieren (Extrude)

⇨ Äußeren verlinkten Kreis auswählen Richtung ⇨ Y-Achse

Start ⇨ Wert, 0

Ende ⇨ Bis Auswahl

⇨ Verbundene Bezugsebene wählen

Somit wird sichergestellt, dass die Extrusion immer bis zu der verbundenen Bezugsebene verläuft. 4. Formelement spiegeln (Mirror Feature) Formelement ⇨ Extrudieren Ebene ⇨ XZ-Ebene

2.1 WAVE-Geometrie-Linker

15

5. Vereinigen (Unite) ⇨ Vereinigen des extrudierten Körpers und des gespiegelten Formelements Ziel ⇨ Extrudieren

Werkzeug ⇨ Formelement spiegeln 6. Bohrung (Hole)

⇨ Mittelpunkt der Zylinderkante wählen

Tiefenbegrenzung ⇨ Durch Körper Durchmesser ⇨ Messen (Measure)

Die Option Messen wird über das Dropdown-Menü in der Durchmesserbemaßung ausgewählt. Somit wird der folgende Dialog zum Messen geöffnet. Zu messendes Objekt ⇨ Objekt ⇨ Inneren Kreis auswählen

Zur Auswahl des inneren Kreises wird empfohlen, die Darstellung auf Drahtmodell mit abgeblendeten Kanten oder statisches Drahtmodell zu ändern. ⇨ Kurve/Kante aktivieren

Durchmesser ⇨ Bemaßungsausdruck erstellen (s. Pfeil) Ggf. muss von Radius auf Durchmesser umgestellt werden (schwarzes Dreieck). Durch das Messen wird der Durchmesserwert des Kreises von 20 mm als Durchmesser für die Bohrung festgelegt. Die Bohrung wird mit dem Formelement Bohrung ausgeführt, damit die Bohrungsdaten im Nachhinein auch bei einer möglichen CAM-Anwendung zur Verfügung stehen.

16

2 Top-Down-Modellierung 7. Ausblenden von Layer 21 und 61 8. Speichern (Save) Die erste Hülse ist fertiggestellt und kann gespeichert werden.

Modellieren von Huelse_2 Die Modellierung der zweiten Hülse erfolgt analog zur ersten und kann selbstständig durchgeführt werden.

Modellieren des Stegs 1. Steg in Fenster öffnen (Open in Window) ⇨ RMT auf Steg im Baugruppen-Navigator ⇨ In Fenster öffnen 2. Auf Layer verschieben (Move to Layer)

Strg+E

Verknüpfte Kurve ⇨ Layer 21

3. Ausdrücke

Für die Modellierung des Stegs wird in der Komponente Steg ein Parameter T für die Wandstärke erstellt. Dieser Parameter wird anschließend mit dem Parameter T der Baugruppe bg_hebel verknüpft. 4. Teileübergreifenden Ausdruck erstellen/bearbeiten (Create/Edit Interpart Expression) Ausgangsteil ⇨ bg_hebel.prt

Ausgangsausdruck ⇨ T

2.1 WAVE-Geometrie-Linker

17

Die Formel des Parameters T ist nach dem Erzeugen im Ausdruckeditor gesperrt und mit Teileübergreifend markiert. In der Spalte Ursprung steht der Ausdruck "bg_hebel"::T. Das bedeutet, dass der Wert dieses Parameters mit dem Parameter T der Datei bg_hebel verknüpft ist. Zum Erzeugen einer Verknüpfung kann dieser Ausdruck auch direkt als Formel eingegeben werden.

5. Extrudieren ⇨ Verknüpfte Kurve wählen

Ende ⇨ Symmetrischer Wert Abstand ⇨ T/2

6. Ausblenden von Layer 21 und 61 7. Speichern 8. bg_hebel in Fenster öffnen ⇨ RMT auf Steg

⇨ Überordnung in Fenster öffnen (Open Parent in Window) ⇨ bg_hebel

9. Reference Sets der Komponenten ersetzen Je nachdem, welches Reference Set bei der Erstellung der Komponenten gewählt wurde (s. Seite 12), müssen die Reference Sets abschließend angepasst werden. Damit in der Baugruppe nur die Volumenkörper der Komponenten angezeigt werden, müssen die Reference Sets auf Modell geändert werden. ⇨ RMT auf Huelse_1 ⇨ Reference Set ersetzen (Replace Reference Set) ⇨ MODEL

Dies ist für alle erzeugten Komponenten durchzuführen. Ist bereits das Reference Set Modell ausgewählt, kann dieser Schritt ignoriert werden.

18

V.

2 Top-Down-Modellierung

Analyse der verlinkten Beziehungen 1. Modell aktualisieren Die Parameterwerte können über den Teile-Navigator oder den Ausdruckseditor in der Baugruppe bg_hebel verändert werden. Bei einer Änderung der Parameterwerte werden die Änderungen automatisch in den verlinkten Teilen berücksichtigt. Ggf. muss das Modell jedoch aktualisiert werden. ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ Aktualisieren ⇨ Teileübergreifende Aktualisierung

⇨ Verknüpfungen aktualisieren (Update Links) Alternativ:

⇨ Alle aktualisieren (Update All)

2. Teileübergreifender Verbindungs-Browser (Interpart Link Browser) ⇨ Register Baugruppen

⇨ Teileübergreifender VerbindungsBrowser

Hier können die teileübergreifenden Verbindungen eines Modells analysiert und auch unterbrochen werden. Im oberen Bereich werden die Komponenten der Baugruppe aufgelistet. In der Spalte Links werden für jede Komponente die Art und die Anzahl der Verknüpfungen angezeigt. Im unteren Bereich sind die teileübergreifenden Verknüpfungen der ausgewählten Komponente noch einmal einzeln aufgelistet. Werden die Verbindungen nicht sofort angezeigt, müssen die Komponenten zunächst mit einem Doppelklick geladen werden.

2.1 WAVE-Geometrie-Linker

19

3. Beziehungsbrowser (Relations Browser) Eine weitere Möglichkeit, die teileübergreifenden Beziehungen eines Produkts zu analysieren oder zu bearbeiten, ist der Beziehungsbrowser. Hierzu muss zusätzlich Java Runtime Environment installiert sein. ⇨ Register Baugruppen ⇨ Beziehungsbrowser

Neben der reinen Analyse können bestehende Beziehungen hier über RMT auch bearbeitet oder entfernt werden.

4. Bearbeiten und Entfernen der Assoziativität Auch über den WAVE-GeometrieLinker kann eine bestehende Beziehung bearbeitet oder gelöscht werden. Der Dialog wird über einen Doppelklick auf das verlinkte Objekt aufgerufen. Wird die Einstellung Assoziativ deaktiviert, ist die Verbindung entfernt. Das verlinkte Element (hier: die Kurve) bleibt jedoch erhalten. Wurde die Assoziativität einmal entfernt, kann sie nicht wieder hergestellt werden, sondern muss neu definiert werden.

20

2 Top-Down-Modellierung

VI. Modellieren der Schweißnähte Schweißnähte werden in NX über das Menü Schweiß-Assistent erstellt. Hier stehen verschiedene Funktionen zum Erstellen von Schweißnähten bereit. 1. Baugruppe als aktives Teil festlegen ⇨ Doppelklick auf bg_hebel 2. Kehlnahtschweißung ⇨ Menü ⇨ Einfügen

⇨ Schweiß-Assistent

⇨ Kehlnahtschweißung (Fillet Weld) Flächensatz 1 ⇨ Flächen des Stegs

Flächensatz 2 ⇨ Fläche der Hülse Beinlänge ⇨ 3

⇨ Ggf. Richtung umkehren

Die Normalenvektoren der Flächen müssen zueinander in Richtung der Schweißnaht zeigen. Die Kehlnahtschweißung wird nach der Erstellung im Teile-Navigator abgelegt. 3. Obere Schweißnaht Die obere Schweißnaht kann selbstständig als erzeugt werden. Die Schweißnähte werden jeweils als Formelement und als Volumenkörper im Teile-Navigator gespeichert. Eine Schweißnaht ist somit eigenständig und nicht an einen anderen Volumenkörper gebunden. Der Volumenkörper der Schweißnaht wird standardmäßig auf Layer 255 erzeugt. Da die ausgewählten Flächen zu den einzelnen Komponenten des Hebels gehören, werden sie in die Baugruppe verlinkt. Die Flächen werden standardmäßig auf Layer 231 erzeugt. 4. Ausblenden von Layer 21 und 61

2.2 Bauteilübergreifende Parameter

21

2.2 Bauteilübergreifende Parameter Die Modellerstellung nach dem Top-Down-Ansatz kann auch ohne eine Steuerskizze ausschließlich über bauteilübergreifende Parameter realisiert werden. Dazu werden auf der Baugruppenebene Parameter (sog. Führungsparameter) erstellt und diese dann in die jeweiligen Komponenten verlinkt. Die Parameter der Komponenten sind somit mit den Führungsparametern der Baugruppe verknüpft. Diese Methode wird am Beispiel eines Gummirades erläutert. Das Gummirad wird dabei wie folgt parametrisiert:

Vorgehensweise: I. Erstellen der Führungsparameter auf Baugruppenebene II. Erzeugen der leeren Komponentendateien III. Verlinken der Komponentenparameter der Felge IV. Parametrisches Modellieren der Felge V. Verlinken der Komponentenparameter des Reifens VI. Parametrisches Modellieren des Reifens VII. Ändern der Führungsparameterwerte auf Baugruppenebene

22

I.

2 Top-Down-Modellierung

Erstellen der Führungsparameter auf Baugruppenebene 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ bg_Gummirad 2. Ausdrücke (Expressions)

⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

40 30 120 20 140 5

mm mm mm mm mm mm

Länge Länge Länge Länge Länge Länge

Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl

B_Nabe B_Reifen D_Felge D_Nabe D_Reifen T

3. Erstellen eines Parameters für die Speichenanzahl ⇨ Neuer Ausdruck (New Expression) Name ⇨ Anzahl_Speichen

Formel ⇨ round(D_Felge/20)

Dimensionalität ⇨ Ohne Einheit Typ ⇨ Anzahl

Die Funktion round gibt eine gerundete natürliche Zahl zurück. Endet die zu rundende Zahl auf „.5“, wird immer zur geraden Zahl gerundet. Alternativ kann auch die Funktion ceiling verwendet werden. Diese Funktion gibt immer die nächst größere natürliche Zahl zurück. 4. Ausdrücke exportieren (Export Expressions) Die erstellten Ausdrücke werden exportiert, um das Format der Ausdrucksdatei kennenzulernen. Die Datei wird im Folgenden jedoch nicht weiter verwendet. Dateiname ⇨ Parameter_Gummirad.exp Die Dateiendung exp steht für expressions (dt. Ausdrücke). Dies lässt bereits erkennen, dass die Datei Parameter beinhaltet. Die Datei kann mit einem beliebigen Texteditor geöffnet und editiert werden.

2.2 Bauteilübergreifende Parameter

II.

23

Erzeugen der leeren Komponentendateien 1. Aktivieren des Registers Baugruppen ⇨ Datei ⇨ Baugruppen (Assemblies) 2. Neu erzeugen (Create New)

⇨ Erzeugen der Komponenten:

Dateiname ⇨ Felge

Dateiname ⇨ Reifen

3. Baugruppenzwangsbedingungen

Typ ⇨ Fixieren

⇨ Fixieren der beiden Komponenten

III. Verlinken der Komponentenparameter der Felge Vor der Modellierung der Felge werden die Parameter der Komponente mit den Führungsparametern der Baugruppe verknüpft. 1. Felge in Fenster öffnen ⇨ RMT auf Felge ⇨ In Fenster öffnen (Open in Window) 2. Ausdrücke

⇨ Mehrere teileübergreifende Ausdrücke erstellen (Create Multiple Interpart Expressions)

Ausgangsteil ⇨ bg_Gummirad.prt Namensregel ⇨ Präfix hinzufügen

Präfix-Zeichenfolge ⇨ bg_

⇨ Auswahl der Ausgangsausdrücke: - Anzahl_Speichen - B_Nabe

- B_Reifen - D_Felge - D_Nabe - T Die Ausgangsausdrücke werden aus der Baugruppe direkt in die Komponente kopiert und verknüpft.

24

2 Top-Down-Modellierung

Bei der Erzeugung teileübergreifender Ausdrücke sollten nur die Ausdrücke verknüpft werden, die auch wirklich für die Modellierung notwendig sind. Somit werden nicht verwendete Ausdrücke in Modellen vermieden und das weitere Bearbeiten der Modelle durch andere Nutzer wird einfach gehalten.

Der Eintrag "bg_Gummirad"::Anzahl_Speichen in der Spalte Ursprung verweist auf die Verknüpfung des Parameters. Es wird also aus der Datei bg_Gummirad der Parameter Anzahl_Speichen herangezogen. Dieser Eintrag kann auch direkt als Formel eingegeben werden, um die Verknüpfung zu erstellen. Dies ist auch beim Import einer Parameterdatei möglich. Bei der teileübergreifenden Verknüpfung von Parametern muss nicht unbedingt ein Präfix, Suffix o. ä. verwendet werden. Jedoch lassen sich dadurch die verknüpften Parameter später schnell identifizieren. Es ist auch möglich, die gleichen Bezeichnungen der Ausdrücke zu verwenden. In diesem Fall wird der Eintrag für das Präfix leer gelassen. 3. Datei speichern

2.2 Bauteilübergreifende Parameter

25

IV. Parametrisches Modellieren der Felge Unter Verwendung der im vorigen Abschnitt erstellten Parameter wird nun die Felge modelliert. 1. Felge in Fenster öffnen Falls die Felge nicht mehr geöffnet ist, wird sie erneut in einem separaten Fenster geöffnet. ⇨ RMT auf Felge ⇨ In Fenster öffnen 2. Arbeitslayer 21 3. Skizze (Sketch) ⇨ XZ-Ebene

Die abgebildete Skizze wird selbstständig erstellt und parametrisiert.

4. Arbeitslayer 1 5. Drehen der Skizze (Revolve) Drehachse ⇨ X-Achse

6. Bohrung (Hole) Durchmesser ⇨ bg_D_Nabe

Tiefenbegrenzung ⇨ Durch Körper

26

2 Top-Down-Modellierung 7. Arbeitslayer 21 8. Ausblenden von Layer 1 9. Skizze ⇨ XZ-Ebene

⇨ Erstellen der abgebildeten Linie

10. Arbeitslayer 1 11. Rippe (Rib) ⇨ Skizze wählen

⇨ Parallel zu Schnittebene

Bemaßung ⇨ Symmetrisch Stärke ⇨ bg_T

⇨ Rippe mit Ziel kombinieren 12. Kantenverrundung (Edge Blend)

Kurvenregel ⇨ FormelementSchnittkanten ⇨ Rippe auswählen

Somit werden alle zum Körper angrenzenden Kanten ausgewählt. Kurvenregel ⇨ Einzelne Kurve

⇨ Auswählen der vorderen Kanten der Rippe Radius 1 ⇨ bg_T/4

2.2 Bauteilübergreifende Parameter

27

13. Formelement mustern (Pattern Feature) Layout ⇨ Kreisförmig ⇨ Auswahl von: - Skizze (4) - Rippe (5)

- Kantenverrundung (6) Vektor ⇨ X-Achse

Abstand ⇨ Anzahl und Abstand

Anzahl ⇨ bg_Anzahl_Speichen

Spannwinkel ⇨ 360

Methode ⇨ Abweichend

Beim Mustern einer Rippe muss stets auch die dazugehörige Skizze gemustert werden. Gleiches gilt auch für das Spiegeln einer Rippe. 14. Formelement spiegeln (Mirror Feature) ⇨ Auswahl von: - Skizze (4) - Rippe (5)

- Kantenverrundung (6) - Musterformelement (7) Ebene ⇨ YZ-Ebene

15. Ausblenden von Layer 21 und 61 16. Kantenverrundung (Edge Blend) ⇨ Verrunden der weiteren Kanten

Radius 1 ⇨ bg_T/4

17. Datei speichern 18. bg_Gummirad in Fenster öffnen ⇨ RMT auf Felge

⇨ Überordnung in Fenster öffnen (Open Parent in Window) ⇨ bg_Gummirad

28

V.

2 Top-Down-Modellierung

Verlinken der Komponentenparameter des Reifens 1. Reifen in Fenster öffnen ⇨ RMT auf Reifen ⇨ In Fenster öffnen 2. Ausdrücke

⇨ Selbstständiges Erstellen mehrerer teileübergreifender Ausdrücke: - B_Reifen

- D_Felge

- D_Reifen - T Präfix-Zeichenfolge ⇨ bg_

Folgende Ausdrücke sollten anschließend erstellt sein:

VI. Parametrisches Modellieren des Reifens 1. Arbeitslayer 21 2. Skizze ⇨ XZ-Ebene

3. Arbeitslayer 1 4. Drehen Drehachse ⇨ X-Achse

2.2 Bauteilübergreifende Parameter 5. Kantenverrundung ⇨ Innere Kanten

Radius 1 ⇨ bg_T/4

6. Kantenverrundung ⇨ Äußere Kanten

Radius 1 ⇨ 3

7. Ausblenden von Layer 21 und 61 8. Farbe zuweisen Strg+J

⇨ Dunkelgrau

9. Datei speichern 10. bg_Gummirad in Fenster öffnen ⇨ RMT auf Reifen ⇨ Überordnung in Fenster öffnen ⇨ bg_Gummirad

29

30

2 Top-Down-Modellierung

VII. Ändern der Führungsparameterwerte auf Baugruppenebene 1. Parameterwerte ändern Die Parameterwerte des Gummirades können nun auf der Baugruppenebene geändert werden. Dies kann direkt im Teile-Navigator oder im Ausdruckseditor erfolgen. 2. Modell aktualisieren Gegebenenfalls muss das Modell bei der ersten Änderung der Parameterwerte aktualisiert werden. Danach sollte das Modell jedoch bei jeder Änderung automatisch aktualisiert werden. ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ Aktualisieren ⇨ Teileübergreifende Aktualisierung ⇨ Verknüpfungen aktualisieren (Update Links) Alternativ:

⇨ Alle aktualisieren (Update All)

Im gleichen Menü kann die teileübergreifende Aktualisierung auch als verzögert eingestellt werden. Somit erfolgt die Aktualisierung bei einer Änderung nicht automatisch. 3. Analyse der verlinkten Beziehungen Die Analyse der verlinkten Beziehungen durch die teileübergreifenden Ausdrücke kann selbstständig analog zu Abschnitt 2.1 mit den dort beschriebenen Analysefunktionen durchgeführt werden.

2.3 Kontrollfragen 1. Was ist die Top-Down-Modellierung? 2. Wie kann die Top-Down-Modellierung in NX realisiert werden? 3. Was sind Führungsparameter? 4. Wie werden Parameter teileübergreifend verknüpft? 5. Mit welcher Formel können bauteilübergreifende Parameter direkt erzeugt werden? 6. Wie lassen sich bauteilübergreifende Beziehungen analysieren? 7. Wie werden Schweißnähte modelliert?

3

Teilefamilien Mit Hilfe von Teilefamilien (Part Families) können in NX topologisch und geometrisch ähnliche Komponenten und Produkte parametrisch abgebildet werden. Hierzu wird ein parametrisches Vorlagenteil (Template) erzeugt, welches alle gewünschten Varianten eines Produktes darstellen kann. Die Produktvarianten müssen dabei vorgedacht und unter Verwendung von Parametern und einem teilweise komplexen Regelwerk modelliert werden. Bei der Umsetzung dieses Regelwerkes können neben mathematischen Funktionen auch logische Bedingungen zum Einsatz kommen. Das Vorlagenteil beinhaltet anschließend das gesamte Regelwissen der Teilefamilie. Dadurch ist eine automatische Erstellung der verschiedenen Produktvarianten möglich. Hierbei bieten Teilefamilien den Vorteil des minimalen Teileumfangs, da die Datei der jeweiligen Produktvariante erst erzeugt wird, wenn sie auch verwendet wird. Bevor mit diesem Kapitel fortgefahren wird, sollten die Funktionen der erweiterten Parametrik bekannt sein (s. Abschnitt 1.1).

3.1 Teilefamilie einer Lochplatte In diesem Abschnitt wird eine Teilefamilie für eine Lochplatte erstellt. Diese stellt ein sehr einfaches Beispiel dar, welches die grundsätzliche Vorgehensweise zum Erzeugen einer Teilefamilie aufzeigen soll. Die Teilefamilie soll anschließend die folgenden drei Varianten der Lochplatte abbilden:

Dabei soll die kleinste Lochplattenvariante keine Verrundungen besitzen. Zur Modellierung werden die folgenden Parameter verwendet:

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_3

31

32

3 Teilefamilien Vorgehensweise: I. Modellieren des Vorlagenteils II. Erzeugen der Teilefamilie III. Anwenden der Teilefamilie

I.

Modellieren des Vorlagenteils 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ 0_Template_Lochplatte

Wird die Teilefamilie im einfachen Dateisystem ohne Verwendung eines PDMSystems (z. B. Teamcenter) erstellt, sollte der Dateiname des Templates immer darauf schließen lassen, dass es sich bei der Datei um das Template einer Teilefamilie handelt. 2. Ausdrücke ⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Anzahl_Bohrungen Breite Laenge Lochkreis_Bohrungen

Formel Einheiten 8 30 50 20

mm mm mm

Dimensionalität

Typ

Ohne Einheit Länge Länge Länge

Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl

3. Quader (Block) Länge (XC) ⇨ Laenge Breite (YC) ⇨ Breite

Höhe (ZC) ⇨ 4

4. Arbeitslayer 61

5. Bezugsebene (Datum Plane) Typ ⇨ Ermittelt

⇨ Beide Stirnflächen auswählen

Der Ebenentyp kann bei der Auswahl der Stirnflächen auf Ermittelt belassen werden. Durch die Auswahl der beiden parallelen Flächen wird die Ebene automatisch mittig zwischen diesen platziert und der Typ Bisektor festgelegt.

3.1 Teilefamilie einer Lochplatte 6. Bezugsebene Typ ⇨ Ermittelt

⇨ Beide Seitenflächen auswählen 7. Bezugsachse (Datum Axis) Typ ⇨ Ermittelt

⇨ Beide Ebenen auswählen ⇨ Ggf. Richtung umkehren 8. Arbeitslayer 1 9. Bohrung ⇨ Bohrung auf der oberen Fläche platzieren und mit Zwangsbedingung und Bemaßung versehen Durchmesser ⇨ 3

Tiefenbegrenzung ⇨ Durch Körper

10. Formelement mustern (Pattern Feature) ⇨ Bohrung auswählen

Layout ⇨ Kreisförmig

Vektor ⇨ Bezugsachse (4)

Abstand ⇨ Anzahl u. Abstand Anzahl ⇨ Anzahl_Bohrungen Spannwinkel ⇨ 360

33

34

3 Teilefamilien 11. Kantenverrundung ⇨ Verrunden der vertikalen Kanten Radius 1 ⇨ 5

12. Ausblenden von Layer 61

13. Datei speichern Das Vorlagenteil ist fertig modelliert und kann gespeichert werden.

II.

Erzeugen der Teilefamilie 1. Teilefamilien (Part Families) ⇨ Register Werkzeuge ⇨ Teilefamilien Auswählen der Parameter

Verfügbare Spalten ⇨ Ausdrücke

Die für die Teilefamilie relevanten Parameter werden über Bei Ende hinzufügen oder Doppelklick ausgewählt: - Part_Name - Breite - Laenge - Anzahl_Bohrungen - Lochkreis_Bohrungen Auswählen von Formelementen Verfügbare Spalten ⇨ Formelemente

Zusätzlich zu Ausdrücken können auch Formelemente ausgewählt werden. Hinzufügen der Kantenverrundung: - Edge_Blend

3.1 Teilefamilie einer Lochplatte

35

Importierbare Teilefamilien-Vorlage Soll für die Arbeit in einem PDM-System (z. B. Teamcenter) für die Komponenten der Teilefamilie zusätzlich eine Teilenummer verwendet werden, muss Importierbare Teilefamilien-Vorlage aktiviert werden. Somit wird die Spalte DB_PART_NO angelegt und es kann eine Teilenummer vergeben werden. ⇨ Diese Option wird in diesem Beispiel nicht verwendet. Familienspeicherverzeichnis

Weiterhin muss festgelegt werden, in welchem Verzeichnis die Elemente der Teilefamilie nach dem Erzeugen gespeichert werden sollen. ⇨ Verzeichnis auswählen, in dem sich die bisher erstellten Bauteile befinden ⇨ Tabelle erstellen

Mit dem Erstellen der Tabelle wird Microsoft Excel geöffnet und die aktuellen Werte der Parameter werden in der Tabelle angezeigt. Die einzelnen Spalten entsprechen den vorher ausgewählten Ausdrücken. NX ist so lange gesperrt, bis Excel wieder geschlossen wird.

Die Tabelle kann nun um die gewünschten Varianten erweitert werden. Wird in der Spalte Edge_Blend der Wert NO eingetragen, so wird in dieser Variante die Kantenverrundung deaktiviert.

36

3 Teilefamilien NX ist kompatibel mit allen gängigen MS Excel Versionen. Dazu gehören MS Office 2010 und höher. In diesem Beispiel wird MS Office 2019 verwendet. Excel wird um das Menü Teilefamilie in der Registerkarte Add-Ins erweitert. Mit der Funktion Teil überprüfen wird Excel minimiert und das Element der Teilefamilie wird angezeigt, in dessen Zeile in Excel sich der Cursor befindet. Über Tabelle fortsetzen wird Excel wieder aufgerufen und die Tabelle kann weiter editiert werden. Weiterhin können über das Menü Teilefamilie aus Excel heraus die Werte der mit dem Cursor gewählten Zeile auf das angezeigte Modell in NX angewendet oder direkt einzelne Teile aus der Tabelle erzeugt werden. Diese Teile werden dann in dem Familienspeicherverzeichnis gespeichert. 2. Familie speichern ⇨ Add-Ins ⇨ Teilefamilie ⇨ Familie speichern

Excel wird beendet und es wird wieder zur NX-Umgebung zurückgekehrt.

Die erstellte Tabelle wird nicht in einer separaten Datei gespeichert, sondern direkt in der Template-Datei. Excel dient nur zum Editieren der Tabelle. 3. Template-Datei speichern Die Template-Datei kann jederzeit geändert werden. Dazu zählen geometrische Änderungen oder Änderungen und Erweiterungen der Tabelle. Nach dem Öffnen der Template-Datei muss hierzu lediglich der Teilefamilien-Dialog aufgerufen und die Tabelle bearbeitet werden.

III. Anwenden der Teilefamilie Die Elemente der Teilefamilie können nun analog zu den Standardteilen der Wiederverwendungsbibliothek in eine Baugruppe eingefügt werden. 1. Erstellen einer neuen Datei (Baugruppe)

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

37

2. Hinzufügen (Add) Teil ⇨ 0_Template_Lochplatte

Beim Hinzufügen der Komponente wird automatisch erkannt, dass es sich um das Template einer Teilefamilie handelt. Im nachfolgenden Dialog kann dann ein Familienelement anhand der Familienattribute ausgewählt werden. Mit einem Doppelklick wird ein gültiger Wert eines Attributes gewählt. Danach kann mit dem nächsten Attribut fortgefahren werden. Im unteren Bereich kann ein zur Auswahl passendes Element ausgewählt werden. Über Vorlage auswählen kann auch direkt das Template-Teil eingefügt werden. 3. Speichern der Baugruppe

Beim Speichern der Baugruppe werden auch die verwendeten Varianten der Teilefamilie als Part-Dateien gespeichert.

3.2 Teilefamilie einer Passfeder In diesem Abschnitt wird eine Teilefamilie für eine Passfeder erstellt, welche anschließend als Standardteil verwendet werden kann. Die Grundlage für das zu erstellende Regelwissen bildet die DIN 6885 [1]. Für die Erstellung der Teilefamilie werden jedoch folgende Vereinfachungen getroffen: • Die Formen G, H und J werden nicht abgebildet. • Kantenbrechungen werden vernachlässigt. • Bei den Formen E und F wird nur eine Bohrung für eine Abdrückschraube erstellt. • Bohrungen für Spannhülsen werden nicht berücksichtigt.

38

3 Teilefamilien Vorgehensweise: I. Erzeugen der Excel-Tabelle für die abzubildenden Varianten II. Erstellen der Parameter in NX III. Modellieren der Passfeder IV. Erstellen der logischen Bedingungen V. Erzeugen der Teilefamilie VI. Einfügen verschiedener Passfedervarianten in eine Baugruppe Die Teilefamilie soll die Formen A bis F aus der DIN 6885 [1] darstellen. Form Beschreibung A

• Rundstirnig

B

• Geradstirnig

AB C

• Ein Ende rundstirnig, das andere geradstirnig • Rundstirnig • Ab 8x7 mit Bohrung für eine Halteschraube

D

• Geradstirnig • Ab 8x7 mit Bohrung für eine Halteschraube

E

• Rundstirnig • Zwei Bohrungen für Halteschrauben • Ab 12x8 mit Gewindebohrung für eine Abdrückschraube

F

• Geradstirnig • Zwei Bohrungen für Halteschrauben • Ab 12x8 mit Gewindebohrung für eine Abdrückschraube

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

39

In Abhängigkeit von der gewählten Form besitzt die Passfeder verschiedene Formelemente (Bohrungen und Verrundungen), welche im Folgenden je nach Form unterdrückt oder aktiviert werden. Die Unterdrückung und Aktivierung der Formelemente erfolgt in diesem Beispiel nicht wie bei der Lochplatte direkt innerhalb der Teilefamilientabelle (s. Abschnitt 3.1), sondern durch Parameterwerte und logische Bedingungen (s. Abschnitt 1.1). Das Video zu diesem Abschnitt wird durch Scannen oder durch direktes Anklicken des abgebildeten QR-Codes aufgerufen.

I.

Erzeugen der Excel-Tabelle für die abzubildenden Varianten Neben dem CAD-Modell bildet eine im Vorfeld erstellte Excel-Tabelle die Basis für die zu erstellende Teilefamilie der Passfeder. Diese Tabelle beinhaltet die Werte der Parameter für die abzubildenden Varianten. Die Tabelle für eine Teilefamilie muss nicht zwangsläufig im Vorfeld erstellt werden. Die Eingabe der Daten ist auch beim Erzeugen der Teilefamilie möglich. Insbesondere bei langen und komplexen Tabellen wird jedoch empfohlen, diese im Vorfeld zu erstellen. Somit können die Formelfunktionen von Excel genutzt sowie fehlerhafte Eingaben vermieden werden. Die folgende Tabelle stellt eine vereinfachte Form der in [1] angegebenen Abmessungen für Passfedern dar. Die manuelle Eingabe der gesamten Tabelle wäre im Rahmen dieses Beispiels zu aufwendig. Aus diesem Grund ist die Tabelle vereinfacht. Die vollständige Tabelle kann im Download-Bereich des Buches heruntergeladen werden (s. Kapitel 1). Liegt dieses Buch als eBook vor, kann die folgende vereinfachte Tabelle auch direkt in eine Excel-Datei kopiert werden. Wird die Tabelle nicht heruntergeladen oder kopiert, muss sie manuell in Excel erstellt werden. Dabei helfen die folgenden Hinweise: • Die Blöcke A, B und AB, die Blöcke C und D sowie die Blöcke E und F enthalten jeweils die gleichen Abmessungen und können kopiert werden. • In den Spalten Form und d5 müssen die Anführungszeichen beachtet werden, da Zeichenfolgen (engl. Strings) in NX immer in Anführungszeichen stehen müssen. • Kommas müssen in Zeichenfolgen durch Punkte ersetzt werden. Zahlenwerte können in der Tabelle mit Kommas eingegeben werden. • Zum Ausfüllen der Spalte Part_Name kann in Excel die folgende Formel genutzt werden: ="Passfeder_A_"&TEXT(C2;0)&"x"&TEXT(D2;0)&"x"&TEXT(E2;0)

40 Part_Name Passfeder_A_6x6x32 Passfeder_A_6x6x36 Passfeder_A_8x7x32 Passfeder_A_8x7x36 Passfeder_A_10x8x40 Passfeder_A_10x8x45 Passfeder_A_12x8x45 Passfeder_A_12x8x50 Passfeder_B_6x6x32 Passfeder_B_6x6x36 Passfeder_B_8x7x32 Passfeder_B_8x7x36 Passfeder_B_10x8x40 Passfeder_B_10x8x45 Passfeder_B_12x8x45 Passfeder_B_12x8x50 Passfeder_AB_6x6x32 Passfeder_AB_6x6x36 Passfeder_AB_8x7x32 Passfeder_AB_8x7x36 Passfeder_AB_10x8x40 Passfeder_AB_10x8x45 Passfeder_AB_12x8x45 Passfeder_AB_12x8x50 Passfeder_C_8x7x32 Passfeder_C_8x7x36 Passfeder_C_10x8x40 Passfeder_C_10x8x45 Passfeder_C_12x8x45 Passfeder_C_12x8x50 Passfeder_D_8x7x32 Passfeder_D_8x7x36 Passfeder_D_10x8x40 Passfeder_D_10x8x45 Passfeder_D_12x8x45 Passfeder_D_12x8x50 Passfeder_E_8x7x40 Passfeder_E_8x7x45 Passfeder_E_10x8x50 Passfeder_E_10x8x56 Passfeder_E_12x8x56 Passfeder_E_12x8x63

3 Teilefamilien Form "A" "A" "A" "A" "A" "A" "A" "A" "B" "B" "B" "B" "B" "B" "B" "B" "AB" "AB" "AB" "AB" "AB" "AB" "AB" "AB" "C" "C" "C" "C" "C" "C" "D" "D" "D" "D" "D" "D" "E" "E" "E" "E" "E" "E"

b 6 6 8 8 10 10 12 12 6 6 8 8 10 10 12 12 6 6 8 8 10 10 12 12 8 8 10 10 12 12 8 8 10 10 12 12 8 8 10 10 12 12

h 6 6 7 7 8 8 8 8 6 6 7 7 8 8 8 8 6 6 7 7 8 8 8 8 7 7 8 8 8 8 7 7 8 8 8 8 7 7 8 8 8 8

l d1min d1max d3 d4 t3 d5 32 17 22 0 0 0 "M0 x 0" 36 17 22 0 0 0 "M0 x 0" 32 22 30 0 0 0 "M0 x 0" 36 22 30 0 0 0 "M0 x 0" 40 30 38 0 0 0 "M0 x 0" 45 30 38 0 0 0 "M0 x 0" 45 38 44 0 0 0 "M0 x 0" 50 38 44 0 0 0 "M0 x 0" 32 17 22 0 0 0 "M0 x 0" 36 17 22 0 0 0 "M0 x 0" 32 22 30 0 0 0 "M0 x 0" 36 22 30 0 0 0 "M0 x 0" 40 30 38 0 0 0 "M0 x 0" 45 30 38 0 0 0 "M0 x 0" 45 38 44 0 0 0 "M0 x 0" 50 38 44 0 0 0 "M0 x 0" 32 17 22 0 0 0 "M0 x 0" 36 17 22 0 0 0 "M0 x 0" 32 22 30 0 0 0 "M0 x 0" 36 22 30 0 0 0 "M0 x 0" 40 30 38 0 0 0 "M0 x 0" 45 30 38 0 0 0 "M0 x 0" 45 38 44 0 0 0 "M0 x 0" 50 38 44 0 0 0 "M0 x 0" 32 22 30 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 36 22 30 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 40 30 38 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 45 30 38 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 45 38 44 4,5 8 3,2 "M0 x 0" 50 38 44 4,5 8 3,2 "M0 x 0" 32 22 30 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 36 22 30 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 40 30 38 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 45 30 38 3,4 6 2,4 "M0 x 0" 45 38 44 4,5 8 3,2 "M0 x 0" 50 38 44 4,5 8 3,2 "M0 x 0" 40 22 30 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 45 22 30 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 50 30 38 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 56 30 38 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 56 38 44 4,5 8 3,2 "M4 x 0.7" 63 38 44 4,5 8 3,2 "M4 x 0.7"

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

41

Fortsetzung der Tabelle: Bezeichnung Passfeder_F_8x7x40 Passfeder_F_8x7x45 Passfeder_F_10x8x50 Passfeder_F_10x8x56 Passfeder_F_12x8x56 Passfeder_F_12x8x63

Form "F" "F" "F" "F" "F" "F"

b 8 8 10 10 12 12

h 7 7 8 8 8 8

l d1min d1max d3 d4 t3 d5 40 22 30 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 45 22 30 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 50 30 38 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 56 30 38 3,4 6 2,4 "M3 x 0.5" 56 38 44 4,5 8 3,2 "M4 x 0.7" 63 38 44 4,5 8 3,2 "M4 x 0.7"

Die Formen A, B und AB besitzen keine Stufenbohrungen und keine Gewindebohrungen. Die Zellen müssen jedoch trotzdem ausgefüllt werden, da NX an diesen Stellen Werte erwartet. Um zu kennzeichnen, dass diese Elemente nicht vorhanden sind, wird hier jeweils eine Null eingetragen. Da die Formelemente in dem CAD-Modell unterdrückt werden, führen die Nullen in NX nicht zu einem Fehler. Gleiches gilt für die Gewindebohrungen der Formen C und D. Erklärung der Ausdrücke: Ausdruck Beschreibung Form b h l d1min d1max d3 d4 t3 d5

II.

Form der Passfeder Breite Höhe Länge Minimaler Wellendurchmesser Maximaler Wellendurchmesser Durchmesser der Senkbohrung Senkdurchmesser der Senkbohrung Senktiefe der Senkbohrung Gewindebohrung für die Abdrückschraube

Erstellen der Parameter in NX 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ 0_Template_Passfeder

42

3 Teilefamilien 2. Ausdrücke ⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

b d1max d1min d3 d4 h l t3

12 8 6 3.4 6 8 56 2.4

mm mm mm mm mm mm mm mm

Länge Länge Länge Länge Länge Länge Länge Länge

Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl

⇨ Neuer Ausdruck

Name ⇨ Form Formel ⇨ "A"

Typ ⇨ Zeichenfolge

Der Ausdruck d5 für die Gewindebohrung wird später automatisch durch das Erzeugen der Gewindebohrung erstellt und anschließend manuell umbenannt und angepasst. Eine Gewindebohrung kann generell erst nach dem Erzeugen parametrisiert werden.

III. Modellieren der Passfeder 1. Quader (Block) Länge (XC) ⇨ l

Breite (YC) ⇨ b Höhe (ZC) ⇨ h

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

43

Die Kantenverrundungen für die rundstirnigen Passfederformen werden erst zum Schluss erzeugt, um die Verrundungskanten nicht versehentlich als Referenzen bei der Positionierung der Bohrungen zu selektieren. Das Unterdrücken der Verrundungen würde sonst zu einem Fehler führen, da die Referenzkante der Positionierung nicht mehr vorhanden wäre. 2. Bohrung Erzeugen ⇨ Flachsenkung Senkdurchmesser ⇨ d4 Senktiefe ⇨ t3

Durchmesser ⇨ d3

Tiefenbegrenzung ⇨ Durch Körper Bemaßung zur X-Achse ⇨ b/2 Bemaßung zur Y-Achse ⇨ l/2 3. Unterdrücken der Bohrung Damit die erzeugte Bohrung bei der weiteren Modellierung nicht stört, wird diese unterdrückt. ⇨ RMT auf Flachgesenkte Bohrung (2) ⇨ Unterdrücken (Suppress) Alternativ:

⇨ Menü ⇨ Bearbeiten ⇨ Formelement ⇨ Unterdrücken (Suppress) 4. Bohrung

Erzeugen ⇨ Flachsenkung Senkdurchmesser ⇨ d4 Senktiefe ⇨ t3

Durchmesser ⇨ d3

Tiefenbegrenzung ⇨ Durch Körper Bemaßung zur X-Achse ⇨ b/2 Bemaßung zur Y-Achse ⇨ b

44

3 Teilefamilien 5. Formelement mustern ⇨ Flachgesenkte Bohrung (3) Layout ⇨ Linear

Richtung 1 ⇨ X-Achse

Abstand ⇨ Anzahl und Steigung Anzahl ⇨ 2

Steigungsabstand ⇨ l-(2*b)

6. Formelementgruppe Um die Bohrung und die gemusterte Bohrung schneller zu unterdrücken, werden sie gruppiert. ⇨ Auswahl der Flachgesenkten Bohrung (3) und des Musterformelements (4) (Strg-Taste halten) ⇨ RMT ⇨ Formelementgruppe (Feature Group)

Formelement-Gruppenname ⇨ Form E F

7. Unterdrücken der Formelementgruppe ⇨ RMT auf erzeugte Formelementgruppe ⇨ Unterdrücken (Suppress) 8. Bohrung

Typ ⇨ Gewindebohrung Größe ⇨ M2.5 x 0.45

Radiales Anfahren ⇨ 0.75 Tiefentyp ⇨ Vollständig

Bemaßung zur X-Achse ⇨ b/2

Bemaßung zur Y-Achse ⇨ 2*b

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

45

9. Ausdrücke Der Ausdruck für die Gewindebohrung wird umbenannt: ⇨ Auswählen der Gewindebohrung im Teile-Navigator bei geöffnetem Ausdruckseditor

Im Ausdruckseditor werden nun die Parameter der Gewindebohrung angezeigt. ⇨ Auswählen des Ausdrucks, welcher die Formel "M2.5 x 0.45" enthält

⇨ Umbenennen des Ausdrucks in d5

Der umbenannte Ausdruck wird nicht im Teile-Navigator angezeigt, kann jedoch im Ausdruckseditor z. B. mit dem Filter Benannte Ausdrücke (Named Expressions) wiedergefunden werden. 10. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ b/2

46

3 Teilefamilien 11. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ b/2

Da auch die Form AB durch die Teilefamilie abgebildet werden soll, müssen die Kantenverrundungen auf beiden Seiten einzeln erstellt werden.

12. Unterdrückung aufheben Nach dem Aufheben der Unterdrückung aller Elemente sollte die Passfeder wie rechts abgebildet aussehen. ⇨ RMT auf Formelement ⇨ Unterdrückung aufheben (Unsuppress)

IV. Erstellen der logischen Bedingungen Nachdem das Grundmodell der Passfeder erstellt ist, werden die logischen Bedingungen erstellt. Dazu werden einige Formelemente des Modells in Abhängigkeit von den erzeugten Parametern unterdrückt. 1. Kantenverrundung (7) nach Ausdruck unterdrücken ⇨ Menü ⇨ Bearbeiten ⇨ Formelement

⇨ Nach Ausdruck unterdrücken (Suppress by Expression) Ausdrucksoption ⇨ Für Einzelne erzeugen ⇨ Formelement auswählen ⇨ Kantenverrundung (7)

Alternativ kann das zu unterdrückende Formelement auch zuerst ausgewählt und danach die Funktion aufgerufen werden. Eine Mehrfachauswahl ist durch Halten der Strg-Taste möglich. Über die Ausdrucksoption können auch vorhandene Unterdrückungen gelöscht werden.

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

47

Durch die Unterdrückung der Kantenverrundung nach Ausdruck wird das Augensymbol vor der Kantenverrundung im Teile-Navigator durch ein Checkbox-Symbol ersetzt. Ist die Kantenverrundung aktiv, ist das Symbol grün. Wird die Kantenverrundung unterdrückt, ist das Symbol grau gefärbt. 2. Ausdrücke Durch die Unterdrückung wurde ein Ausdruck mit dem Ursprung (Kantenverrundung(7) Suppression Status) erzeugt. Werden alle Ausdrücke angezeigt, kann dieser Ausdruck am Ende der Liste ausgewählt und editiert werden.

Damit dieser Ausdruck in der Liste zukünftig schnell identifiziert werden kann, wird er umbenannt. Name ⇨ u_Kantenverrundung_1

Nimmt der Ausdruck einen Wert von 1 an, bleibt die Kantenverrundung aktiviert, bei einem anderen Wert ungleich 1 (z. B. 0) wird die Kantenverrundung unterdrückt. Der Ausdruck wird nun mit einer IF-Funktion in Abhängigkeit von der Form versehen: ⇨ RMT auf die Zelle Formel ⇨ Bearbeiten (Edit)

48

3 Teilefamilien Logische Bedingungsklausel (Logical condition clause) Somit wird der Bedingungs-Assistent gestartet. If ⇨ Form="A" | Form="C" | Form="E" Then ⇨ 1 Else ⇨ 0

Eine Beschreibung der in NX verwendeten Syntax zur Definition logischer Bedingungen ist in Abschnitt 1.1 gegeben. Wird in dem Dropdown-Menü Else If anstatt Else gewählt, können weitere Bedingungen definiert werden. Somit sind keine verschachtelten If-Funktionen notwendig. Durch die Verwendung des Bedingungs-Assistenten wird folgende Formel erstellt: If (Form="A" | Form="C" | Form="E") Then (1) Else (0) Über Ändern der Methode zum Bearbeiten der Formel kann zwischen einer Eingabezeile und einem Eingabefeld gewechselt werden. Durch Bestätigen des Dialogs wird die Formel in den Ausdruckseditor überführt. Wenn der Parameter Form jetzt die Werte A, C oder E annimmt, erhält der Parameter u_Kantenverrundung_1 den Wert 1, andernfalls den Wert 0. Alternativ kann die Formel auch direkt im Ausdruckseditor eingegeben werden. Formel ⇨ if (Form="A" | Form="C" | Form="E") (1) else (0)

Der Term Then wird dabei nicht zwingend benötigt, erleichtert jedoch ggf. die Lesbarkeit. Groß- und Kleinschreibung wird in der Syntax nicht unterschieden. Die weiteren Formeln können in den folgenden Schritten auch direkt im Ausdruckseditor eingetragen oder selbstständig im Bedingungs-Assistent erstellt werden.

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

49

3. Kantenverrundung (8) nach Ausdruck unterdrücken ⇨ Wiederholen der Schritte 1 und 2 für die Kantenverrundung (8)

Ausdrucksname ⇨ u_Kantenverrundung_2 Formel ⇨ if (Form="A" | Form="AB" | Form="C" | Form="E") (1) else (0)

Wenn der Parameter Form die Werte A, AB, C oder E annimmt, dann hat der Parameter u_Kantenverrundung_2 den Wert 1, andernfalls den Wert 0. 4. Flachgesenkte Bohrung (2) nach Ausdruck unterdrücken Ausdrucksname ⇨ u_Flachsenkung_C_D

Formel ⇨ if (Form="C" | Form="D") (1) else (0)

Wenn der Parameter Form die Werte C oder D annimmt, dann hat der Parameter u_Flachsenkung_C_D den Wert 1, andernfalls den Wert 0. 5. Formelementgruppe (5) "Form E F" nach Ausdruck unterdrücken Ausdrucksname ⇨ u_Flachsenkung_E_F

Formel ⇨ if (Form="E" | Form="F") (1) else (0)

6. Gewindebohrung (6) nach Ausdruck unterdrücken Ausdrucksname ⇨ u_Abdrueckschraube_E_F

Formel ⇨ if (Form="E" | Form="F" & b>=12) (1) else (0)

Wenn der Parameter Form die Werte E oder F annimmt und die Breite b größer gleich 12 ist, dann hat der Parameter u_Abdrueckschraube_E_F den Wert 1, andernfalls den Wert 0. Die Abhängigkeit der Gewindebohrung vom Parameter b wird benötigt, da die Gewindebohrung erst bei Passfedern ab 12 x 8 vorhanden ist. Die erstellten logischen Zusammenhänge werden im Ausdruckeditor zusammenfassend dargestellt.

50

V.

3 Teilefamilien

Erzeugen der Teilefamilie 1. Teilefamilien ⇨ Register Werkzeuge ⇨ Teilefamilien Auswählen der Parameter

Verfügbare Spalten ⇨ Ausdrücke

⇨ Ausdrücke bei Ende hinzufügen - Part_Name - Form - b - h - l - d1min - d1max - d3 - d4 - t3 - d5 Damit die unter Schritt I erstellte Tabelle verwendet werden kann, sollte die Spaltenreihenfolge mit der erstellten Tabelle übereinstimmen. ⇨ Importierbare Teilefamilien-Vorlage deaktivieren Familienspeicherverzeichnis

⇨ Verzeichnis auswählen, in dem die Elemente der Teilefamilie nach dem Erzeugen gespeichert werden sollen ⇨ Tabelle erstellen

Microsoft Excel wird geöffnet.

3.2 Teilefamilie einer Passfeder

51

Die Werte der in Schritt I erstellten Tabelle werden nun in die Tabelle der Teilefamilie kopiert.

2. Familie speichern ⇨ Add-Ins ⇨ Teilefamilie ⇨ Familie speichern

Excel wird beendet und es wird wieder zu NX zurückgekehrt.

3. Datei speichern

52

3 Teilefamilien

VI. Einfügen verschiedener Passfedervarianten in eine Baugruppe 1. Erstellen einer neuen Datei (Baugruppe) Der Dateiname kann frei gewählt werden. 2. Hinzufügen (Add) Teil auswählen ⇨ 0_Template_Passfeder

Im nachfolgenden Dialog wird ein Familienelement anhand seiner Familienattribute ausgewählt. Hier können nun selbstständig verschiedene Passfedervarianten zur Baugruppe hinzugefügt werden.

3.3 Ablegen in der Wiederverwendungsbibliothek Die erstellten Teilefamilien können auch als Standardteile in der Wiederverwendungsbibliothek (Reuse Library) verwendet werden. Dazu werden die Template-Dateien zunächst an einen geeigneten Ort kopiert und dieser dann anschließend in den Anwenderstandards eingetragen. 1. Kopieren der Template-Dateien Die Template-Dateien der Lochplatte und der Passfeder werden in einen gemeinsamen Ordner kopiert. z. B. C:\NX-Standard-Parts\Eigene Zudem können die Dateien auch umbenannt werden. Die Dateinamen werden später bei der Teileauswahl in der Wiederverwendungsbibliothek angezeigt.

3.3 Ablegen in der Wiederverwendungsbibliothek

53

2. Anwenderstandards (Customer Defaults) ⇨ Datei ⇨ Dienstprogramme ⇨ Anwenderstandards ⇨ Gateway ⇨ Wiederverwendungsbibliothek ⇨ Register Allgemein

⇨ Bibliotheken nach nativem Ordner anordnen

⇨ Eintragen von Eigene Standardteile|C:\NX-Standard-Parts\Eigene

Der Ausdruck vor dem Verkettungszeichen (|) stellt den Namen in der Wiederverwendungsbibliothek dar, der zweite Ausdruck verweist auf den Speicherort der Template-Dateien.

Standardteile werden nach dem Einfügen immer am gleichen Ort gespeichert. Im Register Wiederverwendbare Komponente kann dieser Speicherort im Feld Teilefamilienspeicherverzeichnis geändert werden. 3. NX neu starten Nach der Änderung der Anwenderstandards muss NX neu gestartet werden.

54

3 Teilefamilien 4. Erstellen einer neuen Datei (Baugruppe) 5. Wiederverwendungsbibliothek (Reuse Library) ⇨ Eigene Standardteile

Elementauswahl (Member Select) Über die Elementauswahl können die eigenen Standardteile per Doppelklick oder Drag-and-Drop ausgewählt werden. Die Auswahl des Familienelements anhand seiner Familienattribute erfolgt dann wie bereits bekannt.

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks Bisher wurden ausschließlich Teilefamilien von Einzelteilen betrachtet. Es ist jedoch auch möglich, diese auf Baugruppen anzuwenden und sog. Baugruppenfamilien zu erstellen. Da in der Dateistruktur von NX nicht zwischen Baugruppen und Einzelteilen unterschieden wird und beide als prt-Dateien gespeichert werden, wird auch bei der Erstellung von Teilefamilien nicht zwischen Baugruppen und Einzelteilen unterschieden. So werden auch Baugruppenfamilien über die Funktion der Teilefamilien erzeugt. In diesem Abschnitt wird eine Baugruppenfamilie für ein Batteriepack erstellt. Dabei werden zwei Arten von Batterierundzellen verwendet: AA und AAA. Weiterhin werden zwei verschiedene Musterlayouts der Zellen realisiert: ein lineares (links) und ein gestaffeltes Layout (rechts).

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

55

Vorgehensweise: I. Erstellen der CAD-Modelle der Batteriezellen II. Erstellen der Baugruppe des Batteriepacks III. Erzeugen der Excel-Tabelle für die abzubildenden Varianten IV. Erzeugen der Teilefamilie V. Anwenden der Teilefamilie VI. Anpassen der Teilefamilie Das Erzeugen der Baugruppe sowie die Erstellung und die Anwendung der Teilefamilie sind ergänzend zum Text auch als Video verfügbar.

I.

Erstellen der CAD-Modelle der Batteriezellen Zunächst wird ein parametrisches CAD-Modell einer Rundzelle erzeugt, aus der die Modelle der AA- und AAA-Zellen abgeleitet werden. Die Rundzellen werden dazu vereinfacht gemäß der folgenden Zeichnung modelliert:

Die Modellierung der Rundzelle kann selbstständig anhand der Zeichnung durchgeführt werden. Alternativ kann auch die folgende Anleitung genutzt werden. 1. Neue Datei (Modell) Dateiname ⇨ Batteriezelle

2. Ausdrücke

⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke:

Name Formel Einheiten Dimensionalität D H

14 50

mm mm

Länge Länge

Typ Anzahl Anzahl

56

3 Teilefamilien 3. Arbeitslayer 21 4. Skizze ⇨ XZ-Ebene

Damit die Durchmesser direkt in der Skizze bemaßt werden können, wird die Kurve gespiegelt und in eine Referenz konvertiert.

5. Arbeitslayer 1 6. Drehen der Skizze (Revolve) Drehachse ⇨ Z-Achse

7. Kantenverrundung (Edge Blend) ⇨ Erzeugen der Kantenverrundungen gemäß der Zeichnung

Radius 1 ⇨ 1

8. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ 0.5

9. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ 0.2

10. Ausblenden von Layer 21 und 61 11. Datei speichern 12. Speichern unter Dateiname ⇨ Batteriezelle_AA

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

57

13. Ändern der Ausdrücke Die Parameterwerte werden geändert und die Datei wird nochmals unter einem anderen Namen gespeichert. D ⇨ 10 H ⇨ 44

14. Speichern unter Dateiname ⇨ Batteriezelle_AAA

Somit existieren nun drei Dateien: Batteriezelle, Batteriezelle_AA und Batteriezelle_AAA

II.

Erstellen der Baugruppe des Batteriepacks 1. Neue Datei (Modell) Dateiname ⇨ 0_Template_Batteriepack

Obwohl eine Baugruppe erstellt werden soll, wird als neue Datei ein Modell gewählt, da somit beim Erstellen der Datei auch standardmäßig ein Bezugskoordinatensystem erzeugt wird. 2. Ausdrücke ⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

a Layout n_x n_y Zelle

Formel Einheiten Dimensionalität 0 "linear" 3 4 "AA"

mm

Länge

Ohne Einheit Ohne Einheit

Typ Anzahl Zeichenfolge Anzahl Anzahl Zeichenfolge

⇨ Neuer Ausdruck

Name ⇨ D

Formel ⇨ if (Zelle = "AA") (14) else (10) Einheiten ⇨ mm

Dimensionalität ⇨ Länge

Typ ⇨ Anzahl

Der Wert des Ausdrucks D wird in Abhängigkeit von der gewählten Zelle definiert und entspricht somit dem Durchmesser der Zelle. Dieser Wert wird später für den Musterabstand verwendet.

58

3 Teilefamilien Über die erstellten Ausdrücke werden die Varianten des Batteriepacks gesteuert. Die Ausdrücke n_x und n_y definieren dabei die Anzahl der Zellen in der jeweiligen Koordinatenrichtung. Weiterhin werden die Art des Layouts und die Zellen variiert. Der Zelldurchmesser D wird für den Abstand der Musterelemente benötigt. Zusätzlich wird der Ausdruck a für den Abstand zwischen den Zellen verwendet. 3. Arbeitslayer 61 4. Punkt (Point) Zur Positionierung der Zellen wird ein Punkt erzeugt. Referenz ⇨ Absolut - Aktives Teil

X ⇨ D/2

Y ⇨ D/2 Z⇨0

⇨ Assoziativ aktivieren

5. Formelement mustern ⇨ Punkt wählen

Layout ⇨ Linear

Richtung 1 ⇨ X-Achse

Abstand ⇨ Anzahl und Steigung

Anzahl ⇨ n_x

Steigungsabstand ⇨ D+a

Richtung 2 ⇨ Y-Achse

Abstand ⇨ Anzahl und Steigung

Anzahl ⇨ n_y

Steigungsabstand ⇨ D+a

Methode ⇨ Abweichend

6. Unterdrücken des Musterformelements Damit das erzeugte Musterformelement bei der weiteren Modellierung nicht stört, wird es unterdrückt. ⇨ RMT auf Musterformelement ⇨ Unterdrücken (Suppress)

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

59

7. Formelement mustern ⇨ Punkt wählen

Layout ⇨ Linear

Richtung 1 ⇨ X-Achse

Abstand ⇨ Anzahl und Steigung

Anzahl ⇨ n_x

Steigungsabstand ⇨ (D+a)*sin(60)

Richtung 2 ⇨ Y-Achse

Abstand ⇨ Anzahl und Steigung

Anzahl ⇨ n_y

Steigungsabstand ⇨ D+a

Mustereinstellungen

Staffelung ⇨ Richtung 2

⇨ Letzten Instanzeneintrag anzeigen deaktivieren

Methode ⇨ Abweichend

Durch die Staffelung werden die gemusterten Elemente um den halben Steigungsabstand in Richtung 2 versetzt. Damit zwischen den Elementen kein Freiraum entsteht, muss der Steigungsabstand in Richtung 1 um den Faktor sin(60) angepasst werden. Die Option Letzten Instanzeneintrag anzeigen aktiviert bzw. deaktiviert das letzte überstehende Element der Staffelung. In diesem Beispiel wird die Option deaktiviert. 8. Unterdrückung aufheben (Unsuppress) Nach dem Aufheben der Unterdrückung aller Elemente werden beide Musterformelemente überlagert dargestellt. Da die Staffelung des Musters nicht über einen Parameter gesteuert werden kann, wurden zwei separate Musterformelemente erzeugt, welche folgend durch Ausdrücke unterdrückt und aktiviert werden.

60

3 Teilefamilien 9. Musterformelement (2) nach Ausdruck unterdrücken ⇨ Menü ⇨ Bearbeiten ⇨ Formelement ⇨ Nach Ausdruck unterdrücken (Suppress by Expression)

Ausdrucksoption ⇨ Für Einzelne erzeugen ⇨ Formelement auswählen

⇨ Musterformelement [Linear](2) 10. Ausdrücke Durch die Unterdrückung wird ein Ausdruck mit dem Ursprungsverweis (Musterformelement [Linear](2) Suppression Status) erzeugt. Werden alle Ausdrücke angezeigt, kann dieser Ausdruck im unteren Bereich der Liste ausgewählt und editiert werden.

⇨ Umbenennen des Ausdrucks

Name ⇨ u_Layout_linear

Zur parametergesteuerten Unterdrückung des Musterformelements wird folgende Formel verwendet: Formel ⇨ if (Layout="linear") (1) else (0)

Wenn der Parameter Layout jetzt den Wert "linear" annimmt, erhält der Parameter u_Layout_linear den Wert 1 und das Musterformelement ist aktiviert. Andernfalls hat der Parameter einen Wert von 0 und das Muster ist unterdrückt.

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

61

11. Musterformelement (3) nach Ausdruck unterdrücken ⇨ Wiederholen der letzten beiden Schritte für das Musterformelement (3)

Name ⇨ u_Layout_gestaffelt

Formel ⇨ if (Layout="gestaffelt") (1) else (0)

Somit wird auch das zweite Musterformelement in Abhängigkeit von dem Parameter Layout gesteuert. 12. Arbeitslayer 1 Die Musterformelemente des Batteriepacks sind nun fertiggestellt. In den folgenden Schritten werden diese als Referenz für zwei Komponentenmuster genutzt. Dabei wird zunächst mit einem linearen Layout begonnen: Layout ⇨ "linear"

13. Aktivieren des Registers Baugruppen ⇨ Datei ⇨ Baugruppen 14. Hinzufügen

Teil ⇨ Batteriezelle

Baugruppenposition ⇨ Absolut Aktives Teil 15. Baugruppenzwangsbedingungen Typ ⇨ Berührung/Ausrichtung

⇨ Ursprungspunkt des Musters und Achse der Batteriezelle wählen

Die vertikale Position der Batteriezelle wird an dieser Stelle nicht weiter definiert. Es kann jedoch auch selbstständig eine weitere Zwangsbedingung hinzugefügt werden.

62

3 Teilefamilien 16. Komponente mustern (Pattern Component) ⇨ Batteriezelle wählen

Layout ⇨ Referenz

Muster ⇨ Musterformelement (2) Basisinstanz ⇨ Ausgangspunkt

Obwohl mit dem Komponentenmuster auch direkt Musterelemente ohne Referenz erzeugt werden können, muss das Komponentenmuster hier über den „Umweg“ des Musterformelements als Referenz erstellt werden, da das Musterformelement einen deutlich größeren Funktionsumfang als das Komponentenmuster bietet (z. B. Staffelung) und nur so die Unterdrückung nach Ausdruck realisiert werden kann. 17. Ausdrücke ⇨ Ändern des Parameterwertes des Layouts

Layout ⇨ "gestaffelt"

Die durch die Parameteränderung bedingte Unterdrückung des Musters führt zu einem Fehler des Komponentenmusters, da dessen Referenz fehlt. Somit wird das Komponentenmuster gewissermaßen automatisch unterdrückt. 18. Komponente mustern (Pattern Component) ⇨ Batteriezelle wählen

Layout ⇨ Referenz

Muster ⇨ Musterformelement (3)

Basisinstanz ⇨ Ausgangspunkt

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

63

In der Baugruppe existieren nun zwei Komponentenmuster, die sich jeweils auf die verschiedenen Musterformelemente der unterschiedlichen Layouts beziehen.

19. Ausdrücke ⇨ Ändern des Parameterwertes des Layouts auf den ursprünglichen Wert

Layout ⇨ "linear"

20. Ausblenden von Layer 61 21. Datei speichern

III. Erzeugen der Excel-Tabelle für die abzubildenden Varianten Vor der Erstellung der Teilefamilie wird die Excel-Tabelle für die Varianten erzeugt. Diese kann wie schon beim Beispiel der Passfeder (s. Abschnitt 3.2) im Download-Bereich des Buches heruntergeladen werden. Besteht kein Zugang zum Download-Bereich kann die folgende vereinfachte Tabelle auch manuell übertragen oder in eine Excel-Datei kopiert werden, sofern das Buch als eBook vorliegt. Die Tabelle kann zudem auch selbstständig um eigene Varianten erweitert werden.

64 Part_Name BP_AA_lin_3x3x0 BP_AA_lin_4x4x0 BP_AA_lin_4x5x0 BP_AA_lin_5x5x0 BP_AA_lin_3x3x1 BP_AA_lin_4x4x1 BP_AA_lin_4x5x1 BP_AA_lin_5x5x1 BP_AA_gest_3x3x0 BP_AA_gest_4x4x0 BP_AA_gest_4x5x0 BP_AA_gest_5x5x0 BP_AA_gest_3x3x1 BP_AA_gest_4x4x1 BP_AA_gest_4x5x1 BP_AA_gest_5x5x1 BP_AAA_lin_3x3x0 BP_AAA_lin_4x4x0 BP_AAA_lin_4x5x0 BP_AAA_lin_5x5x0 BP_AAA_lin_3x3x1 BP_AAA_lin_4x4x1 BP_AAA_lin_4x5x1 BP_AAA_lin_5x5x1 BP_AAA_gest_3x3x0 BP_AAA_gest_4x4x0 BP_AAA_gest_4x5x0 BP_AAA_gest_5x5x0 BP_AAA_gest_3x3x1 BP_AAA_gest_4x4x1 BP_AAA_gest_4x5x1 BP_AAA_gest_5x5x1

3 Teilefamilien n_x n_y Layout 3 3 "linear" 4 4 "linear" 4 5 "linear" 5 5 "linear" 3 3 "linear" 4 4 "linear" 4 5 "linear" 5 5 "linear" 3 3 "gestaffelt" 4 4 "gestaffelt" 4 5 "gestaffelt" 5 5 "gestaffelt" 3 3 "gestaffelt" 4 4 "gestaffelt" 4 5 "gestaffelt" 5 5 "gestaffelt" 3 3 "linear" 4 4 "linear" 4 5 "linear" 5 5 "linear" 3 3 "linear" 4 4 "linear" 4 5 "linear" 5 5 "linear" 3 3 "gestaffelt" 4 4 "gestaffelt" 4 5 "gestaffelt" 5 5 "gestaffelt" 3 3 "gestaffelt" 4 4 "gestaffelt" 4 5 "gestaffelt" 5 5 "gestaffelt"

a 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

Zelle "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA" "AAA"

BATTERIEZELLE Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA Batteriezelle_AAA

Zum Ausfüllen der Spalte Part_Name kann in Excel wieder die folgende Formel genutzt werden: ="BP_AA_lin_"&TEXT(B2;0)&"x"&TEXT(C2;0)&"x"&TEXT(E2;0)

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

IV. Erzeugen der Teilefamilie 1. Teilefamilien Auswählen der Parameter Verfügbare Spalten ⇨ Ausdrücke

⇨ Ausdrücke bei Ende hinzufügen - Part_Name - n_x

- n_y - Layout - a - Zelle Damit die erstellte Tabelle verwendet werden kann, muss die Spaltenreihenfolge übereinstimmen. Auswählen der Komponenten Verfügbare Spalten ⇨ Komponenten

Zusätzlich zur bereits bekannten Auswahl von Ausdrücken und Formelementen können auch Komponenten ausgewählt werden.

⇨ Komponente bei Ende hinzufügen - BATTERIEZELLE

⇨ Importierbare Teilefamilien-Vorlage deaktivieren Familienspeicherverzeichnis ⇨ Verzeichnis festlegen ⇨ Tabelle erstellen

Microsoft Excel wird geöffnet.

65

66

3 Teilefamilien

Die Werte der in Schritt III erstellten Tabelle müssen nun in die Tabelle der Teilefamilie kopiert werden.

2. Familie speichern ⇨ Add-Ins ⇨ Teilefamilie ⇨ Familie speichern 3. Datei speichern

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

V.

67

Anwenden der Teilefamilie Für die Anwendung wird die Teilefamilie als Unterbaugruppe in einer neuen Baugruppe eingefügt. 1. Erstellen einer neuen Datei (Baugruppe) 2. Hinzufügen Teil ⇨ 0_Template_Batteriepack

Anhand der Familienattribute können selbstständig verschiedene Varianten des Batteriepacks ausgewählt und der Baugruppe hinzugefügt werden.

Beim Anwenden einer Baugruppenfamilie (Teilefamilie mit Komponenten) muss darauf geachtet werden, dass die Komponenten, welche in der TemplateDatei verwendet werden, im gleichen Verzeichnis wie die Template-Datei gespeichert sind. Wird die Baugruppe, in der die Teilefamilie angewendet wurde, nach dem Schließen erneut geöffnet, werden die Familienelemente womöglich nicht gefunden, da sie im Familienspeicherverzeichnis gespeichert wurden und in den Ladeoptionen der Baugruppe standardmäßig Aus Ordner eingestellt ist. Daher müssen in einem solchen Fall die Ladeoptionen angepasst werden: ⇨ Datei ⇨ Ladeoptionen für Baugruppen (Assembly Load Options) Laden ⇨Wie gespeichert

Alternativ:

Laden ⇨ Aus Suchordnern

Um Probleme beim Laden zu vermeiden, können die Elemente der Teilefamilie sowie die dazugehörigen Komponenten alternativ auch manuell aus dem Familienspeicherverzeichnis in das Verzeichnis der Baugruppe kopiert werden,

68

3 Teilefamilien

VI. Anpassen der Teilefamilie Die Elemente der Teilefamilie werden bisher durch die Angabe der Zellanzahl in X- und in Y-Richtung ausgewählt. Oft ergibt sich jedoch auch die Problemstellung, ein Batteriepack gemäß des zur Verfügung stehenden Bauraums zu konfigurieren. Innerhalb des Musterformelements von NX stehen für derartige Anwendungen, in denen ein Muster durch seine äußeren Begrenzungen definiert wird, die Funktionen Begrenzungsdefinition und vereinfachtes Layout zur Verfügung. Auf Basis des erstellten Templates wird im Folgenden eine Teilefamilie erzeugt, welche über die äußeren Abmessungen konfiguriert werden kann. 1. Kopieren der Template-Datei Dateiname ⇨ 0_Template_Batteriepack_Abmessungen 2. Öffnen der kopierten Datei (Open) 3. Ausdrücke ⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name Formel Einheiten x y

40 60

mm mm

Dimensionalität

Typ

Länge Länge

Anzahl Anzahl

4. Einblenden aller relevanten Layer 5. Unterdrücken der Komponentenmuster Da an den Referenzmustern der Komponentenmuster grundlegende Änderungen vorgenommen werden, müssen die Komponentenmuster zunächst unterdrückt werden, um Fehler bei der Aktualisierung zu vermeiden. ⇨ Deaktivieren der Checkbox 6. Komponenten ausblenden

Auch die Batteriezellen werden ausgeblendet, um Fehler zu vermeiden. ⇨ Deaktivieren der Checkbox

Alternativ:

⇨ RMT ⇨ Ausblenden

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks 7. Arbeitslayer 21 8. Skizze ⇨ XY-Ebene

Die Skizze stellt die Begrenzung der Musterformelemente dar. Hierzu wird ein einfaches Rechteck verwendet. Es sind aber auch andere geschlossene Konturen möglich. 9. Arbeitslayer 1 10. Neu Einordnen der Skizze Da die Skizze als Begrenzung der Musterformelemente dient, muss sie in der Modellhistorie davor liegen. ⇨ Verschieben der Skizze

Alternativ:

⇨ RMT auf Skizze

⇨ Neu einordnen vor (Reorder Before)

11. Musterformelement (3) mit Rollback bearbeiten ⇨ RMT auf Musterformelement (3) ⇨ Mit Rollback bearbeiten

Alternativ:

⇨ Doppelklick

Begrenzung ⇨ Kurve

⇨ Vereinfachte Begrenzungsfüllung aktivieren

⇨ Skizze auswählen

Option Randabstand ⇨ D/2 Layout ⇨ Quadrat

Steigungsabstand ⇨ D+a

Bei der Auswahl der Begrenzung ist darauf zu achten, dass die Kurvenauswahl aktiviert ist (gelbes Feld).

69

70

3 Teilefamilien Innerhalb der Begrenzung werden nun mit dem vorgegebenen Layout so viele Musterelemente erzeugt wie möglich. Dies ist deutlich zu erkennen, wenn das Komponentenmuster aktiviert und die Batteriezelle wieder eingeblendet wird. Die Anzahl der Musterelemente wird somit nicht mehr vorgegeben, sondern resultiert aus der Begrenzung. 12. Ausdrücke ⇨ Ändern des Parameterwertes für das Layout

Layout ⇨ "gestaffelt"

13. Musterformelement (4) mit Rollback bearbeiten ⇨ RMT auf Musterformelement (4) ⇨ Mit Rollback bearbeiten

Alternativ:

⇨ Doppelklick

Begrenzung ⇨ Kurve

⇨ Vereinfachte Begrenzungsfüllung aktivieren

⇨ Skizze auswählen

Option Randabstand ⇨ D/2 Layout ⇨ Dreieck

Steigungsabstand ⇨ D+a Rotationswinkel ⇨ 90

Durch die Verwendung eines Rotationswinkels kann die Bauraumausnutzung verbessert werden. In diesem Beispiel wird durch einen Rotationswinkel von 90° eine deutlich bessere Bauraumausnutzung erzielt.

0°

90°

Zusätzlich kann selbstständig ein weiteres Musterformelement mit dem Layout Raute erzeugt und in die bisherige Parameterlogik eingebunden werden.

3.4 Baugruppenfamilie eines Batteriepacks

71

14. Ausblenden von Layer 21 und 61 15. Teilefamilien Da zur Definition der Teilefamilie die Parameter x und y verwendet werden sollen, muss die Teilefamilie angepasst werden. ⇨ Anpassen der Spalten - Part_Name - x - y - Layout - a - Zelle - BATTERIEZELLE ⇨ Importierbare TeilefamilienVorlage deaktivieren Familienspeicherverzeichnis ⇨ Verzeichnis festlegen

⇨ Tabellenkalkulation bearbeiten

Microsoft Excel wird geöffnet.

Da die Tabelle der Teilefamilie bereits mehrere ausgefüllte Zeilen beinhaltete, wurden diese mit den aktuellen Werten der neu hinzugefügten Parameter aufgefüllt.

72

3 Teilefamilien Die Tabelle kann beliebig editiert werden. Alternativ kann auch eine Tabelle im Download-Bereich des Buches heruntergeladen werden (s. Kapitel 1).

16. Familie speichern ⇨ Add-Ins ⇨ Teilefamilie ⇨ Familie speichern 17. Datei speichern

18. Teilefamilie anwenden Die Anwendung der Teilefamilie kann selbstständig erfolgen.

3.5 Kontrollfragen 1. Wie erfolgt das Erzeugen und Speichern von Bauteilen aus einer Teilefamilie heraus? 2. Wie kann eine bestehende Teilefamilie geändert oder erweitert werden? 3. Für welche Bauteile ist es sinnvoll, eine Teilefamilie zu verwenden? 4. Was ist beim erneuten Öffnen von Baugruppenfamilien zu beachten, wenn Komponenten nicht gefunden werden?

4

Deformierbare Teile Deformierbare Teile (Deformable Parts) sind Bauteile, welche ausgehend von einer ursprünglichen Geometrie in einer Baugruppe einen deformierten Zustand einnehmen. Dadurch lassen sich mit einem einzigen Modell verschiedene Zustände eines Bauteils abbilden, ohne dass für die verschiedenen Einbauzustände weitere Modelle erstellt werden müssen. Diese Funktion findet häufig bei leicht verformbaren Bauteilen Anwendung, z. B. bei Federn, Klammern, Dichtungen, Klebestreifen oder Schläuchen. Alternativ zu deformierbaren Teilen können unterschiedliche Zustände eines Bauteils in einer Baugruppe auch über verschiedene Reference Sets realisiert werden. Dabei wird die Geometrie des Bauteils für jeden Zustand in einem separaten Reference Set gespeichert. In der Baugruppe oder in der Zeichnung kann der gewünschte Zustand dann über das jeweilige Reference Set gewählt werden. Diese Methode eignet sich insbesondere für die Modellierung von großen Verformungen, welche gar nicht oder nur sehr schwer mit Parametern oder Geometrievariation abgebildet werden können, z. B. bei Nieten. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass jeder Zustand ein eigenes Reference Set erfordert und somit nur eine begrenzte Anzahl von Zuständen abgebildet werden kann. Über ein deformierbares Teil hingegen lässt sich auch eine große Anzahl von Zuständen realisieren, auch wenn diese bei der Erstellung des Ausgangsteils noch nicht bekannt sind. Die Deformation kann dabei basierend auf einer Änderung von Parameterwerten oder durch die Änderung einer geometrischen Referenz erfolgen. Zudem ist eine Kombination beider Methoden möglich. In diesem Kapitel werden beide Methoden jeweils an einem Beispiel erläutert.

4.1 Parameterbasierte Deformation einer Feder In diesem Abschnitt werden die Erstellung und die Anwendung einer deformierbaren zylindrischen Druckfeder beschrieben. Die Enden der Feder sind dabei angelegt und geschliffen. Die Deformation erfolgt parameterbasiert, wobei die Feder gemäß der folgenden Abbildung parametrisiert wird. Vorgehensweise: I. Erzeugen eines parametrischen Modells der Feder II. Definieren des deformierbaren Teils III. Erstellen der Baugruppe IV. Deformieren der Feder

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_4

73

74

4 Deformierbare Teile Das Video zu diesem Abschnitt wird durch Scannen oder durch Anklicken des abgebildeten QR-Codes aufgerufen.

I.

Erzeugen eines parametrischen Modells der Feder 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ Feder

2. Ausdrücke

⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

d Dm L n

5 40 80 5

mm mm mm -

Länge Länge Länge Ohne Einheit

Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl

Der Parameter n stellt die Anzahl der federnden Windungen dar. 3. Spirale (Helix) ⇨ Register Kurve ⇨ Spirale Typ ⇨ Entlang Vektor

⇨ Bezugskoordinatensystem (0) auswählen Winkel ⇨ 0

Größe ⇨ Durchmesser ⇨ Dm Vorschub ⇨ d

Länge ⇨ Umdrehungen ⇨ 1

4.1 Parameterbasierte Deformation einer Feder 4. Bezugs-KSYS (Datum-CSYS) Typ ⇨ KSYS-Offset

Referenz ⇨ KSYS auswählen

⇨ Bezugskoordinatensystem (0) auswählen X⇨0

Y⇨0 Z⇨d

5. Spirale (Helix) Typ ⇨ Entlang Vektor

⇨ Bezugskoordinatensystem (2) auswählen Winkel ⇨ 0

Größe ⇨ Durchmesser ⇨ Dm Vorschub ⇨ (L-1.5*d)/n

Länge ⇨ Umdrehungen ⇨ n

6. Bezugs-KSYS (Datum-CSYS) Typ ⇨ KSYS-Offset

Referenz ⇨ KSYS auswählen

⇨ Bezugskoordinatensystem (2) auswählen X⇨0

Y⇨0

Z ⇨ L-1.5*d

75

76

4 Deformierbare Teile 7. Spirale Typ ⇨ Entlang Vektor

⇨ Bezugskoordinatensystem (4) auswählen Winkel ⇨ 0

Größe ⇨ Durchmesser ⇨ Dm Vorschub ⇨ d

Länge ⇨ Umdrehungen ⇨ 1 8. Auf Layer verschieben

⇨ Verschieben der Spiralen auf Layer 41

⇨ Verschieben der Bezugskoordinatensysteme auf Layer 61 9. Arbeitslayer 21 10. Skizze

Skizzentyp ⇨ Auf Pfad

⇨ Spirale (1) auswählen

% Kreisbogenlänge ⇨ 0

Die Skizze wird somit senkrecht zur gewählten Kurve platziert. Die Spirale muss im unteren Teil ausgewählt werden, damit die Bogenlänge vom Startpunkt der Spirale aus gemessen wird. Wird die Spirale im oberen Teil ausgewählt, muss eine Kreisbogenlänge von 100 eingegeben werden. ⇨ Erstellen eines Kreises mit dem Durchmesser d

Der Mittelpunkt des Kreises soll im Startpunkt der Spirale liegen. Wurde die Skizze richtig platziert, liegt der Koordinatenursprung der Skizze ebenfalls im Startpunkt der Spirale.

4.1 Parameterbasierte Deformation einer Feder 11. Arbeitslayer 1 12. Entlang Führung extrudieren (Sweep along Guide) Schnitt ⇨ Skizze auswählen

Führung ⇨ Spiralkurven auswählen

Der Warnhinweis zur Selbstschneidung des Volumenkörpers kann ignoriert werden. Alternativ kann der Wert für den Vorschub der oberen und unteren Spiralkurve auch etwas vergrößert werden. 13. Arbeitslayer 61 14. Bezugsebene Typ ⇨ Im Abstand

⇨ XY-Ebene von Bezugskoordinatensystem (0) wählen

Abstand ⇨ 0.25*d 15. Bezugsebene

Typ ⇨ Im Abstand

⇨ XY-Ebene von Bezugskoordinatensystem (4) wählen

Abstand ⇨ 0.75*d 16. Arbeitslayer 1

17. Körper trimmen (Trim Body) Ziel ⇨ Körper

Werkzeug ⇨ Erste Bezugsebene

18. Körper trimmen (Trim Body) Ziel ⇨ Körper

Werkzeug ⇨ Zweite Bezugsebene

77

78

4 Deformierbare Teile 19. Ausblenden aller Layer außer 1

Strg+L

20. Materialien zuweisen ⇨ Steel

21. Farbe zuweisen Strg+J

II.

⇨ Grün

Definieren des deformierbaren Teils 1. Deformierbares Teil definieren (Define Deformable Part) ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ Deformierbares Teil definieren 2. Definition

Die Erstellung eines deformierbaren Teils erfolgt über einen Assistenten. Dieser stellt einen geführten Dialog dar, in dem alle notwendigen Daten Schritt für Schritt definiert werden. Name ⇨ Feder

3. Formelemente ⇨ Hinzufügen aller Formelemente

Durch das Hinzufügen aller die Feder definierenden Formelemente wird später die gesamte Feder deformiert und es werden keine weiteren Referenzen benötigt.

4.1 Parameterbasierte Deformation einer Feder

79

4. Ausdrücke ⇨ Hinzufügen des Ausdrucks L ⇨ Umbenennen des Ausdrucks (mit Enter bestätigen): L ⇨ Länge

⇨ Anpassen der Ausdruck-Regeln: ⇨ Über Zahlen-Bereich ⇨ 40 - 80

Durch die Begrenzung des Wertes für die Länge ist bei der Deformation nur ein Zusammenpressen der Feder zulässig. Zudem kann somit die maximal zulässige Kompression definiert werden. 5. Referenzen Da dem deformierbaren Teil bereits alle Formelemente hinzugefügt wurden, werden keine weiteren Referenzen benötigt. Die Auswahl ist daher leer.

6. Zusammenfassung Abschließend wird eine Zusammenfassung des deformierbaren Teils angezeigt.

80

4 Deformierbare Teile Die Definition des deformierbaren Teils wird im Teile-Navigator abgelegt. Das Bearbeiten des deformierbaren Teils per Doppelklick ist nicht möglich. Beim erneuten Starten des Assistenten zur Definition eines deformierbaren Teils wird die vorhandene Definition überschrieben.

III. Erstellen der Baugruppe Vor der Deformation wird die Feder mit zwei Federtellern zu einer einfachen Baugruppe zusammengebaut. Dazu wird zunächst der Federteller modelliert. 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ Federteller

⇨ Selbstständiges Modellieren des Tellers gemäß der Zeichnung

Alternativ kann das Modell des Federtellers auch im Download-Bereich dieses Buches heruntergeladen werden (s. Kapitel 1).

2. Erstellen einer neuen Datei (Baugruppe) Dateiname ⇨ bg_Feder

⇨ Selbstständiges Erstellen der Baugruppe

⇨ Der untere Federteller wird dabei fixiert Nach dem Einfügen der Feder wird automatisch der Dialog zum Verformen der Komponente aufgerufen. Dieser Dialog wird zunächst geschlossen, da die Deformation erst nach der Fertigstellung der Baugruppe erfolgen soll.

4.1 Parameterbasierte Deformation einer Feder

IV. Deformieren der Feder Nach der Erstellung der Baugruppe wird die Feder komprimiert. 1. Komponente verformen ⇨ RMT auf Feder im BaugruppenNavigator ⇨ Verformen (Deform)

In den Informationen können die Formelemente und Parameter des deformierbaren Teils eingesehen werden. ⇨ Erzeugen

Länge ⇨ 60

Die Feder wird somit auf eine Länge von 60 komprimiert.

Nach dem erstmaligen Erzeugen der Deformation in der Baugruppe wird dies im Dialogfenster gespeichert. Über RMT auf die Komponente im Baugruppen-Navigator ⇨ Verformen kann der Dialog erneut aufgerufen werden. Über Bearbeiten kann die Verformung geändert werden. Auch das Löschen einer Deformation ist hier möglich. Die Deformation der Komponente wird zudem als Formelement in der Modellhistorie im Teile-Navigator der Baugruppe abgelegt. Ein Doppelklick öffnet die Bearbeitung der Deformation.

81

82

4 Deformierbare Teile 2. Ausblenden aller Layer außer 1

Strg+L

Bei der Deformation der Feder werden die Referenzelemente, welche bei der Modellierung verwendet wurden, auch in der Baugruppe sichtbar. Um diese erneut auszublenden, müssen die jeweiligen Layer ausgeblendet werden (hier: 61). Kommt es bei der Verformung zu einem Fehler der Aktualisierung, sollten die bei der Modellierung verwendeten Referenzen überprüft werden. Dabei ist darauf zu achten, dass das erste Bezugskoordinatensystem (0) des deformierbaren Teils vom Typ als Dynamisch definiert ist und in keinem Fall als Absolutes KSYS.

4.2 Referenzbasierte Deformation eines O-Rings In diesem Abschnitt werden die Erstellung und die Anwendung eines deformierbaren O-Rings beschrieben. Die Deformation erfolgt hierbei nicht über Parameter, sondern durch Anpassung der Referenzkurve. Der O-Ring wird dazu in einer Baugruppe in eine ovale Nut eingefügt. Auf eine Deformation gemäß der Quetschung wird dabei verzichtet. Diese kann anschließend jedoch selbstständig erstellt werden. Vorgehensweise: I. Erzeugen eines parametrischen Modells des O-Rings II. Definieren des deformierbaren Teils III. Erstellen einer Baugruppe mit deformiertem O-Ring Die Erstellung und die Deformation des O-Rings sind ergänzend zum Text auch per Video verfügbar.

4.2 Referenzbasierte Deformation eines O-Rings

I.

83

Erzeugen eines parametrischen Modells des O-Rings Das Modell des O-Rings wird parametrisch aufgebaut, um schnelle Anpassungen zu ermöglichen. Die Parameter werden jedoch nicht bei der Deformation verwendet. 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ O-Ring

2. Ausdrücke

⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

d Di

5 80

mm mm

Länge Länge

Anzahl Anzahl

3. Arbeitslayer 41 4. Kreisbogen/Kreis (Arc/Cycle) Typ ⇨ Kreisbogen/Kreis von Mittelpunkt Punkt ⇨ Koordinatenursprung wählen Endoption ⇨ Durchmesser Durchmesser ⇨ Di+d

Ebenenoptionen ⇨ Ebene auswählen Ebene ⇨ XY-Ebene wählen

⇨ Vollkreis aktivieren 5. Arbeitslayer 1 6. Rohr (Tube) ⇨ Kreis auswählen

Außendurchmesser ⇨ d Innendurchmesser ⇨ 0

Ausgabe ⇨ Einzelsegment

Durch die Festlegung des Innendurchmessers von 0 wird kreisförmiges Vollmaterial erzeugt. Eine zusätzliche Skizze des Querschnitts ist somit nicht notwendig.

84

4 Deformierbare Teile 7. Layer 41 und 61 ausblenden

Strg+L

8. Farbe zuweisen Strg+J

II.

⇨ Dunkelgrau

Definieren des deformierbaren Teils Die Definition des deformierbaren Teils erfolgt analog zur Feder, mit der Ausnahme, dass nicht alle Formelemente ausgewählt werden und dass statt einem Parameter eine Referenz gewählt wird. 1. Deformierbares Teil definieren (Define Deformable Part) ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ Deformierbares Teil definieren 2. Definition

Name ⇨ O-Ring 3. Formelemente

⇨ Hinzufügen des Formelementes Rohr(2) Durch das alleinige Hinzufügen des Formelementes wird dessen Referenz als Referenz für das deformierbare Teil auswählbar. 4. Ausdrücke Ausdrücke werden nicht hinzugefügt. 5. Referenzen Da bereits das Formelement Rohr hinzugefügt wurde, wird an dieser Stelle dessen übergeordnetes Element als Referenz angezeigt. Diese Referenz definiert später die Form des ORings. ⇨ Umbenennen der Referenz in Führungskurve 6. Zusammenfassung

Der Dialog wird beendet.

4.2 Referenzbasierte Deformation eines O-Rings

85

III. Erstellen einer Baugruppe mit deformiertem O-Ring Der O-Ring soll in die Nut eines ovalen Flansches eingefügt werden. Dieser Flansch wird zunächst modelliert und in eine Baugruppe eingefügt. Anschließend wird in der Baugruppe eine Kurve der Nutgeometrie des Flansches abgeleitet, welche die Basis für die Deformation des O-Rings darstellt. 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ Flansch

⇨ Selbstständiges Modellieren des Flansches gemäß der Zeichnung

Alternativ kann das Modell des Flansches auch im Download-Bereich heruntergeladen werden (s. Kapitel 1).

2. Erstellen einer neuen Datei (Baugruppe) Dateiname ⇨ bg_Flansch

3. Komponente hinzufügen (Add) Teil ⇨ Flansch

Baugruppenposition ⇨ Absolut - Aktives Teil

86

4 Deformierbare Teile 4. Komponente verschieben (Move Component) ⇨ Verschieben des Flansches an eine beliebige Position

Somit wird später sichtbar, dass bei der Deformation des O-Rings auch dessen Position angepasst wird. 5. Baugruppenzwangsbedingungen (Assembly Constraints) ⇨ Fixieren des Flansches

6. WAVE-Geometrie-Linker (WAVE Geometry Linker) Typ ⇨ Zusammengesetzte Kurve

⇨ Innere Kante der Nut wählen ⇨ Assoziativ aktivieren

Alternativ zur Innenkante der Nut kann auch die äußere Nutkante gewählt werden.

7. Kurve versetzen (Offset Curve) Typ ⇨ Abstand

⇨ Verknüpfte zusammengesetzte Kurve auswählen

Abstand ⇨ 3

⇨ Ggf. Richtung umkehren ⇨ Assoziativ aktivieren

Eingabekurven ⇨ Ausblenden

4.2 Referenzbasierte Deformation eines O-Rings

87

8. Kurve versetzen (Offset Curve) Typ ⇨ 3D-Axial

⇨ Versetzte Kurve auswählen

Abstand ⇨ 1.5

⇨ Ggf. Richtung umkehren

Die Kurve soll in Richtung der negativen Z-Achse versetzt werden. ⇨ Assoziativ aktivieren

Eingabekurven ⇨ Ausblenden

Die letzte Kurve liegt nun innerhalb der Nut des Flansches. Sie bildet die Referenz für die folgende Deformation des O-Rings. 9. Auf Layer verschieben ⇨ Verschieben der Kurven auf Layer 41 10. Komponente hinzufügen Teil ⇨ O-Ring

Baugruppenposition ⇨ Absolut - Aktives Teil Da die Komponente ein deformierbares Teil darstellt, welches eine Referenz erfordert, wird automatisch der Dialog zur Auswahl der Referenz aufgerufen. ⇨ Auswahl der erzeugten Kurve Offset-Kurve (3)

Der O-Ring wird somit in die Baugruppe eingefügt. Die gewählte Kurve bildet die Referenz für dessen Kontur. Referenzelemente für deformierbare Teile müssen stets in der Baugruppe vorhanden bzw. in die Baugruppe verlinkt sein. Die direkte Auswahl von Geometrieelementen anderer Komponenten ist nicht möglich. Somit wird ein unkontrolliertes Referenzieren zwischen den Komponenten vermieden.

88

4 Deformierbare Teile Da in diesem Beispiel auf eine Deformation gemäß der Quetschung verzichtet wird, ragt der O-Ring 1 mm aus der Nut heraus. Die Abbildung der Quetschung kann sehr komplex sein, sodass dies in der Praxis häufig nicht modelliert wird. Die Deformation der Quetschung kann jedoch selbstständig über eine zweite Kontur für den Querschnitt realisiert werden. 11. Baugruppenzwangsbedingungen ⇨ Fixieren des O-Ringes

Deformierbare Teile sollten wie andere Komponenten auch stets mit Baugruppenzwangsbedingungen versehen werden, um ein unkontrolliertes Verschieben zu verhindern. Da sich aufgrund der flexiblen Bauteilgeometrie auch Geometrieelemente, z. B. Flächen oder Kanten, verschieben können, bietet sich hier das Fixieren der Komponente an. 12. Layer 41 und 61 ausblenden Strg+L

Analog zur parameterbasierten Deformation wird die Deformation in der Modellhistorie im Teile-Navigator der Baugruppe abgelegt und kann per Doppelklick wieder bearbeitet werden. Alternativ kann der Dialog über RMT auf die Komponente im BaugruppenNavigator ⇨ Verformen (Deform) aufgerufen werden (s. Abschnitt 4.1).

Wird die Verformung gelöscht, bleibt die Komponente weiterhin in der Baugruppe enthalten, jedoch in ihrem undeformierten Zustand.

4.3 Kontrollfragen 1. Was sind deformierbare Teile und wozu werden sie genutzt? 2. Wie können alternativ zu deformierbaren Teilen verschiedene Zustände eines Bauteils realisiert werden und was sind die Vor- und Nachteile dieser Methode? 3. Wie können deformierbare Teile nach dem Verformen in einer Baugruppe bearbeitet werden?

5

User Defined Features (UDF) Benutzerdefinierte Formelemente (User Defined Features, UDF) sind Formelemente (engl. Features), welche vom Benutzer selbst erstellt werden. Sie kommen häufig zur Anwendung, wenn die in NX zur Verfügung stehenden Formelemente nicht ausreichen, um ein Produkt effizient zu modellieren. So lassen sich oft genutzte Features oder Feature-Gruppen zusammenfassen und später schneller aufrufen. Bei der Erstellung eines UDF werden Führungsparameter definiert, welche bei der Anwendung des UDF mit Werten versehen werden. Zudem ist auch die Auswahl von Referenzgeometrie möglich. Die Eingabe der Parameterwerte und die Auswahl der Referenzgeometrie erfolgt dabei in einem eigenen Dialogfenster. UDF werden einmalig erzeugt und sind anschließend beliebig oft anwendbar. Dazu werden die UDF in Bibliotheken abgelegt und können somit auch anderen Nutzern zugänglich gemacht werden. In diesem Kapitel werden die Grundlagen im Umgang mit UDF-Bibliotheken sowie das Erstellen von eigenen Bibliotheken erläutert. Weiterhin wird die Erstellung eines UDF am Beispiel einer Passfedernut beschrieben.

5.1 UDF-Bibliotheken Um mehreren Nutzern die Auswahl und die Anwendung von erstellten UDF zu ermöglichen, werden UDF in Bibliotheken abgelegt und strukturiert. Die Daten der Bibliotheken werden hierbei in zwei Dateien gespeichert: • dbc_udf_ascii.def: Die Bibliotheksdefinitionsdatei beinhaltet die Informationen der Bibliotheksklassen. Hier können auch eigenen Klassen erzeugt werden. • udf_database.txt: Die Datenbankdatei beinhaltet die Informationen des erstellten UDF. Dies sind: UDF-Name; Dateiname der prt-Datei; Dateiname der cgm-Datei; Bibliotheksklasse, in welcher das UDF abgelegt wurde, z. B. Passfedernut;Passfedernut.prt;Passfedernut.cgm;/metric Die prt-Datei enthält die Modelldaten des UDF. Die cgm-Datei stellt eine Bilddatei dar, anhand der das UDF in der Bibliothek auswählbar ist. Die prt- und cgm-Dateien können auch mit Dateipfaden angegeben werden. Werden nur die Dateinamen verwendet, müssen sich diese Dateien im gleichen Verzeichnis wie die Datenbankdatei befinden. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_5

89

90

5 User Defined Features (UDF) Standardmäßig sind in NX die rechts dargestellten Bibliotheksklassen enthalten.

I.

Konfigurieren der UDF-Bibliothek in der NX-Bedienoberfläche 1. Neue Datei (Modell) Vor der Konfiguration der UDF-Bibliothek muss eine neue Datei erstellt oder eine existierende prt-Datei geöffnet werden, da das Konfigurieren der Bibliothek nur in der Konstruktionsumgebung möglich ist. Der Dateiname ist hierbei frei wählbar. 2. Bibliothek konfigurieren ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ UDF (Benutzerdef. Formelem.) ⇨ Bibliothek konfigurieren (Configure Library)

Hier können die Bibliotheksdefinitionsdatei und die Datenbankdatei festgelegt werden. Je nach Startumgebung ist ggf. schon eine Bibliothek konfiguriert, z. B. die Standardbibliothek im Start- bzw. im Installationsverzeichnis. Über Ändern kann die UDF-Bibliothek neu konfiguriert werden. Über Neu laden wird die aktuelle Konfiguration neu geladen und angezeigt. Durch Zurücksetzen werden die Dateien sowie das Standarddateiverzeichnis auf das Start- bzw. Installationsverzeichnis zurückgesetzt. Ist bisher keine Bibliothek konfiguriert, wird der Dialog übersprungen und direkt die Auswahl der Bibliotheksdefinitionsdatei geöffnet.

5.1 UDF-Bibliotheken

91

3. Bibliotheks-Konfiguration ändern ⇨ Zum Speichern der UDF wird ein neuer Ordner erstellt und die Bibliothek auf diesen Ordner konfiguriert, z. B. C:\NX\UDF Bibliotheksdefinitionsdatei ⇨ dbc_udf_ascii.def

Datenbankdatei ⇨ udf_database.txt

Da in dem erstellten Ordner bisher keine Dateien existieren, werden die Dateien durch Kopieren der Standardbibliothek erstellt. Nach der Konfiguration der Bibliothek wird das Standarddateiverzeichnis automatisch angepasst. Das Standarddateiverzeichnis ist stets identisch mit dem Verzeichnis der Datenbankdatei. Hier werden die prtund cgm-Dateien der UDF gespeichert. Durch die schnelle Auswahl von UDF-Bibliotheken über Dateien, kann je nach Anwendungsfall auch auf verschiedene Bibliotheksdefinitionsdateien und Datenbankdateien zugegriffen werden.

II.

Konfigurieren der UDF-Bibliothek durch Umgebungsvariablen Alternativ zur Konfiguration der Bibliothek über die NX-Bedienoberfläche kann dies auch durch die Definition von Umgebungsvariablen erfolgen, z. B. wenn NX über eine Batch-Datei gestartet oder die Variablen in der Datei ugii_env.dat im Ordner UGII im NX-Installationsverzeichnis definiert werden. Mit folgenden Umgebungsvariablen kann die Bibliothek konfiguriert werden: • UGII_UDF_DEFINITION_FILE ⇨ Bibliotheksdefinitionsdatei

• UGII_UDF_DATABASE_FILE ⇨ Datenbankdatei

• UGII_UDF_LIBRARY_DIR ⇨ Standarddateiverzeichnis

Die Variablen können z. B. wie folgt auf ein Verzeichnis speziell für die UDF verweisen: • UGII_UDF_DEFINITION_FILE=C:\NX\UDF\dbc_udf_ascii.def

• UGII_UDF_DATABASE_FILE=C:\NX\UDF\udf_database.txt • UGII_UDF_LIBRARY_DIR=C:\NX\UDF

92

5 User Defined Features (UDF)

III. Erzeugen einer UDF-Bibliotheksklasse Im Folgenden soll eine eigene Klasse mit dem Namen Passfedernuten in der Klasse metric erzeugt werden. 1. Konfigurieren der UDF-Bibliothek (Configure Library) Nach der Konfiguration der UDF-Bibliothek innerhalb von NX oder durch die Umgebungsvariablen werden die Bibliotheksdefinitionsdatei und die Datenbankdatei in dem angegebenen Verzeichnis automatisch erzeugt. 2. Öffnen der Bibliotheksdefinitionsdatei in einem Texteditor Dateiname ⇨ dbc_udf_ascii.def

3. Ergänzen der Bibliotheksdefinitionsdatei Die Klasse metric wird um die fett dargestellten Textzeilen ergänzt. ####################################################### # The Library Hierarchy # ####################################################### CLASS metric { TYPE Metric QUERY "[DB(udf_lib_name)] &= [metric]" FILE "$UGII_UDF_LIBRARY_DIR" DIALOG udf_name RSET udf_file_name CLASS Passfedernuten { TYPE Passfedernuten QUERY "[DB(udf_lib_name)] &= [Passfedernuten]" FILE "$UGII_UDF_LIBRARY_DIR" DIALOG udf_name RSET udf_file_name }

Zum Erzeugen der neuen Klasse kann der Text einer vorhandenen Klasse, z. B. Fittings, kopiert und der Name der Klasse geändert werden. Bei der Benennung der Klasse dürfen keine Leerzeichen verwendet werden. 4. Bibliothek neu laden ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ UDF ⇨ Bibliothek konfigurieren (Configure Library)

⇨ Neu laden (Reload)

Nachdem die Bibliotheksdefinitionsdatei verändert wurde, muss die Bibliothek neu geladen werden.

5.2 UDF für eine Passfedernut

93

5. Überprüfen der neuen Klasse ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ UDF

⇨ Palette hinzufügen (Add Palette)

⇨ Durchsuchen (Browse)

⇨ metric ⇨ Passfedernuten

Wird die neue Klasse in der Auswahl angezeigt, war das Erstellen der Klasse erfolgreich.

In der Ressourcenleiste auf der linken Seite wurde zudem ein neuer Reiter hinzugefügt, in welchem die Elemente der Klasse Passfedernuten angezeigt werden. Da die Klasse jedoch noch keine UDF enthält, ist die Auswahl leer.

5.2 UDF für eine Passfedernut In diesem Abschnitt wird ein UDF für eine Passfedernut für die Formen A und B nach DIN 6885 [1] erzeugt und in der Bibliotheksklasse Passfedernuten gespeichert. Wenn die Bibliotheksklasse nicht erzeugt wurde (s. Abschnitt 5.1), kann das UDF für die Passfedernut auch in der Klasse metric gespeichert werden. Das UDF wird durch die folgenden Parameter definiert:

Zusätzlich wird ein Parameter für die Form verwendet. Hierüber werden analog zur Teilefamilie der Passfeder (s. Abschnitt 3.2) die Formen A und B realisiert.

94

5 User Defined Features (UDF) Vorgehensweise: I. Modellieren der UDF-Geometrie II. Definieren des UDF III. Anwenden des UDF IV. Nachträgliches Bearbeiten des UDF Das Modellieren der UDF-Geometrie, die Definition des UDF sowie die Anwendung des UDF sind ergänzend zum Text auch als Video abrufbar.

I.

Modellieren der UDF-Geometrie 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ Modell_Passfedernut

Die erzeugte Datei dient nur zur Modellierung der UDF-Geometrie und beinhaltet später nicht die UDF-Daten. Die UDF-Daten werden separat gespeichert. 2. Ausdrücke ⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

a b Form h l t1

30 12 "A" 8 40 5

mm mm

Länge Länge

mm mm mm

Länge Länge Länge

Anzahl Anzahl Zeichenfolge Anzahl Anzahl Anzahl

3. Zylinder (Cylinder) Vektor ⇨ Z-Achse wählen

Punkt ⇨ Ursprung des Bezugskoordinatensystems wählen Durchmesser ⇨ 40

Höhe ⇨ 200

Der erzeugte Zylinder stellt eine vereinfachte Welle dar, an der die Passfedernut modelliert wird.

5.2 UDF für eine Passfedernut

95

4. Arbeitslayer 62 5. Punkt (Point) Typ ⇨ Bogen-/Ellipsen-/Kugelmittelpunkt ⇨ Kreiskante auswählen 6. Punkt (Point)

Typ ⇨ Winkel auf Bogen/Ellipse ⇨ Kreiskante auswählen

Winkel ⇨ 45

7. Bezugs-KSYS (Datum-CSYS) Typ ⇨ Z-Achse, X-Achse, Ursprung

Ursprungspunkt ⇨ Punkt (3) wählen Z-Achse ⇨ Zwei Punkte ⇨ Punkt (2) wählen ⇨ Punkt (3) wählen

X-Achse ⇨ Kurve/Achsenvektor ⇨ Kreiskante wählen

Die Punkte und das Bezugskoordinatensystem referenzieren ausschließlich auf die Kreiskante. Somit muss später im UDF-Dialog auch nur eine Kreiskante als Referenz ausgewählt werden. Dadurch wird die Auswahl möglichst kurz und einfach gehalten. 8. Ausblenden von Layer 61 Durch das Ausblenden des Layers 61 wird verhindert, dass bei der Erstellung der Skizze versehentlich Elemente des Bezugskoordinatensystems (0) selektiert werden. 9. Arbeitslayer 22 10. Skizze ⇨ XY-Ebene des erzeugten Koordinatensystems

96

5 User Defined Features (UDF) Bei der Erstellung der Skizze muss unbedingt darauf geachtet werden, dass für die Zwangsbedingungen und zur Bemaßung nur Elemente des Bezugskoordinatensystems (4) verwendet werden, da sonst ungewollte Referenzen für das UDF benötigt werden und der Auswahldialog des UDF unnötig länger wird. Rechteck (Rectangle) Länge ⇨ l

Breite ⇨ b

Schnellbemaßung ⇨ Abstandsbemaßung des Rechtecks zur YZ-Ebene des Bezugskoordinatensystems (4) Abstand ⇨ a

11. Arbeitslayer 1 12. Extrudieren ⇨ Skizze auswählen

Richtung ⇨ negative Z-Achse

⇨ Ggf. Richtung umkehren

Start ⇨ 0

Ende ⇨ t1

Boolesche Op. ⇨ Subtrahieren 13. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ b/2

5.2 UDF für eine Passfedernut

97

14. Kantenverrundung (7) nach Ausdruck unterdrücken ⇨ Menü ⇨ Bearbeiten ⇨ Formelement

⇨ Nach Ausdruck unterdrücken (Suppress by Expression) ⇨ Formelement auswählen

⇨ Kantenverrundung (7) 15. Ausdrücke

⇨ Umbenennen des Unterdrückungsausdrucks mit dem Ursprung (Kantenverrundung(7) Suppression Status)

Werden alle Ausdrücke aufgelistet, kann dieser Ausdruck am Ende der Liste ausgewählt werden.

Name ⇨ u_Kantenverrundung

Dieser Ausdruck wird mit Hilfe einer IF-Funktion in Abhängigkeit von der Form gesteuert: Formel ⇨ if (Form="A") (1) else (0)

Wenn der Parameter Form den Wert "A" annimmt, hat der Parameter u_Kantenverrundung den Wert 1, andernfalls den Wert 0. 16. Ausblenden aller Layer außer 1 17. Datei speichern Die Geometrie des UDF für die Passfedernut ist somit erstellt. Das UDF selbst wird im folgenden Abschnitt erzeugt.

98

II.

5 User Defined Features (UDF)

Definieren des UDF 1. Assistent (Wizard) Die Erstellung eines UDF erfolgt über einen Assistenten. Dieser stellt einen geführten Dialog dar, in dem alle notwendigen Daten Schritt für Schritt definiert werden. ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ UDF (Benutzerdef. Formelem.) ⇨ Assistent 2. Definition

Bibliothek ⇨ /metric/Passfedernuten

Name ⇨ Passfedernut Form A u. B Teilename ⇨ Passfedernut_A_u_B

Über Bild erfassen kann ein Bild für das UDF aus dem Grafikbereich aufgenommen werden. Im Feld für die Hilfeseite kann eine URL-Adresse zu einer HTML-Datei angegeben werden, welche bei der Anwendung des UDF als Hilfestellung aufgerufen werden kann. Zuvor sollte hierzu die Variable UGII_UDF_DOCUMENT_HOME definiert werden. Diese verweist auf das Verzeichnis, in dem die HTML-Dateien gespeichert sind. 3. Formelemente ⇨ Hinzufügen der Formelemente: - Punkt(2) - Punkt(3)

- Bezugskoordinatensystem(4) - SKETCH_000:Skizze(5) - Extrudieren(6) - Kantenverrundung(7)

5.2 UDF für eine Passfedernut

99

4. Ausdrücke (Expressions) ⇨ Hinzufügen der Ausdrücke: - p... = 45 - b = 12 - l = 40 - a = 30 - t1 = 5 - Form = "A"

Der Parameter p2 stellt hier den Winkel von 45° dar, der bei der Erstellung des zweiten Punktes verwendet wurde. Er wird unter Punkt(3) aufgeführt und kann ggf. eine andere Bezeichnung haben. Über die vertikalen Pfeile wird die Reihenfolge der Parameter gemäß der unteren Abbildung angepasst. Diese Reihenfolge definiert später den UDF-Dialog. ⇨ Umbenennen der Ausdrücke (mit Enter bestätigen): - l ⇨ Länge (l)

- b ⇨ Breite (b)

- t1 ⇨ Nuttiefe (t1)

- a ⇨ Axiale Position

- Winkel p... ⇨ Radiale Position

⇨ Anpassen der Ausdruck-Regeln: - l ⇨ Ganze Zahlen-Bereich ⇨ 6 - 400 - b ⇨ Ganze Zahlen-Bereich ⇨ 2 - 100

- Form ⇨ Nach Optionen Wertoptionen: "A" "B" ⇨ Fertig

Durch die Verwendung der Wertoptionen sind bei der Anwendung des UDF später nur bestimmte Werte aus einem Dropdown-Menü auswählbar. In den Wertoptionen müssen die Werte untereinander eingetragen werden.

100

5 User Defined Features (UDF) 5. Referenzen Da das UDF die Punkte und das Bezugskoordinatensystem enthält, welche nur auf die Kreiskante referenzieren, wird zur späteren Positionierung des UDF ausschließlich die Kreiskante einer Welle benötigt. ⇨ Umbenennen der Referenz in Kreiskante (mit Enter bestätigen) Es ist auch möglich, die hier aufgelisteten Referenzen zu entfernen. Allerdings muss mit dieser Funktion sehr vorsichtig umgegangen werden, da fehlende Referenzen ein großes Fehlerpotential darstellen und die spätere Anwendung des UDF einschränken können. 6. Zusammenfassung Abschließend wird eine Zusammenfassung des erstellten UDF angezeigt. Im vorher konfigurierten Standarddateiverzeichnis (s. Seite 91) werden nun die prt-Datei und die cgm-Datei des UDF gespeichert. Weiterhin wird die Datenbankdatei angepasst. 7. Datei schließen Die Modell-Datei dient nur zur Erstellung des UDF. Diese Datei wird jetzt nicht mehr benötigt und kann geschlossen werden. 8. Öffnen der UDF-Part-Datei Die prt-Datei des UDF wurde im Standarddateiverzeichnis gespeichert und kann wie gewohnt geöffnet werden. Diese Datei enthält eine Kopie des bei der Erstellung verwendeten Modells und die UDF-Informationen, welche in der Modellhistorie gespeichert sind. Über einen Doppelklick auf das UDF-Element in der Modellhistorie kann das UDF bearbeitet werden. Dies wird in Abschnitt IV detaillierter beschrieben.

5.2 UDF für eine Passfedernut

101

III. Anwenden des UDF Das erstellte UDF für die Passfedernut wird auf eine vereinfachte Welle angewendet. Diese Welle kann selbstständig modelliert werden oder alternativ im Download-Bereich des Buches heruntergeladen werden (s. Kapitel 1). 1. Erstellen einer neuen Datei (Modell) Dateiname ⇨ Welle

⇨ Selbstständiges Modellieren der Welle gemäß der Zeichnung.

Alternativ kann das Modell auch im Download-Bereich des Buches heruntergeladen werden.

Zur Auswahl und Anwendung eines UDF stehen in NX folgende Möglichkeiten zur Verfügung: • UDF-Bibliothek • Ressourcenleiste • Wiederverwendungsbibliothek Die Anwendung des erstellten UDF wird im Folgenden anhand dieser Möglichkeiten erläutert.

UDF-Bibliothek 1. Bibliothek neu laden Nach der Erstellung eines UDF muss die Bibliothek in der Regel neu geladen werden. ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ UDF

⇨ Bibliothek konfigurieren (Configure Library) ⇨ Neu laden 2. UDF einfügen (Insert UDF)

⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ UDF ⇨ Einfügen (Insert)

Bibliothek ⇨ /metric/Passfeder nuten

102

5 User Defined Features (UDF) 3. UDF Dialog Form ⇨ "A"

Länge (l) ⇨ 28 Breite (b) ⇨ 8

Nuttiefe (t1) ⇨ 4

Axiale Position ⇨ 10 Radiale Position ⇨ 0

Referenz Kreiskante ⇨ Kreiskante der Welle wählen Layer-Optionen ⇨ Original ⇨ Ggf. Richtung umkehren

Evtl. muss die Richtung umgekehrt werden. Diese Richtungsumkehr resultiert aus der Definition der X-Achse des Bezugskoordinatensystems mit Hilfe der Kreiskante. In den Layer-Optionen wird festgelegt, auf welchen Layern die Elemente des UDF liegen. Durch die Auswahl von Original werden die Elemente des UDF auf den gleichen Layern abgelegt wie bei der Erstellung. Alternativen hierzu sind der aktuelle Arbeitslayer oder ein festgelegter Layer. 4. Ausblenden von Layer 22 und 62 Das UDF Passfedernut Form A u. B wurde im Teile-Navigator abgelegt und kann analog zu einem konventionellen Formelement im Nachhinein per Doppelklick wieder editiert werden.

Ressourcenleiste 1. Palette hinzufügen Erstellte UDF können auch über die Ressourcenleiste ausgewählt werden. ⇨ Menü ⇨ Werkzeuge ⇨ UDF ⇨ Palette hinzufügen (Add Palette) Bibliothek ⇨ /metric/Passfedernuten

5.2 UDF für eine Passfedernut

103

In der Ressourcenleiste auf der linken Seite der Bedienoberfläche wird ein neuer Reiter für die ausgewählte Klasse angezeigt. Dieser enthält das erzeugte UDF.

2. UDF anwenden Das UDF kann selbstständig am anderen Wellenende angewendet werden, z. B. mit folgenden Werten: Form ⇨ "A"

Länge (l) ⇨ 40 Breite (b) ⇨ 8

Nuttiefe (t1) ⇨ 4

Axiale Position ⇨ 10

Radiale Position ⇨ 45

Bei der Positionierung an einer Fase muss die größere der beiden Kreiskanten gewählt werden. ⇨ Ggf. Richtung umkehren 3. UDF-Explosion

Bei der Definition des UDF wurde die Option Formelement-Explosion erlauben aktiviert. Dadurch ist nach einem Doppelklick auf das UDF im Teile-Navigator die Funktion UDF-Explosion in dem Dialog verfügbar. Diese Funktion bietet die Möglichkeit, das UDF in seine Bestandteile zu zerlegen.

104

5 User Defined Features (UDF) Die Bestandteile des UDF werden anschließend in einer Formelementgruppe mit dem Namen des UDF zusammengefasst und können so im Nachhinein auch einzeln bearbeitet werden. Eine Rückführung der Formelementgruppe in das UDF ist nicht möglich.

Wiederverwendungsbibliothek UDF können analog zu Teilefamilien ebenfalls in der Wiederverwendungsbibliothek (Reuse Library) abgelegt werden. Die Vorgehensweise ist hierbei nahezu identisch zur Teilefamilie (s. Abschnitt 3.3). 1. Kopieren der UDF-Datei Die UDF-Datei der Passfedernut wird in ein Verzeichnis kopiert, welches die eigenen UDF beinhalten soll. z. B. C:\NX-Eigene-UDF Die cgm-Datei kann hierbei ebenfalls in das Verzeichnis kopiert werden. Befindet sich die Datei nicht in dem Verzeichnis, wird zur Voranzeige des UDF direkt die prt-Datei in Farbe verwendet. 2. Anwenderstandards (Customer Defaults) ⇨ Datei ⇨ Dienstprogramme ⇨ Anwenderstandards ⇨ Gateway ⇨ Wiederverwendungsbibliothek ⇨ Register UDF-Bibliothek

⇨ UDF-Bibliotheken, NX ohne Teamcenter-Verbindung ⇨ Eintragen von Eigene UDF|C:\NX-Eigene-UDF

Der Ausdruck vor dem Verkettungszeichen (|) stellt den Namen in der Wiederverwendungsbibliothek dar, der zweite Ausdruck verweist auf den Speicherort der UDF-Dateien.

5.2 UDF für eine Passfedernut

3. NX neu starten Nach der Änderung der Anwenderstandards muss NX neu gestartet werden. 4. UDF Anwenden Das UDF kann jetzt selbstständig über die Wiederverwendungsbibliothek (Reuse Library) ausgewählt und angewendet werden. ⇨ UDF-Bibliothek

⇨ Eigene UDF

⇨ Elementauswahl (Member Select)

⇨ Passfedernut_A_u_B

105

106

5 User Defined Features (UDF)

IV. Nachträgliches Bearbeiten des UDF Bereits erstellte UDF können auch im Nachhinein bearbeitet werden. Um dies zu zeigen, soll nun die Eingabe des Parameters Nuttiefe (t1) auf die folgenden Werte begrenzt werden: 1,2; 1,8; 2,5; 3; 3,5; 4; 5. 1. Öffnen der UDF-Datei ⇨ Datei ⇨ Passfedernut_A_u_B.prt Im Teile-Navigator der UDF-Datei sind die Informationen der UDF-Definition als Formelement abgelegt. ⇨ Passfedernut Form A u. B 2. Öffnen des UDF

⇨ Doppelklick auf Passfedernut Form A u. B (8) Der Name und der Teilename eines UDF lassen sich nach der Erstellung nicht mehr ändern. 3. Ausdrücke ⇨ t1 ⇨ Nach Optionen Wertoptionen: 1.2 1.8 2.5 3 3.5 4 5 ⇨ Fertig

⇨ UDF Dialog beenden 4. Datei speichern

5.3 Kontrollfragen 5. UDF anwenden Bei der Anwendung des UDF kann die Nuttiefe (t1) jetzt über ein Dropdown-Menü ausgewählt werden.

5.3 Kontrollfragen 1. Was sind UDF und wann werden sie verwendet? 2. Auf welche zwei Arten kann die UDF-Bibliothek konfiguriert werden? 3. Wie werden UDF organisiert und gespeichert? 4. Aus welchen Schritten besteht die Erstellung eines UDF? 5. Wo können UDF für die Anwendung ausgewählt werden? 6. Wie können UDF nachträglich bearbeitet werden?

107

6

Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM Die digitale Simulation von Produkten (Computer-Aided Engineering, CAE) ist heutzutage ein wichtiger Bestandteil in der Produktentwicklung. Insbesondere die zeitlichen und finanziellen Einsparungen, die durch die verminderte Notwendigkeit realer Prototypen erreicht werden, sind ein wesentlicher Grund dafür, dass Simulationen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM), der Numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) und von Mehrkörpersystemen (MKS) zu einem wichtigen Bestandteil von CAxSystemen geworden sind. In NX sind verschiedene Module zur Durchführung von Simulationen integriert. Eine Simulation kann dabei direkt aus der Konstruktion heraus gestartet werden, indem die jeweilige Umgebung aufgerufen wird. Der Vorteil dieser integrierten Simulationslösungen ist die schnelle Einbindung von Simulationen in den Konstruktionsprozess, da die CAD-Daten direkt verwendet werden. Schnittstellenprobleme und Datenverluste, welche z. B. beim Austausch neutraler Datenformate auftreten können, werden somit vermieden. Jedoch bieten CAx-Systeme mit integrierten Simulationsumgebungen oftmals nicht den gleichen Funktionsumfang wie reine Simulationsprogramme. Jedoch werden der Funktionsumfang und die Bedeutung integrierter Simulationslösungen zunehmend größer.

6.1 Grundlagen Zur erfolgreichen Durchführung erster Simulationen ist ein gewisses Grundwissen notwendig. In den folgenden Abschnitten werden hierzu die wesentlichen Grundlagen erläutert. Für weiterführende Informationen wird auf einschlägige Literatur zu dieser Thematik verwiesen.

I.

Generelle Vorgehensweise Eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) besteht in der Regel aus den folgenden Schritten: • Preprocessing: - Geometrieaufbereitung und Idealisierung - Vernetzung - Aufbringen von Lasten und Zwangsbedingungen (z. B. Einspannungen) • Solving: Berechnen der numerischen Lösung • Postprocessing: Ergebnisauswertung An diesem Ablauf orientieren sich auch die in diesem Kapitel verwendeten Beispiele.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_6

108

6.1 Grundlagen

109

Abschließend ist es immer empfehlenswert, eine Plausibilitätsbetrachtung durchzuführen. Hierzu können die numerisch berechneten Lösungen überschlagsmäßig analytisch nachgerechnet oder die Ergebniswerte anhand von Erfahrungswerten überprüft werden. Es sollte sich immer die Frage gestellt werden: Macht die Lösung Sinn?

II.

Elemente In NX steht eine Vielzahl verschiedener Elementarten zur Diskretisierung (Vernetzung) des CAD-Modells zur Verfügung. Finite Elemente können hinsichtlich ihrer Dimension (1D, 2D, 3D) und hinsichtlich ihrer Ansatzfunktion (linear, quadratisch, kubisch, …) unterschieden werden. Linear 1D-Elemente 2D-Elemente Dreiecke

Vierecke 3D-Elemente

Tetraeder

Pentaeder

Hexaeder

Quadratisch

110

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM Die Wahl der Elemente hängt vom Einzelfall ab und kann nicht pauschalisiert werden. Es kann aber eine grobe Empfehlung gegeben werden [2]: • Ziel einer Volumenvernetzung sollte immer ein Hexaeder-Netz sein (linear oder quadratisch). • Hexaeder-Elemente (linear oder quadratisch) erzielen eine bessere Ergebnisqualität bei gleichem numerischen Aufwand, jedoch ist der Vernetzungsaufwand oft höher. • Tetraeder-Elemente können bei automatischer Vernetzung eingesetzt werden sowie im Rahmen der adaptiven (Neu-)Vernetzung. Hier sollte in jedem Fall ein quadratischer Ansatz gewählt werden. • Lineare Tetraeder-Elemente sollten aufgrund ihres steiferen Verhaltens vermieden und höchstens als Füllelemente in unkritischen Bereichen eingesetzt werden, z. B. in einem Hexaeder-Netz. • Flächentragwerke und dünnwandige Strukturen, z. B. Blechbauteile, sollten durch Schalenelemente (2D) diskretisiert werden. Die Faustregel, ob ein Bauteil eine dünnwandige Struktur darstellt und somit 2D- oder 3D-Elemente verwendet werden sollten, lautet: Wandstärke < 1/15 (max. 1/10) der maximalen Bauteilabmessungen Hierbei sollten Vierecks-Elemente verwendet werden. Die Vernetzung kann dabei auch automatisch erfolgen. • Verzerrte Vierecke können durch eine Mischung mit bis zu ca. 10 % Dreieckselementen vermieden werden. Einsatz linearer Elemente: • Kontaktprobleme: Der Kontaktdruck wird gleichmäßig auf die Knoten verteilt. • Explizit dynamische Fragestellungen, z. B. Crashsimulationen • Umformsimulationen, da quadratische Elemente bei extremen Verzerrungen leichter kollabieren können. Lineare Elemente sind vergleichsweise unempfindlich gegenüber verzerrten Netzen. Bei einem reinen Zugversuch würde sogar ein lineares Element ausreichen. Die Analyse benötigt zudem weniger Rechenzeit als bei quadratischen Elementen, da die Bandbreite der Steifigkeitsmatrix geringer ist. Bei einer Verfeinerung verbessern sich die Eigenschaften eines linearen Netzes.

6.1 Grundlagen

111

Einsatz quadratischer Elemente: • Spannungsprobleme: Spannungen und Dehnungen (Ableitung der Verschiebungen) sind von einer Ordnung ungenauer als die Verschiebungen. • Biegedominierte Probleme: kein Locking oder Hourglassing • Lineare Dynamik, z. B. Eigenfrequenzanalysen • Bei quadratischen Elementen reicht ein gröberes Netz aus. Es darf allerdings nie vergessen werden, dass der größte Kostenfaktor vor dem Rechner sitzt. Bei komplizierter Geometrie ist es daher oftmals effizienter, quadratische Tetraeder-Elemente zu verwenden und die beim Vernetzen eingesparte Zeit in ein feineres Netz und somit eine längere Berechnungszeit zu investieren. Um den Einfluss des verwendeten Netzes auf die Ergebnisse einer Analyse zu untersuchen, kann eine Konvergenzanalyse durchgeführt werden. Hierbei wird die Simulation jeweils mit unterschiedlichen Elementgrößen durchgeführt. Werden die Ergebnisse gegenüber der Knotenanzahl aufgetragen, ist zu sehen, dass die Spannungen gegen einen bestimmten Wert konvergieren. Die Knotenanzahl ist hier nahezu proportional zur Berechnungszeit. Somit kann das für das bestimmte Problem zu verwendende Netz ermittelt werden.

max. Spannung v. Mises [MPa]

400 3 mm

380 5 mm

1 mm Elementkantenlänge

360

0,4 mm

0,4 mm

1 mm 340 3 mm

320 300

lineare E. quadrat. E.

5 mm 0

400000

800000

1200000

Knotenanzahl

In diesem Fall konvergiert die maximale Spannung nach v. Mises gegen einen Wert von ca. 370 MPa. Ein quadratisches Netz mit einer Elementkantenlänge von 1 mm ist hierbei ausreichend, um dieses Ergebnis abzubilden. Mit linearen Elementen würde dieses Ergebnis erst durch eine deutlich feinere Vernetzung erzielt werden.

112

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM

III. Häufige Fehler Im Folgenden werden die am häufigsten auftretenden Fehler beschrieben. Beim Erstellen der ersten eigenen Simulationsmodelle kann diese Übersicht auch als abschließende Checkliste zur Modellüberprüfung verwendet werden. Häufig auftretende Fehler sind [2]: • Kein Material vorhanden: In den Properties (dt. Eigenschaften) ist kein Material vergeben. • Starrkörperverschiebungen: Abbruch der Analyse aufgrund fehlender Randbedingungen. Dies kann z. B. aus einem offenen Kontakt oder zumindest aus schlechter Konvergenz mit mehrdeutigen Lösungen resultieren. Die Fehlermeldung deutet auf Zero Pivot hin (Keine Steifigkeit eines Hauptdiagonalelements der Steifigkeitsmatrix).

• Überrechnung von Stabilitätspunkten: Die Warnung vor negativen Eigenwerten wird ignoriert bzw. falsch interpretiert. Dies kann auch bei Kontaktproblemen auftreten. • Starrkörpersimulation: Wird die Steifigkeit einzelner Modellteile um mehrere Größenordnungen erhöht, können numerische Probleme in Form von kleinen Differenzen großer Zahlen auftreten. Besser ist hier die Verwendung echter Starrkörper. • Entartete Elemente: Diese sind vor allem an Stellen problematisch, an denen Spannungen ausgewertet werden und sollten daher vermieden werden.

• Statische Analyse von (komplexen) Kontaktproblemen: Vor allem bei Stick-Slip-Effekten (dt. Haft-Gleit-Effekte) oder großflächigen Kontakten sind quasistatische Analysen deutlich effizienter. • Überbestimmtheit: Mehrfache Eliminierung von Freiheitsgraden durch Kontakte, Randbedingungen, Starrkörper und andere Kopplungen.

6.1 Grundlagen

113

IV. Vorgehensweise in NX In NX werden dem Anwender verschiedene Simulationsumgebungen bereitgestellt, die sowohl FEM, CFD- und MKS-Simulationen beinhalten. In der Pre/Post-Umgebung (vormals Advanced Simulation) wird innerhalb der NX-Umgebung das Pre- und Postprocessing durchgeführt. Das Solving übernimmt ein extern angesprochenes Programm (Solver). Für das Solving können verschiedene FEM-Solver verwendet werden. Aus der Siemens PLM Produktreihe steht mit NX Nastran ein leistungsfähiger Solver zur Verfügung, welcher auch direkt aus der Pre/Post-Umgebung heraus gestartet werden kann. Eine Alternative zur Pre/Post-Umgebung ist die Design Simulation-Umgebung, welche einen reduzierten Funktionsumfang speziell für den Einsatz in der Konstruktion bereitstellt. Start ⇨ Alle Anwendungen ⇨ Simulation

Aufgrund der günstigeren Lizenzkosten ist diese Umgebung in vielen Lizenzpaketen bereits enthalten. In den folgenden Beispielen wird aufgrund des breiteren Funktionsumfanges ausschließlich die Pre/Post-Umgebung verwendet.

Der CAE-Funktionsumfang von NX wird seit der Version 11 zudem in dem eigenständigen Simulationssystem Simcenter 3D zusammengefasst. Dies stellt eine einheitliche, offene und erweiterbare Umgebung für 3D-CAE-Simulationen dar, welche sowohl eigenständig (Standalone), als auch in NX integriert verwendet werden kann. In der Anwendung ergeben sich keine Unterschiede, ob eine Simulation in Simcenter oder in NX durchgeführt wird. In den folgenden Beispielen werden alle Simulationen jeweils aus NX heraus gestartet.

Simulationsdateien Entgegen des bisher bekannten Konzeptes, ein zentrales Dateiformat für alle Anwendungen zu verwenden (prt), kommen in der Pre/Post-Umgebung von NX zusätzliche Dateiformate zum Einsatz. Eine FEM-Simulation besteht dabei aus einer Simulationsdatei (sim), welche die Lastfälle, Lasten und Zwangsbedingungen enthält. Die Simulationsdatei referenziert auf die FEM-Datei (fem). Diese beinhaltet das FE-Netz und bindet die Part-Datei des CAD-Modells (prt) ein. Alle Dateien sind hierarchisch über das Master-Modell-Konzept miteinander verbunden (s. Abschnitt 1.2).

114

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM Wahlweise kann auch ein idealisiertes Teil zwischen dem CAD-Modell und der FEM-Datei verwendet werden. In diesem idealisierten Teil kann die Geometrie des Bauteils idealisiert bzw. vereinfacht werden, ohne dass die ursprüngliche Geometrie verändert wird. So können z. B. Radien oder kleine Bohrungen entfernt werden, die bei der FE-Analyse nicht berücksichtigt werden sollen. Die Hierarchie der Dateien zueinander ist analog zur Struktur von Baugruppen aufgebaut. In der Simulationsdateiansicht des Simulationsnavigators kann mit einem Doppelklick direkt in die jeweiligen Dateien gewechselt werden.

Simulationsdatei FEM-Datei Idealisiertes Teil CAD-Modell

Die FEM-Datei ist keine Baugruppe und enthält keine Komponenten. Sie verweist lediglich auf das CAD-Modell bzw. auf das idealisierte Teil. Das idealisierte Teil wiederum entspricht einer Baugruppe, welche das CAD-Modell als Komponente enthält. In der FEM-Datei wird die Geometrie aus dem CAD-Modell bzw. aus dem idealisierten Teil als Polygongeometrie eingebunden. Diese Polygongeometrie ist auch im Simulationsnavigator sichtbar.

Simulationsnavigator Alle Elemente des Simulationsmodells werden in NX im Simulationsnavigator abgelegt. In der FEM-Datei werden nach der Vernetzung ein sog. Kollektor (hier: 2D-Kollektoren) und ein Netzkollektor (hier: ThinShell(1)) erzeugt. Für den Netzkollektor können anschließend die physikalischen Eigenschaften (z. B. Elementstärke und Material) definiert werden. Die in der Simulationsdatei erstellten Lasten und Zwangsbedingungen werden in eigenen Containern ablegt. Unter Solution bzw. Subcase werden die für den jeweiligen Lastfall relevanten Lasten und Zwangsbedingungen aufgeführt.

6.2 FE-Simulation eines einfachen Blechteils

115

Innerhalb einer Solution können auch verschiedene Subcases definiert werden. Diese beinhalten dann jeweils die gleichen Zwangsbedingungen, aber verschiedene Lasten. Soll ein Bauteil mit unterschiedlichen Zwangsbedingungen simuliert werden, müssen mehrere Solutions erstellt werden. Mit einem Doppelklick können die jeweiligen Elemente jederzeit editiert werden.

6.2 FE-Simulation eines einfachen Blechteils Bei der Berechnung dünnwandiger Strukturen werden in der Regel Schalenelemente (2D) verwendet. Als Faustregel für die Verwendung von Schalenelementen gilt: Wandstärke < 1/15 (max. 1/10) der max. Bauteilabmessungen [2]. Um zunächst ein Grundverständnis von Schalenelementen zu erlangen, wird im folgenden Beispiel ein einfaches Blech auf Biegung belastet. Vorgehensweise: I. Erstellen des CAD-Modells II. Preprocessing III. Solving IV. Postprocessing Das Erstellen des CAD-Modells und die FE-Simulation sind vollständig als Video verfügbar.

I.

Erstellen des CAD-Modells 1. Neue Datei (Modell) Dateiname ⇨ Blech 2. Skizze

⇨ XY-Ebene

⇨ Erzeugen einer Linie kollinear zur X-Achse

Länge ⇨ 40 mm 3. Extrudieren

Richtung ⇨ Y-Achse Abstand ⇨ 100 mm

Körpertyp ⇨ Fläche

4. Verschieben der Skizze auf Layer 21

116

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 5. Ausblenden von Layer 21 und 61 6. Speichern

II.

Preprocessing 1. Wechsel in die Pre/Post-Umgebung ⇨ Datei ⇨ Pre/Post

2. Neue FEM und Simulation (New FEM and Simulation) ⇨ RMT auf Blech.prt

⇨ Neue FEM und Simulation

Die beiden folgenden Dialoge können mit den Standardeinstellungen bestätigt werden. In den meisten Fällen sind die Standardeinstellungen für die Durchführung einer ersten Simulation ausreichend und führen schnell zu einem Ergebnis. Je nach Komplexität des zu lösenden Problems können bzw. müssen diese jedoch auch verändert werden.

Nach der Bestätigung der beiden Dialoge werden die für die Simulation benötigten Dateien (s. Abschnitt 6.1) erzeugt und die FEM-Datei wird geöffnet.

6.2 FE-Simulation eines einfachen Blechteils

117

3. 2D-Netz (2D Mesh) ⇨ Fläche auswählen Typ ⇨ CQUAD4

Elementgröße ⇨ 10 mm

Bei der Vernetzung können verschiedene Elementtypen ausgewählt werden. Die wichtigsten 2D-Elemente sind dabei CQUAD4, CQUAD8, CTRIA3 und CTRIA6. Die Zahl beschreibt jeweils die Anzahl der Elementknoten und somit ob es sich um lineare oder quadratische Elemente handelt (s. Abschnitt 6.1). Mit der Vernetzung wird im Bereich 2D-Kollektoren automatisch der Netzkollektor ThinShell(1) erstellt. Netzkollektoren stellen eine Sammlung von FE-Netzen dar, für die gesammelt die gleichen physikalischen Eigenschaften definiert werden, z. B. Material und Wandstärke. Ein Netzkollektor bildet somit die Verbindung zwischen den physikalischen Eigenschaften und dem FE-Netz. 4. Physikalische Eigenschaften (Physical Properties) ⇨ PSHELL1 auswählen ⇨ Bearbeiten

⇨ Material auswählen

Material 1 ⇨ Steel

In der Materialliste können über RMT auf ein Material ⇨ Informationen die hinterlegten Daten des Materials eingesehen werden. Wird beim Material Übernommen gewählt, werden die Materialinformationen aus dem CAD-Modell übernommen, sofern dort ein Material vergeben wurde. Standardstärke ⇨ 5

118

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 2D-Elemente müssen immer mit einer Elementstärke versehen werden. Diese wird dann beim Solving berücksichtigt. Das Element stellt in der Standardeinstellung die neutrale Faser dar. Es kann aber auch mit einem Offset gearbeitet werden. 5. Darstellung bearbeiten (Edit Display) Die eingestellte Elementstärke eines Netzcontainers kann auch im Grafikbereich dargestellt werden. ⇨ RMT auf ThinShell(1)

⇨ Darstellung bearbeiten

⇨ Elementstärke und -Offset aktivieren

Für die Weiterarbeit wird die Elementdarstellung wieder selbstständig auf die ursprüngliche Darstellung zurückgesetzt. 6. Wechsel in die Simulation ⇨ Doppelklick auf Blech_sim1 in der Simulationsdateiansicht Alternativ:

⇨ RMT auf Blech_fem1.fem im Simulationsnavigator ⇨ Simulation anzeigen

⇨ Blech_sim1.sim

In der Simulationsdatei werden folgend die Zwangsbedingungen und Lasten definiert. 7. Zwangsbedingungstyp (Constraint Type) ⇨ Feste Zwangsbedingung (Fixed Constraint)

Objekt auswählen ⇨ Vordere Kante

Alle Freiheitsgrade der Knoten auf dieser Kante sind somit fixiert. 8. Darstellung bearbeiten (Edit Display) ⇨ RMT auf Fixed(1)

⇨ Darstellung bearbeiten ⇨ Erweitert (Expanded)

Durch die erweiterte Darstellung ist besser zu erkennen, welche Knoten festgehalten werden. Dabei kann über den Maßstab auch die Größe der Symbole geändert werden.

6.2 FE-Simulation eines einfachen Blechteils

119

9. Lasttyp (Load Type) ⇨ Kraft (Force)

Typ ⇨ Betrag und Richtung

Objekt auswählen ⇨ Hintere Kante

Kraft ⇨ 100 N

Richtung ⇨ negative Z-Achse

⇨ Ggf. Richtung umkehren

Die Kraft wird somit auf alle Knoten der Kante verteilt. 10. Darstellung bearbeiten (Edit Display) ⇨ RMT auf Force(1)

⇨ Darstellung bearbeiten ⇨ Erweitert (Expanded)

⇨ Anpassen des Maßstabs

Bei der Auswahl einer Kante oder einer Fläche wird die Kraft immer auf die dazugehörigen Knoten verteilt. An den äußeren Knoten wird in diesem Fall nur der halbe Kraftbetrag angetragen. 11. Alle speichern Das Berechnungsmodell ist somit vollständig erstellt und wird im nächsten Schritt berechnet.

III. Solving 1. Berechnen (Solve) Über diesen Dialog wird das geöffnete Modell berechnet. Im Dropdown-Menü Übergeben kann alternativ zur direkten Berechnung auch eine separate Solver-Eingabedatei erstellt werden (z. B. für eine spätere Berechnung) oder eine bereits erstellte Solver-Eingabedatei berechnet werden. Weiterhin können noch einmal die anfangs eingestellten Lösungsattribute oder weitere solver-spezifische Parameter und Optionen bearbeitet werden.

120

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 2. Lösungsattribute bearbeiten (Edit Solution Attributes) ⇨ Case Control

Ausgabeanforderungen bearbeiten (Edit Output Requests) Hier können verschiedene Ausgabeanforderungen definiert werden. Für die folgende Simulation werden die Spannungen (Stress) und die Verschiebungen (Displacement) des Bauteiles benötigt. Diese Ausgabeanforderungen sind in der Regel bereits standardmäßig eingestellt. Es können auch selbstständig zusätzliche Ausgabeanforderungen festgelegt werden. Weiterhin kann unter Ausgabemedium (Output Medium) das Dateiformat der jeweiligen Berechnungsergebnisse ausgewählt werden. Hierbei stehen verschiedene Dateiformate zur Verfügung: Bezeichnung Drucken Stanzen Plot

Engl. Bezeichnung Print Punch Plot

Ausgabedatei f06-Datei (ASCII) pch-Datei (ASCII) op2-Datei (binär)

Für die Ergebnisauswertung in NX wird stets die op2-Datei verwendet. Diese enthält die Berechnungsergebnisse in binärer Form und wird standardmäßig erzeugt. Die weiteren Ausgabedateien können notwendig sein, wenn z. B. externe Programme für das Postprocessing zum Einsatz kommen sollen. Alle Ergebnisdateien werden im gleichen Verzeichnis wie das Modell gespeichert.

6.2 FE-Simulation eines einfachen Blechteils

121

3. Solver-Parameter bearbeiten (Edit Solver Parameters) ⇨ Arbeitsspeicher einstellen

Speicher ⇨ 2000MB

Je nach zur Verfügung stehendem Arbeitsspeicher kann der vom Solver Nastran bei der Berechnung maximal verwendete Arbeitsspeicher eingestellt werden, was insbesondere bei sehr großen Modellen mit vielen Elementen sinnvoll ist. Bei der Speicherfestlegung darf kein Leerzeichen verwendet werden. ⇨ CPU einstellen

Weiterhin kann die Anzahl der zu verwendenden Prozessorkerne eingestellt werden. Parallel ⇨ 2

4. Erweiterte Solver-Optionen bearbeiten (Edit Advanced Solver Options) ⇨ Ausgabedateieinheiten

Einheiten (Kraft)(Länge)(Masse) ⇨ (N)(mm)(tonne)

Diese Einheiten werden in der Regel bei FE-Analysen verwendet.

Die Einheiten in einem FE-System sind immer konsistent zueinander zu halten. Die Wahl der Einheiten ist für die Solver-Eingabedatei und für die Ergebnisdatei relevant. In der Pre/Post-Umgebung von NX werden die Einheiten automatisch umgerechnet. 5. Berechnung starten Die Bestätigung des Dialogs mit OK startet die Berechnung. Nach dem Start der Berechnung öffnet sich der Solution Monitor, in dem der Fortschritt der Berechnung angezeigt wird. Die Berechnung dauert in diesem Fall nur ca. eine Sekunde. Die Mitteilung END OF JOB weist darauf hin, dass die Berechnung fertiggestellt wurde.

122

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM

IV. Postprocessing 1. Navigator für die Nachbearbeitung (Post Processing Navigator) Für die Ergebnisanalyse wird in den Navigator für die Nachbearbeitung gewechselt. 2. Ergebnisse laden ⇨ RMT auf Structural

⇨ Laden (Load) Alternativ:

⇨ Doppelklick auf Structural

3. Auswerten der Verschiebungen ⇨ Doppelklick auf Displacement - Knoten

Die maximale Verschiebung am Ende des Bleches beträgt 0,377 mm. Wird im Navigator für die Nachbearbeitung der Eintrag Displacement Knoten erweitert, können auch die Verschiebungskomponenten in X-, Y-, Z-Richtung angezeigt werden.

6.2 FE-Simulation eines einfachen Blechteils

123

4. Auswerten der Spannungen ⇨ Doppelklick auf Spannung - Element

Die maximale Spannung an der Einspannung beträgt 54,1 MPa. Die ungleichmäßige Verteilung der Spannungen im Bereich der festen Zwangsbedingung resultiert aus der ungleichmäßigen Kraftverteilung an den Eckknoten.

5. Position der Spannungen Die Abbildung zeigt die Spannungen an der Elementoberseite. Bei Schalenelementen können die Spannungen an verschiedenen Stellen der Schale ausgewertet werden. Diese Einstellungen werden im Dialog der PP-Ansicht vorgenommen. ⇨ PP-Ansicht bearbeiten (Edit Post View)

Alternativ:

⇨ Doppelklick auf Post View 1 im Navigator für die Nachbearbeitung ⇨ Register Ergebnis

Schale ⇨ Maximal

Somit werden die jeweils maximal auftretenden Spannungen angezeigt. Die Option Knotenkombination Mittig (Kombinieren bei ⇨ Knoten) sollte stets vermieden werden, da hier aus den berechneten Spannungen der Durchschnitt gebildet wird und somit evtl. hohe Spannungen weggefiltert werden.

124

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM Die Ergebnisse für Spannung - Element-Knoten (s. Navigator für die Nachbearbeitung) können nur bei quadratischen Elementen (z. B. CTRIA6 oder CQUAD8) berechnet werden. Da hier aufgrund der höheren Elementordnung mehrere Spannungswerte für ein Element vorliegen, können daraus im Postprocessing die Spannungswerte an den Elementknoten berechnet werden. Die Spannungen können an den Knoten eines Elements durchaus höher sein als in der Mitte des Elements. Daher sollten die Spannungen an den Elementknoten immer kontrolliert werden, sofern quadratische Elemente verwendet werden. 6. Anpassen der Legende ⇨ PP-Ansicht bearbeiten (Edit Post View)

Alternativ: Doppelklick auf Post View 1 im Navigator ⇨ Register Legende

Legendenextremwerte ⇨ Angegeben

Somit können die Minimal- und Maximalwerte der Legende definiert werden.

7. Markieren der Maximalwerte ⇨ Aktivieren der Beschriftungen (Annotations) unter Post View 1 im Navigator Mit RMT auf die jeweilige Beschriftung im Navigator für die Nachbearbeitung kann diese bearbeitet werden. Weiterhin können auch eigene Beschriftungen erstellt werden. ⇨ Register Ergebnisse ⇨ Neue Beschriftung (New Annotation) 8. Animieren (Animate)

Die Ergebnisse der statischen Berechnung können auch animiert werden. ⇨ Register Ergebnisse ⇨ Animieren

Anzahl der Einzelbilder ⇨ 20

⇨ Vollständiger Zyklus aktivieren ⇨ Wiedergeben (Play)

Da die Ergebnisse einer linearen statischen Simulation nicht zeitabhängig, sondern nur statisch vorliegen, werden sie für die Animation interpoliert. Die Ergebnisse dürfen daher nicht mit einer zeitabhängigen transienten Simulation verwechselt werden.

6.3 FE-Simulation eines Tankbehälters

125

9. Zu Modell zurückkehren (Return to Model) Dadurch wird die Darstellung der Ergebnisse beendet und das Simulationsmodell kann wieder bearbeitet werden. Die Ergebnisse bleiben jedoch weiterhin im Speicher geladen. 10. Ergebnisse aus Speicher entfernen Alternativ können die Ergebnisse auch aus dem Speicher entfernt werden, bevor das Simulationsmodell bearbeitet wird. Dies ist insbesondere bei sehr großen Modellen sinnvoll. ⇨ RMT auf Structural

⇨ Aus Speicher entf. (Unload)

6.3 FE-Simulation eines Tankbehälters In diesem Abschnitt wird ein Tankbehälter unter einem gleichmäßigen Innendruck simuliert. Dabei werden ebenfalls Schalenelemente verwendet. Es wird aufgezeigt, wie die Wandstärke der Schalenelemente direkt aus dem 3D-Volumenmodell übernommen werden kann. Dazu wird das idealisierte Teil als Schnittstelle zwischen dem CAD-Modell und der FEM-Datei verwendet. Die generelle Vorgehensweise ist zum größten Teil analog zur Vorgehensweise in Abschnitt 6.2 und wird daher nicht noch einmal erläutert.

I.

Erstellen des CAD-Modells Zunächst wird das CAD-Modell des Tankbehälters anhand der Anleitung erstellt. Alternativ dazu kann der Tank auch selbstständig gemäß der Zeichnung modelliert oder der Download-Bereich genutzt werden (s. Kapitel 1).

126

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 1. Neue Datei (Modell) Dateiname ⇨ Tank

2. Skizze

⇨ YZ-Ebene 3. Drehen

Achse ⇨ Y-Achse 4. Bezugsebene

Planare Referenz ⇨ XY-Ebene

Abstand ⇨ 70 mm

5. Skizze ⇨ Erzeugte Bezugsebene

6. Extrudieren ⇨ Skizze auswählen

Richtung ⇨ negative Z-Achse

Start ⇨ 0

Ende ⇨ Bis zum nächsten

Boolesche Op. ⇨ Vereinigen 7. Kantenverrundung

⇨ Äußere Kreiskanten auswählen

Radius 1 ⇨ 15 mm

6.3 FE-Simulation eines Tankbehälters 8. Schale (Shell) Typ ⇨ Öffnen

⇨ Deckfläche des Einfüllstutzens wählen

Stärke ⇨ 2 mm

Alternative Stärke am Einfüllstutzen: Stärke 1 ⇨ 4 mm

9. Bezugsebene

Planare Referenz ⇨ XZ-Ebene Abstand ⇨ 60 mm

10. Skizze ⇨ Erzeugte Bezugsebene

⇨ Erstellen der geschlossenen Kontur des Fußes 11. Extrudieren ⇨ Skizze auswählen

Ende ⇨ Symmetrischer Wert

Abstand ⇨ 4 mm

Boolesche Op. ⇨ Vereinigen

12. Formelement spiegeln

Formelement ⇨ Extrudieren Ebene ⇨ XZ-Ebene

13. Auf Layer verschieben

⇨ Verschieben der Skizzen auf Layer 21, Ebenen auf Layer 61 14. Ausblenden von Layer 21 und 61 15. Speichern

127

128

II.

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM

Preprocessing Aufbereiten der Geometrie Der Behälter stellt ein Volumenmodell dar. Um ein FE-Netz aus Schalenelementen zu erzeugen, muss das Modell als Flächenmodell vorliegen. Hierzu wird es zunächst auf die Mittelflächen reduziert. Die Mittelflächen werden in dem idealisierten Teil erzeugt. Das Volumenmodell bleibt somit unverändert.

1. Wechsel in die Pre/Post-Umgebung ⇨ Datei ⇨ Pre/Post

2. Neue FEM und Simulation (New FEM and Simulation) ⇨ RMT auf Tank.prt

⇨ Neue FEM und Simulation ⇨ Idealisiertes Teil erzeugen aktivieren

⇨ Bestätigen der beiden Dialoge mit OK

3. Wechsel in das idealisierte Teil ⇨ Doppelklick auf Tank_fem1_i in der Simulationsdateiansicht

Die Warnung nach dem Wechsel in das idealisierte Teil kann zunächst ignoriert und bestätigt werden. Diese sagt lediglich aus, dass zu diesem Zeitpunkt das idealisierte Teil noch leer ist. Vor der Verwendung muss die Geometrie in das idealisierte Teil eingefügt bzw. verlinkt werden. Dazu stehen im Register Startseite die Funktionen Anheben und WAVE zur Verfügung.

6.3 FE-Simulation eines Tankbehälters

129

4. Anheben (Promote) ⇨ Volumenkörper des Tanks auswählen

Der angehobene Körper ist somit im Teile-Navigator sichtbar und der Tank kann im idealisierten Teil verwendet werden. 5. Mittelfläche durch Flächenpaare (Midsurface by Face Pairs) ⇨ Volumenkörper auswählen ⇨ Flächenpaare automatisch erzeugen

⇨ Volumenkörper bei Anwenden ausblenden aktivieren Der Volumenkörper wird somit automatisch ausgeblendet und nur das Mittelflächenmodell wird angezeigt.

Die automatische Erzeugung von Flächenpaaren funktioniert in der Regel recht gut bei konstanten Wandstärken. Weist das Modell eine variable Wandstärke und Wandstärkenübergänge auf, müssen die Flächenpaare ggf. manuell definiert werden. 6. Wechsel in die FEM-Datei ⇨ Doppelklick auf Tank_fem1 in der Simulationsdateiansicht im Simulationsnavigator

Alternativ:

⇨ RMT auf Tank_fem1_i.prt im Simulationsnavigator ⇨ FEM anzeigen (Display FEM) ⇨ Tank_fem1.fem

130

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 7. Ausblenden des Volumenkörpers Die Mittelflächen werden dem Modell automatisch hinzugefügt. Der Volumenkörper wird für die Berechnung nicht benötigt und kann durch Deaktivieren der Checkbox ausgeblendet werden. 8. Kante zusammenfügen (Stitch Edge) Bevor das Modell vernetzt wird, sollte überprüft werden, ob die Flächen verbunden sind. Freie Kanten werden hierbei pink dargestellt. Die freien Kanten zwischen den Flächen müssen verbunden werden. ⇨ Alle Flächen auswählen ⇨ Anwenden

Die Flächen der Füße und des Einfüllstutzens werden somit mit der Hauptfläche des Tanks verbunden. Es existieren anschließend keine pinkfarbenen Kanten mehr zwischen diesen Flächen.

Durch das Verbinden der Flächen wird bei der späteren Vernetzung sichergestellt, dass auch die Netze auf den Flächen miteinander verbunden sind.

Vernetzen und Netzeigenschaften 9. 2D-Netz (2D Mesh) ⇨ Flächen des Behälters wählen

Typ ⇨ CQUAD4

Elementgröße ⇨ 2 mm

Zielkollektor ⇨ Automatisch erzeugen aktivieren

6.3 FE-Simulation eines Tankbehälters

131

10. 2D-Netz ⇨ Fläche des Einfüllstutzens wählen

Typ ⇨ CQUAD4

Elementgröße ⇨ 2 mm

Zielkollektor ⇨ Automatisch erzeugen deaktivieren

Netzkollektor ⇨ ThinShell(1) 11. 2D-Netz

⇨ Flächen der Füße auswählen

Typ ⇨ CQUAD4

Elementgröße ⇨ 2 mm

Zielkollektor ⇨ Automatisch erzeugen deaktivieren

Netzkollektor ⇨ ThinShell(1)

Nach der Vernetzung kann es zu einer überlagerten Darstellung des FENetzes mit der Polygongeometrie der Mittelflächen kommen. Durch Ausund erneutes Einblenden der Polygongeometrie kann die Überlagerung beseitigt werden (s. Seite 130). Die Polygongeometrie sollte in jedem Fall eingeblendet sein, um in den folgenden Schritten die Auswahl der Geometrieelemente zu ermöglichen. Im Bereich des Stutzens sind aufgrund der Kante erfahrungsgemäß erhöhte Spannungen zu erwarten. Vor allem in solchen sensiblen Bereichen sollte ein homogenes Netz von guter Qualität angestrebt werden. Entartete Elemente sollten hier besonders vermieden werden (s. Abschnitt 6.1). Mit der Funktion Netzeinstellung (Mesh Control) steht eine Vielzahl von Funktionen zur Steuerung des Netzes zur Verfügung, wodurch die Elementqualität verbessert werden kann.

132

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 12. Netzeinstellung (Mesh Control) Typ ⇨ Schweißreihe

Auswahl ⇨ Kante am Stutzen wählen

Fläche ⇨ Mantelfläche des Behälters wählen Layer-Tiefe ⇨ 6

Anzahl der Layer ⇨ 3

Die Auswahl der Geometrieelemente erfolgt anhand der Polygongeometrie des CAD-Modells. Die Polygongeometrie sollte daher stets eingeblendet sein. 13. FE-Modell aktualisieren (Update) Nach dem Hinzufügen der Netzeinstellung muss das Netz aktualisiert werden. ⇨ RMT auf Tank_fem1.fem ⇨ Aktualisieren

Durch die Aktualisierung findet eine Neuvernetzung statt, bei der die Netzsteuerung berücksichtigt wird. Mit einem homogenen Netz von guter Qualität können z. B. die Spannungen an einer Schweißnaht entlang einer Kante besser beurteilt werden. Die Elementstärke soll im Folgenden aus den Stärkeinformationen der Mittelflächenfunktion des idealisierten Teils abgeleitet werden. Auf diese Weise lassen sich sehr schnell assoziative Flächenmodelle und Modelle mit variablen Wandstärken erzeugen. Die Stärkeinformationen werden dabei später in der Nastran-Solver-Eingabedatei automatisch für jeden Elementknoten einzeln herangezogen.

6.3 FE-Simulation eines Tankbehälters

133

14. Verknüpfte Netzdaten bearbeiten (Edit Mesh Associated Data) ⇨ RMT auf 2d_mesh(1)

⇨ Verknüpfte Netzdaten bearbeiten Stärkeursprung ⇨ Mittelfläche

Stärkeprüfungstyp ⇨ An jedem Knoten

⇨ Wiederholen dieses Schrittes für alle weiteren Netzbereiche in ThinShell(1)

15. Analyse der Elementstärke ⇨ RMT auf 2D-Kollektoren ⇨ Stärke-Konturdiagramme (Plot Thickness Contours)

Für die Füße und den Stutzen hat die Übernahme der Stärke aus den Mittelflächen sehr gut funktioniert. Für den Behälter ergeben sich leichte Abweichungen. Diese sind an der minimalen Wandstärke von 1,900 zu erkennen. Um dies zu beheben, wird für den Tank und die Schweißreihe der Stärkeprüfungstyp durchschnittliche Formelementstärke verwendet. 16. Zu Modell zurückkehren (Return to Model) Somit wird die Anzeige der Elementstärke beendet.

134

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 17. Verknüpfte Netzdaten bearbeiten (Edit Mesh Associated Data) ⇨ RMT auf 2d_mesh(1) ⇨ Verknüpfte Netzdaten bearbeiten

Stärkeprüfungstyp ⇨ Durchschnittliche Formelementstärke

⇨ Wiederholen dieses Schrittes für 2d_mesh_WeldRow(1) 18. Stärke-Konturdiagramme (Plot Thickness Contours)

Die Elementstärke liegt nun für den Tankbehälter bei 2 mm (hier: blau). 19. Zu Modell zurückkehren

Durch die Übernahme der Stärkeinformationen aus den Mittelflächen ist es möglich, verschiedene Stärkebereiche innerhalb einer Property (PSHELL) zu erzeugen. 20. Physikalische Eigenschaften (Physical Properties) ⇨ RMT auf ThinShell(1)

⇨ Bearbeiten (Edit)

⇨ Schaleneigenschaft ⇨ PSHELL1

Der gesamte Netzkollektor hat die Schaleneigenschaft PSHELL1. Somit besitzen alle Netzbereiche dieses Kollektors die gleiche Eigenschaft. ⇨ Bearbeiten

⇨ Material auswählen Material 1 ⇨ Steel

Das Feld für die Standardstärke bleibt frei, da diese Information bereits durch die Mittelflächen gegeben ist.

Lasten und Zwangsbedingungen 21. Wechsel in die Simulation ⇨ Doppelklick auf Tank_sim1 in der Simulationsdateiansicht

6.3 FE-Simulation eines Tankbehälters

135

22. Zwangsbedingungstyp (Constraint Type) ⇨ Feste Zwangsbedingung (Fixed Constraint)

⇨ Untere Kante des ersten Standfußes auswählen Die Darstellung der Zwangsbedingungen kann selbstständig auf erweitert geändert und der Maßstab der Darstellung angepasst werden (s. Seite 118). 23. Zwangsbedingungstyp ⇨ Benutzerdefinierte Zwangsbedingung (User Defined Constraint) ⇨ Untere Kante des zweiten Standfußes wählen DOF3 ⇨ Fest

Die Einträge DOF1-6 beschreiben die 6 Freiheitsgrade der gewählten Knoten. DOF1-3 steht dabei für die translatorischen Freiheitsgrade, DOF4-6 für die rotatorischen. In diesem Beispiel wird somit die Verschiebung in Z-Richtung blockiert. Durch die unterschiedlichen Zwangsbedingungen an beiden Füßen des Tanks wird verhindert, dass das Modell überbestimmt ist. 24. Lasttyp (Load Type) ⇨ Druck (Pressure)

Typ ⇨ Normalendruck auf 2D-Elementen oder 3D-Elementflächen ⇨ Flächen des Behälters und des Einfüllstutzens auswählen Druck ⇨ 1 MPa

Dieser Druck wird gleichmäßig auf alle Elemente der ausgewählten Flächen verteilt.

136

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 25. Überprüfen der Druckrichtung Stimmen die Richtungen des Druckes am Behälter und am Stutzen nicht überein, müssen separate Drucklasten am Behälter und am Stutzen erzeugt werden. Durch die Eingabe eines negativen Wertes kann die Druckrichtung umgedreht werden. Der Druck am Behälter und am Einfüllstutzen soll nach außen wirken. Bei der Überprüfung der Druckrichtung kann auch eine Schnittansicht hilfreich sein. 26. Alle Speichern

III. Solving 1. Berechnen (Solve) 2. CPU und Arbeitsspeicher einstellen Je nach zur Verfügung stehender Hardware können Arbeitsspeicher und CPU selbstständig eingestellt werden (s. Abschnitt 6.2).

IV. Postprocessing 1. Navigator für die Nachbearbeitung (Post Processing Navigator) ⇨ Doppelklick auf Structural ⇨ Spannung - Element 2. Anpassen der Verformung

Die Verformung wird in NX standardmäßig deutlich überhöht dargestellt. Dies ermöglicht zwar einen guten Überblick über die auftretenden Verschiebungen, ist jedoch nicht immer von Vorteil, da die Geometrie stark verzerrt dargestellt wird. Die Darstellung wird daher im Folgenden angepasst.

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms

137

PP-Ansicht bearbeiten ⇨ Register Verformung

Maßstab ⇨ 10 ⇨ Absolut

Der Verformung wird somit absolut mit zehnfacher Überhöhung dargestellt. 3. Ausblenden des FE-Netzes ⇨ PP-Ansicht ⇨ Register Anzeige Kanten ⇨ Formelement

Das Ausblenden des FE-Netzes ist insbesondere bei sehr feiner Vernetzung hilfreich, um die Ergebnisse besser sichtbar zu machen. 4. Zu Modell zurückkehren Alternativ: 5. Ergebnisse aus Speicher entfernen ⇨ RMT auf Structural ⇨ Aus Speicher entf. (Unload) 6. Alle Speichern

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms In diesem Abschnitt wird der linke Kurbelarm einer Fahrradkurbel simuliert. Dabei wird ein parametrisches CAD-Modell verwendet und speziell auf die Verbindung zwischen CAD- und FEM-Modell eingegangen. Das Video zeigt das Pre- und das Postprocessing sowie das Ändern des CAD-Modells und die erneute Simulation.

138

I.

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM

Erstellen des CAD-Modells Zunächst wird ein parametrisches CAD-Modell des Kurbelarms gemäß der folgenden Zeichnung erstellt. Alternativ kann das Modell auch im DownloadBereich des Buches heruntergeladen werden (s. Kapitel 1).

1. Neue Datei (Modell) Dateiname ⇨ Kurbelarm_links

2. Ausdrücke

⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

A1 A2 B1 B2 B3 D1 D2

30 20 24 14 4 10 12

mm mm mm mm mm mm mm

Länge Länge Länge Länge Länge Länge Länge

Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms 3. Skizze ⇨ XZ-Ebene

4. Bezugsebene Typ ⇨ Kurven und Punkte

Untertyp ⇨ Punkt u. Ebene/Fläche Punkt ⇨ Mittelpunkt der Kurve Planares Objekt ⇨ YZ-Ebene

Zur Auswahl des Mittelpunktes der Kurve sollte im Punktefang Mittelpunkt gewählt werden. 5. Bezugsebene Typ ⇨ Kurven und Punkte

Untertyp ⇨ Punkt u. Ebene/Fläche Punkt ⇨ Mittelpunkt der Kurve

Planares Objekt ⇨ YZ-Ebene

Die Ebenen erleichtern die Erstellung der folgenden Skizze, da sie als Referenzen verwendet werden können. 6. Skizze ⇨ XY-Ebene

139

140

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 7. Extrudieren ⇨ Erste Skizze wählen

Richtung ⇨ negative Y-Achse ⇨ Ggf. Richtung umkehren

Abstand ⇨ 40

8. Extrudieren ⇨ Zweite Skizze wählen

Ende ⇨ Symmetrischer Wert

Abstand ⇨ 20

Boolesche Op. ⇨ Keine

9. Schnittmenge (Intersect) Ziel ⇨ erster Körper

Werkzeug ⇨ zweiter Körper 10. Zylinder (Cylinder) ⇨ Vektor angeben ⇨ Y-Achse ⇨ Punkt angeben ⇨ 0;0;0

Durchmesser ⇨ 35 Höhe ⇨ 28-B2

Boolesche Op. ⇨ Vereinigen

11. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ 3 12. Bohrung Durchmesser ⇨ 21 Tiefe ⇨ 10

Spitzenwinkel ⇨ 0

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms 13. Skizze ⇨ XZ-Ebene

⇨ Erzeugen eines Quadrats (□ 12) 14. Extrudieren

⇨ Skizze wählen

Ende ⇨ Symmetrischer Wert

Abstand ⇨ 20

Boolesche Op. ⇨ Subtrahieren

15. Formschräge (Draft) Typ ⇨ Fläche

Vektor angeben ⇨ Y-Achse

Schrägungsmethode ⇨ Unveränderte Fläche

Unveränderte Fläche ⇨ Boden der Bohrung wählen Flächen ⇨ Seitenflächen des Vierkants wählen Winkel 1 ⇨ 2 16. Bohrung

Durchmesser ⇨ 13

Tiefenbegrenzung ⇨ Durch Körper

17. Fase Querschnitt ⇨ Offset und Winkel Abstand ⇨ 6

Winkel ⇨ 20

18. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ 60

141

142

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 19. Oberfläche versetzen (Offset Surface) ⇨ Obere Flächen wählen (orange)

Offset 1 ⇨ B3

Die Fläche wird in Richtung der YAchse versetzt. ⇨ Ggf. Richtung umkehren 20. Skizze

⇨ XZ-Ebene

21. Extrudieren ⇨ Skizze auswählen

Richtung ⇨ negative Y-Achse

⇨ Ggf. Richtung umkehren

Ende ⇨ Bis Auswahl

⇨ Versetzte Fläche wählen

Boolesche Op. ⇨ Subtrahieren 22. Kantenverrundung

⇨ Verrunden der äußeren Kanten und der Kanten der Tasche

Radius 1 ⇨ 2

23. Auf Layer verschieben Skizzen ⇨ Layer 21

Bezugsebenen ⇨ Layer 61

Versetzte Fläche ⇨ Layer 81

24. Ausblenden aller Layer außer 1

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms

143

25. Materialien zuweisen (Assign Materials) ⇨ Aluminum_6061 26. Datei speichern

II.

Preprocessing Vernetzen und Netzeigenschaften Der Kurbelarm stellt ein Volumenmodell dar und wird mit 3D-Elementen vernetzt. Das idealisierte Teil wird in diesem Beispiel nicht verwendet. 1. Wechsel in die Pre/Post-Umgebung ⇨ Datei ⇨ Pre/Post

2. Neue FEM und Simulation ⇨ RMT auf Kurbelarm_links.prt ⇨ Neue FEM und Simulation ⇨ Idealisiertes Teil erzeugen deaktivieren

3. 3D-Tetraeder (3D Tetrahedral) ⇨ Körper auswählen

Typ ⇨ CTETRA(10)

⇨ Automatische Elementgröße Das System schlägt somit eine Elementgröße vor (hier: 6,55 mm). Dieser Wert ist in den meisten Fällen zu groß und sollte noch einmal durch zwei oder drei dividiert werden. Elementgröße ⇨ 2

144

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 4. Physikalische Eigenschaften ⇨ PSOLID1

⇨ Bearbeiten

Material ⇨ Übernommen

Somit wird das Material vom CADModell übernommen (hier: Aluminum_6061). Dazu muss jedoch sichergestellt werden, dass im CADModell ein Material zugewiesen ist.

5. Punkt (Point) Typ ⇨ Zwischen zwei Punkten

⇨ Mittelpunkt der Kreiskante der Bohrung wählen

⇨ Mittelpunkt der Kreiskante des Zylinders wählen

% Position ⇨ 50

Der Punkt liegt somit genau in der Mitte des Vierkants. Der erzeugte Punkt wird zur Definition einer festen Zwangsbedingung verwendet und muss zunächst mit dem FE-Netz des Kurbelarms verbunden werden. Dies erfolgt über eine 1D-Verbindung. 6. 1D-Verbindung (1D Connection)

Typ ⇨ Punkt zu Fläche

Punkt ⇨ erzeugten Punkt wählen

Flächen ⇨ Flächen des Vierkants

Verbindungselement Typ ⇨ RBE2

7. Punkt (Point)

Typ ⇨ Bogen-/Ellipsen-/ Kugelmittelpunkt

⇨ Äußere Kreiskante der Bohrung auswählen

Offset-Option ⇨ Rechteckig Delta Y ⇨ -50

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms

145

Der zweite Punkt wird zur Krafteinleitung verwendet und muss ebenfalls mit dem FE-Netz verbunden werden. Durch die Verwendung des Punktes wird die Krafteinleitung mittig zu einem fiktiven Pedal simuliert. 8. 1D-Verbindung (1D Connection) Typ ⇨ Punkt zu Fläche

Punkt ⇨ erzeugten Punkt wählen

Fläche ⇨ Mantelfläche der Bohrung wählen Verbindungselement Typ ⇨ RBE2

Die erzeugten Punkte, nicht zu verwechseln mit geometrischen Punkten im CAD-Modell, existieren nur in der FEM-Datei, sind jedoch assoziativ mit der Geometrie des CAD-Modells verbunden. Sie dienen zur Definition von Zwangsbedingungen und Lasten. Die Punkte sind über 1D-Verbindungen mit den Flächen des Kurbelarms verbunden. Das RBE2-Element stellt hierbei jeweils eine ideal steife Verbindung dar.

Lasten und Zwangsbedingungen 9. Wechsel in die Simulation ⇨ Doppelklick auf Kurbelarm_links_sim1 in der Simulationsdateiansicht 10. Zwangsbedingungstyp

⇨ Feste Zwangsbedingung

Typenfilter ⇨ Punkt

⇨ Erzeugten Punkt im Vierkant auswählen

Durch die Umstellung des Typenfilters auf Punkt wird sichergestellt, dass der richtige Punkt ausgewählt wird.

Über die Darstellung Drahtmodell mit abgeblendeten Kanten (Wireframe with Dim Edges) kann die richtige Auswahl überprüft werden.

146

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM 11. Lasttyp ⇨ Kraft

Typenfilter ⇨ Punkt

⇨ Erzeugten Punkt an der Bohrung wählen Kraft ⇨ 1500 N

Richtung ⇨ -ZC

Somit wird die Pedalkraft eines ca. 150 kg schweren Fahrers simuliert.

12. Subcase umbenennen ⇨ RMT auf Subcase - Static Loads 1 ⇨ Umbenennen (Rename)

Name ⇨ Pedalkraft 13. Neuer Subcase

⇨ RMT auf Solution 1

⇨ Neuer Subcase (New Subcase) Name ⇨ Querkraft

Der neu erstellte Subcase ist automatisch aktiviert. Die im Folgenden erzeugte Last wird somit direkt in diesem Subcase erstellt. Mit verschiedenen Subcases (dt. Lastfälle) können innerhalb einer Simulation unterschiedliche Belastungen untersucht werden. Eine Last wird dabei immer in den aktiven Subcase eingefügt (blau markiert). Über einen Doppelklick bzw. RMT ⇨ Aktivieren wird der jeweilige Subcase aktiviert. Lasten können auch im Nachhinein in verschiedene Subcases verschoben werden. Die Zwangsbedingungen gelten jedoch immer in der gesamten Solution für alle Subcases.

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms

147

14. Lasttyp ⇨ Kraft

Typenfilter ⇨ Punkt

⇨ Erzeugten Punkt an der Bohrung wählen Kraft ⇨ 200 N

Richtung ⇨ YC

Durch den zweiten Subcase wird der Kurbelarm zusätzlich auf eine Querbelastung geprüft.

15. Alle Speichern

III. Solving 1. Berechnen 2. CPU und Arbeitsspeicher einstellen Arbeitsspeicher und CPU können je nach zur Verfügung stehender Hardware wieder selbstständig eingestellt werden (s. Abschnitt 6.2). Die Berechnung dauert ca. 2-3 Minuten.

148

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM

IV. Postprocessing 1. Navigator für die Nachbearbeitung ⇨ Doppelklick auf Structural ⇨ Pedalkraft ⇨ Spannung - Element-Knoten

Bei der Verwendung von quadratischen Elementen müssen die Spannungen an den Element-Knoten ausgewertet werden. Die Berechnungsergebnisse werden für beide Lastfälle aufgelistet und können selbstständig untersucht werden. 2. Zu Modell zurückkehren Alternativ: 3. Ergebnisse aus Speicher entfernen ⇨ RMT auf Structural

⇨ Aus Speicher entf.

6.4 FE-Simulation eines Kurbelarms

V.

149

Ändern des CAD-Modells Aufgrund des Master-Modell-Konzeptes in NX und der damit verbundenen Verbindung zwischen CAD- und FEM-Modell können Änderungen am CADModell sehr schnell in die Simulation übertragen werden. Die Grundvoraussetzung für assoziative Simulationsmodelle ist, dass die Zwangsbedingungen und Lasten auf Geometrieobjekte (z. B. Kurven, Kanten, Flächen, Punkte) referenziert sind und nicht auf Objekte des FEM-Modells (z. B. Elementkanten oder -knoten). Die berechneten maximalen Spannungen der beiden Lastfälle sind in der folgenden Tabelle noch einmal dargestellt: Lastfall

Max. Spannung [MPa]

Pedalkraft Querkraft

499,04 78,93

Die Ergebniswerte können hier aufgrund von kleinen Unterschieden in der Vernetzung auch leicht variieren. In den weiteren Schritten wird aufgezeigt, wie einfach und schnell das CADModell geändert werden kann und wie diese Änderung mit Hilfe der FE-Simulation bewertet werden kann. 1. CAD-Modell aktivieren ⇨ Doppelklick auf Kurbelarm_links in der Simulationsdateiansicht 2. Ausdrücke Strg+E

⇨ Ändern der folgenden Ausdrücke:

B1 ⇨ 26 B3 ⇨ 6

Der Ausdruckseditor kann bei aktiver Part-Datei direkt in der Pre/Post-Umgebung geöffnet werden. Dies geht sehr schnell über den Shortcut Strg+E. Alternativ kann der Ausdruckseditor auch wie gewohnt über das Register Werkzeuge aufgerufen werden. Ggf. muss das Register erst eingeblendet werden (RMT auf einen freien Bereich ⇨ Werkzeuge). 3. Wechsel in die FEM-Datei

⇨ Doppelklick auf Kurbelarm_links_fem1 4. FE-Modell aktualisieren (Update)

150

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM Nachdem das CAD-Modell verändert wurde, muss immer zunächst das FEMModell aktualisiert werden. Dabei findet eine Neuvernetzung des Modells statt. Wurde das Modell korrekt erstellt und die Lasten und Zwangsbedingungen richtig referenziert, sollten diese nach der Aktualisierung erhalten bleiben. 5. Wechsel in die Simulation ⇨ Doppelklick auf Kurbelarm_links_sim1 6. Berechnen

7. Überprüfen der Ergebnisse Durch die Anpassung der beiden Parameter konnten die Spannungen, welche durch die Pedalkraft entstehen, deutlich reduziert werden. Lastfall Pedalkraft Querkraft

Max. Spannung [MPa] 361,53 76,48

Die Verknüpfung von CAD- und Simulationsmodell innerhalb von NX erlaubt es, sehr schnell das CAD-Modell zu ändern und den Einfluss der durchgeführten Änderungen in der Simulation zu überprüfen. Weitere Parameteränderungen können selbstständig durchgeführt werden. Die Vorteile der Modellverknüpfung werden auch bei der Optimierung des Kurbelarms noch einmal deutlich (s. Abschnitt 8.2).

6.5 Ausgewählte Funktionen und Hinweise In diesem Abschnitt werden weitere ausgewählte Funktionen der Pre/Post-Umgebung vorgestellt, die bei der weiteren Arbeit hilfreich sein können. Beim erstmaligen Finden und Aufrufen der Funktionen ist es sinnvoll, die Befehlssuche (Command Finder) zu nutzen.

Öffnen von Simulationsdateien Beim Öffnen von Simulationsdateien ist darauf zu achten, dass die Referenzierung der Modelle untereinander wiederhergestellt wird. Aus diesem Grund sollten mindestens die Simulationsdatei (_sim1.sim) und das idealisierte Teil (_fem_i.prt) geöffnet werden. Die Verknüpfungen der Dateien werden somit automatisch wiedererkannt. Im Zweifelsfall können auch alle Dateien geöffnet werden.

6.5 Ausgewählte Funktionen und Hinweise

151

Ergebnisse importieren Neben der Berechnung ist auch das direkte Importieren von Ergebnisdateien bereits durchgeführter Berechnungen möglich, z. B. op2-Dateien. Dabei wird nur die Postprocessing-Umgebung genutzt, ohne die gesamte Simulationsdatei zu laden. Da auf diesem Weg auch eine weitere Ergebnisdatei in ein geöffnetes Modell importiert werden kann, lassen sich auch Ergebnisse unterschiedlicher Berechnungen miteinander vergleichen. ⇨ Navigator für die Nachbearbeitung ⇨ Doppelklick auf Importierte Ergebnisse (Imported Results)

Alternativ:

⇨ RMT auf Importierte Ergebnisse ⇨ Ergebnisse importieren (Import Results) ⇨ Durchsuchen

⇨ Auswahl der zu importierenden Ergebnisdatei (hier: op2)

Neben op2-Dateien werden auch Dateiformate anderer Simulationssysteme unterstützt.

Ergebnisse einzelner Bereiche analysieren Ergebnisse identifizieren (Identify Results) Mit dieser Funktion können Ergebnisse einzelner Bereiche ausgewertet werden, z. B. die Spannungen bestimmter Elemente oder die Spannungen an einzelnen Knoten. Die Elemente und Knoten werden direkt im Grafikbereich ausgewählt. Dabei können auch mehrere Elemente oder Knoten ausgewählt werden. Über Hervorhebungen löschen kann die Anzeige der ausgewählten Elemente im Grafikbereich bereinigt werden. Mit Auswahl löschen wird die gesamte Auswahl der Elemente gelöscht.

152

6 Konstruktionsbegleitende Simulation - FEM

Doppelte Knoten vereinen Bei der Vernetzung unterschiedlicher Flächen kann es vorkommen, dass die FE-Netze zwei benachbarter Flächen nicht miteinander verbunden sind, insbesondere wenn auch die Flächen nicht verbunden sind. Die beiden Netze können dann direkt miteinander verbunden werden, indem die doppelten Knoten an der Schnittstelle vereint werden. Doppelte Knoten (Duplicate Nodes) Toleranz ⇨ 0.001

⇨ Knoten anzeigen ⇨ Knoten mischen

Vorzugsweise sollte jedoch zunächst versucht werden, die zu vernetzenden Flächen miteinander zu verbinden. Sind die Flächen miteinander verbunden, werden auch die Netze der beiden Flächen miteinander verbunden. Für die Verbindung der Flächen kann die Funktion Kante zusammenfügen (Stitch Edge) genutzt werden (s. Abschnitt 6.3).

Modellieren von Schraubenverbindungen Eine Schraubenverbindung kann durch eine 1DVerbindung (z. B. RBE2) an der Reibfläche vereinfacht dargestellt werden. Die dazu notwendige separate Kreisringfläche um die Bohrung kann in der FEM-Datei über den Befehl Kreisförmiger Aufdruck erzeugt werden. Kreisförmiger Aufdruck (Circular Imprint) ⇨ Oberfläche wählen

⇨ Punkt oder Kante auswählen

⇨ Durchmesser des kreisförmigen Aufdruckes festlegen

6.6 Kontrollfragen

153

6.6 Kontrollfragen 1. Welche Arten von Finiten Elementen gibt es? 2. Welche Finiten Elemente sind bei einer Festigkeitssimulation prinzipiell zu bevorzugen? 3. Was ist eine Konvergenzanalyse? 4. Aus welchen Schritten besteht eine Finite-Elemente-Analyse? 5. Welche Dateien werden bei einer Finite-Elemente-Analyse in NX verwendet und wie wird zwischen ihnen gewechselt? 6. Wie können Arbeitsspeicher und CPU für eine Berechnung eingestellt werden?

7

Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS Bei der Simulation von Mehrkörpersystemen (MKS) werden Baugruppen und Mechanismen durch starre, undeformierbare Körper (Bewegungskörper) abgebildet, welche über Gelenke, Federn und Dämpfer miteinander verbunden sind. Durch die Verknüpfung des MKS-Modells mit der CAD-Geometrie des Master-Modells werden in NX die Masse sowie die Trägheitseigenschaften der Körper auf Basis der CAD-Geometrie und der Materialdaten automatisch berechnet. Sie müssen daher nicht wie oft üblich manuell eingetragen werden. Weiterhin werden basierend auf den in der Baugruppe verwendeten Zwangsbedingungen auch die Gelenke teilweise automatisch erstellt. Nach der Berechnung der das MKS beschreibenden Bewegungsgleichungen (Solving) können die Bewegungen und Beschleunigungen der Körper über Marker und Sensoren ausgewertet werden. An den Gelenken zwischen den Körpern lassen sich die dort wirkenden Kräfte ausgeben. Die in einer MKS-Simulation ermittelten Kräfte dienen oft als Lasten für nachgelagerte FEM-Simulationen der Komponenten. Dieser Berechnungsablauf wird in diesem Kapitel am Beispiel eines vereinfachten Kurbeltriebs erläutert. Alternativ zur Verwendung starrer Körper ist auch die Einbindung elastischer Körper durch FE-Modelle möglich, um somit die Berechnungsgenauigkeit zu erhöhen. Obwohl in NX auch diese Methode unterstützt wird, wird in diesem Buch auf die Erläuterung der Methode aufgrund des Umfangs verzichtet.

7.1 Grundlagen Analog zur FE-Simulation ist auch bei der Simulation von Mehrkörpersystemen ein gewisses Grundwissen nötig, um erfolgreich Simulationen durchführen zu können. Die für die Berechnung des Beispiels in diesem Kapitel benötigten Grundlagen werden im Folgenden erläutert. Für weitergehende Informationen zum Thema MKS wird auf einschlägige Literatur verwiesen.

I.

Vorgehensweise in NX Die MKS-Simulation erfolgt in NX in der Umgebung Motion. Analog zur FE-Simulation finden in dieser Umgebung das Pre- und das Postprocessing statt. Das Solving übernimmt ein extern angesprochenes Programm (Solver). Weiterhin kann die Motion-Umgebung auch über das eigenständige System Simcenter 3D aufgerufen werden (s. Abschnitt 6.1).

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_7

154

7.1 Grundlagen

155

Die Vorgehensweise zur Simulation eines Mehrkörpersystems in NX ist vergleichbar mit der Vorgehensweise der FE-Simulation mit dem Unterschied, dass eine MKS-Simulation stets eine Baugruppe erfordert. Eine MKS-Simulation besteht in NX daher aus den folgenden Schritten: • Erstellen der Baugruppe in der Konstruktionsumgebung • Wechsel in die Motion-Umgebung • Preprocessing: - Überprüfen der Gelenkdefinitionen, ggf. Erstellen oder Anpassen von Gelenken - Aufbringen von Lasten und Randbedingungen - Definieren von Markierungen und Sensoren sowie Festlegen der Ausgabegrößen • Solving: Berechnen des numerischen Problems, Lösen der Bewegungsgleichungen • Postprocessing: Auswerten der Ergebnisse • Plausibilitätsbetrachtung: Macht die Lösung Sinn?

Bewegungsnavigator Der Bewegungsnavigator (Motion Navigator) enthält alle Elemente des Simulationsmodells. Die Bewegungskörper repräsentieren dabei die Körper, welche über die Gelenke miteinander verbunden sind. Weiterhin werden Markierungen und Sensoren sowie spezielle Analysen wie z. B. Spuren oder Durchdringungen aufgelistet. Der Container Lasten enthält die erstellten externen Lasten, z. B. Kräfte und Drehmomente. Solution001 beinhaltet die Lösungsparameter und die Ergebnisse der Simulation.

Simulationsdateien Auch bei MKS-Simulationen wird in NX das Master-Modell-Konzept verfolgt (s. Abschnitt 1.2). Im Bewegungsnavigator wird dabei unterhalb der Simulationsdatei (hier: bg_Motor_motion_1) die Baugruppe aufgeführt, auf welche das Simulationsmodell referenziert (hier: bg_Motor).

156

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS Im Baugruppen-Navigator wird das Simulationsmodell (bg_Motor_motion_1) als Baugruppe dargestellt, welche die Unterbaugruppe bg_Motor beinhaltet, die wiederum die einzelnen Komponenten enthält.

II.

Gelenke Die in der Regel starren Körper werden über Gelenke (Joints) miteinander verbunden. Folgende Gelenke sind in NX verfügbar: Icon

Gelenkbezeichnung Drehgelenk Schiebegelenk Zylindrisch

Gelenkbezeichnung (engl.) Revolute Slider Cylindrical

Schraube

Screw

-

Universal Kugelförmig Planar Festgesetzt Konstante Geschwindigkeit Bei Punkt Innen In Ebene Ausrichtung Parallel Senkrecht

Universal Spherical Planar Fixed Constant Velocity Atpoint Inline Inplane Orientation Parallel Perpendicular

0 0 2 0

Transl. 0 1 1

Freiheitsgrade Rotation Summe 1 1 0 1 1 2 1 (bzw. 5, je nach Solver) 2 2 3 3 1 3 0 0

0

2

2

0 1 2 3 3 3

3 3 3 0 1 2

3 4 5 3 4 5

Die übertragenden Freiheitsgrade des Schraubengelenks hängen von der Gelenkdefinition des Solvers ab. Wird einer der internen Solver NX Motion, Simcenter 3D Motion oder RecurDyn verwendet, wird ein Freiheitsgrad übertragen. Beim externen Adams-Solver werden fünf Freiheitsgrade übertragen und das Gelenk muss mit einem zylindrischen Gelenk kombiniert werden.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

157

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs Im folgenden Beispiel wird ein vereinfachter Kurbeltrieb simuliert. Die benötigten Komponenten können im Download-Bereich des Buches heruntergeladen (s. Kapitel 1) oder selbstständig gemäß den folgenden Zeichnungen modelliert werden. Für alle Komponenten wird das Material Stahl verwendet. Dies ist wichtig, da aus der Geometrie und der Dichte die Trägheitsmomente der Komponenten berechnet werden.

Zylinderkurbelgehäuse (ZKG)

Kurbelwelle

158

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS

Kolben

Pleuel

Kolbenbolzen

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

159

Die in diesem Beispiel verwendete Vorgehensweise orientiert sich an der in Abschnitt 7.1 beschriebenen grundlegenden Vorgehensweise einer MKSSimulation. Weiterhin werden die durch die Simulation ermittelten Lasten auf das Pleuel nach der MKS-Simulation extrahiert und eine FE-Simulation des Pleuels durchgeführt. I. Erstellen der Baugruppe II. Preprocessing III. Solving IV. Postprocessing V. Übertragen der Lasten in eine FE-Simulation Die Beschreibung der einzelnen Schritte zur Simulation des Kurbeltriebs wird ergänzend zum Text durch Videos unterstützt.

I.

Erstellen der Baugruppe Aus den einzelnen Komponenten wird die Baugruppe bg_Motor aufgebaut. Zur besseren Übersicht wird das Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) dabei transparent eingefärbt. Die Erstellung der Baugruppe ist auch als Video verfügbar.

1. Neue Datei (Baugruppe) Dateiname ⇨ bg_Motor

2. Hinzufügen der Komponente ZKG (Add) ⇨ Das ZKG wird als erste Komponente hinzugefügt und fixiert.

160

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS 3. Objektdarstellung (Object Display)

Strg+J

⇨ Die Durchsichtigkeit (Translucency) des ZKG wird auf 50 geändert.

Somit können im Folgenden die Komponenten einfacher positioniert und die Berechnungsergebnisse besser betrachtet werden. Üblicherweise werden in NX die Komponenten einer Baugruppe über Baugruppenzwangsbedingungen (Assembly Constraints) positioniert und miteinander in Beziehung gesetzt. Seit der Version Continuous Release stehen hierzu auch Gelenke und Koppler zur Verfügung. Bei sich zueinander beweglichen Komponenten ist die Definition von Gelenken oftmals intuitiver als die Verwendung von Zwangsbedingungen, da somit die beweglichen Freiheitsgrade explizit definiert und nicht schrittweise eliminiert werden. Die Verwendung von Zwangsbedingungen oder Gelenken obliegt der persönlichen Präferenz und hat auf die weitere Vorgehensweise für die MKS-Simulation nur einen geringen Einfluss. Bei der Verwendung der Baugruppenzwangsbedingungen werden aus diesen in der Motion-Umgebung automatisch die notwendigen Gelenkdefinitionen erzeugt. Bei der Verwendung von Gelenken werden diese in die Motion-Umgebung transferiert, sofern in den Gelenken keine steuernden Maße aktiviert wurden. Da steuernde Maße die Freiheitsgrade eines Gelenkes einschränken, wird in diesem Fall das Gelenk gemäß seiner Zwangsbedingungen in der MotionUmgebung in ein passendes Gelenk umgewandelt. In jedem Fall sollten bei der Erstellung von Zwangsbedingungen und Gelenken in einer Baugruppe folgende Punkte beachtet werden: • Zwangsbedingungen und Gelenke sollten gemäß des realen Einbauzustandes definiert werden, d. h. keine Sperrung von Rotationen. Komponenten, die sich später bewegen sollen, bleiben gemäß ihrer Bewegungsfreiheitsgrade teilweise bestimmt. • Zwangsbedingungen und Gelenke werden nur zwischen Komponenten erstellt, welche auch in der Realität in direkter Beziehung zueinander stehen, d. h. über Wirkflächen miteinander interagieren. In diesem Beispiel werden die Gelenke direkt innerhalb der Baugruppe definiert, um diese eher neuere und intuitivere Methode kennenzulernen und das Potential der direkten Verbindung von CAD- und MKS-Modell aufzuzeigen. Steuernde Maße werden dabei nicht verwendet.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

161

4. Hinzufügen der weiteren Komponenten ⇨ Die weiteren Komponenten werden selbstständig hinzugefügt.

Dabei werden in den Baugruppenzwangsbedingungen die folgenden Gelenke verwendet. Diese stellen nur eine Empfehlung dar. Alternativ können auch selbstständig Zwangsbedingungen gemäß der zu sperrenden Freiheitsgrade verwendet werden. Komponente ⇨ Kurbelwelle Drehgelenk

Achse auf erstem Objekt

⇨ Bohrungskante des ZKG wählen ⇨ Ggf. Richtung umkehren

Die Richtung des Vektors definiert die Drehrichtung des Gelenks. Zur besseren Auswahl der Objekte am ZKG kann die Kurbelwelle auch ausgeblendet werden. Punkt angeben ⇨ Punktdialog

Typ ⇨ Zwischen zwei Punkten ⇨ Mittelpunkte der Bohrungskanten wählen

% Position ⇨ 50

Achse auf zweitem Objekt ⇨ Kreiskante der Kurbelwelle wählen Punkt angeben ⇨ Punktdialog

162

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS Typ ⇨ Zwischen zwei Punkten ⇨ Mittelpunkte der Kreiskanten der Welle wählen

% Position ⇨ 50

⇨ Gelenk erzeugen

Das erzeugte Gelenk wird im Baugruppen-Navigator unter den Zwangsbedingungen aufgeführt. Über einen Doppelklick kann das Gelenk editiert werden. Durch die Eingabe eines Winkels kann die Position der Komponente angepasst werden, wobei jedoch auch der Freiheitsgrad gesperrt wird. Daher muss der Winkel nach der Anpassung der Position wieder deaktiviert werden. Das Ändern einzelner ausgewählter Elemente ist nicht möglich, sodass das Gelenk nur generell neu definiert werden kann. Komponente ⇨ Pleuel Drehgelenk

Achse auf erstem Objekt ⇨ Zylindrische Fläche der Kurbelwelle auswählen

⇨ Positionieren des Punktes mittig im Zapfen der Kurbelwelle (Punktdialog)

Achse auf zweitem Objekt ⇨ Zylindrische Fläche des großen Pleuelauges auswählen

⇨ Positionieren des Punktes mittig im Pleuelauge (Punktdialog) ⇨ Gelenk erzeugen

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

163

Komponente ⇨ Kolbenbolzen Zylindrisches Gelenk

⇨ Zylindrische Fläche des kleinen Pleuelauges

⇨ Punkt mittig im Pleuelauge ⇨ Zylindrische Fläche des Kolbenbolzens

⇨ Punkt mittig im Kolbenbolzen

Durch das zylindrische Gelenk wird eine Überbestimmtheit in X-Richtung verhindert. Der Abstand kann zur Positionierung der Komponenten genutzt werden, sollte anschließend aber wieder deaktiviert werden, da sonst der translatorische Freiheitsgrad des Gelenks gesperrt wird. Komponente ⇨ Kolben Drehgelenk

⇨ Kreiskante des Kolbenbolzens ⇨ Punkt mittig im Kolbenbolzen

⇨ Kreiskante der Bohrung des Kolbens ⇨ Punkt mittig in der Kolbenbohrung Zylindrisches Gelenk

⇨ Obere Kreiskante des ZKG

⇨ Mittelpunkt der Bohrung des ZKG ⇨ Obere Kreiskante des Kolbens ⇨ Mittelpunkt der Stirnfläche des Kolbens auswählen ⇨ Ggf. Richtung umkehren

Die Vektoren sollten zur korrekten Ausrichtung in die gleiche Richtung zeigen.

164

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS 5. Freiheitsgrade anzeigen (Show Degrees of Freedom) ⇨ Kurbelwelle auswählen

⇨ Wiederholen für die weiteren Komponenten mit Ausnahme des ZKG

Somit werden die Freiheitsgrade der ausgewählten Komponenten angezeigt. Ansicht aktualisieren (Refresh) F5

II.

Durch das Aktualisieren der Ansicht werden die Ergebnisse der Analyse wieder ausgeblendet.

Preprocessing Im Folgenden wird nun das MKS-Modell erstellt. Die Simulation des Kurbeltriebs ist auch als Video abrufbar. 1. Wechsel in die Motion-Umgebung ⇨ Datei ⇨ Motion

2. Neue Simulation (New Simulation) ⇨ RMT auf bg_Motor ⇨ Neue Simulation

⇨ Bestätigen des Dialogs zur Festlegung von Name und Speicherort Dialog Umgebung: ⇨ Dynamik

⇨ Verbindungsassistent bei neuer Simulation starten aktivieren

Mit Bestätigen des Dialogs wird der Verbindungsassistent aufgerufen. Die zuvor in der Baugruppe definierten Gelenke (und Zwangsbedingungen) werden somit automatisch in die Motion Umgebung transferiert. Diese Überführung funktioniert in der Regel recht gut. Die Gelenke bedürfen jedoch oft noch einiger manueller Anpassungen. Diese werden im Folgenden durchgeführt.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

165

Die Komponenten der Baugruppe werden im Bewegungsnavigator als Bewegungskörper (Motion Bodies) aufgeführt. Mit einem Doppelklick können die Körper nachträglich verändert werden (z. B. Ändern der Masse- und Trägheitseigenschaften). Die Gelenke (Joints) können ebenfalls über einen Doppelklick angepasst werden. Zusätzlich können für jedes Gelenk Reibung und ein Antrieb (Vorgabe einer Bewegung) definiert werden.

Gelenke Da später die Reaktionskräfte an dem Pleuel exportiert werden sollen, müssen die Ursprungspunkte der Gelenke des Pleuels mittig zum Pleuel definiert werden, um das Pleuel nicht fälschlicherweise asymmetrisch zu belasten. Die Kräfte der Gelenke werden später an den Ursprungspunkten berechnet. Auch wenn wie hier die Ursprungspunkte bereits bei der Gelenkerstellung in der Baugruppe mittig in den Gelenken erzeugt werden, werden diese nicht direkt in die Motion-Umgebung überführt und erfordern eine manuelle Anpassung. Dies kann evtl. in zukünftigen NX-Versionen besser funktionieren. Befinden sich die Ursprungspunkte bereits mittig in den Gelenken, können die folgenden Schritte übersprungen werden. Um die Geometrieauswahl zu erleichtern, sollten das ZKG, der Kolben und die Kurbelwelle ausgeblendet werden, indem analog zur Baugruppe die roten Häkchen der Komponenten im Bewegungsnavigator entfernt werden. Wird ein Gelenk angeklickt, werden die durch das Gelenk verbundenen Bewegungskörper im Bewegungsnavigator rot markiert. Beim Anklicken eines Körpers werden die dazugehörigen Gelenke blau markiert. Die relevanten Gelenke können somit leicht identifiziert werden. 3. Gelenk ändern ⇨ Doppelklick auf das Gelenk zwischen Kurbelwelle und Pleuel Ursprung angeben ⇨ Punktdialog Typ ⇨ Zwischen zwei Punkten

⇨ Mittelpunkte der Bohrungskanten wählen

% Position ⇨ 50

166

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS 4. Gelenk ändern ⇨ Doppelklick auf das Gelenk zwischen Kolbenbolzen und Pleuel Ursprung angeben ⇨ Punktdialog Typ ⇨ Zwischen zwei Punkten

⇨ Mittelpunkte der äußeren Kreiskanten des Kolbenbolzens wählen

% Position ⇨ 50

Die ausgeblendeten Körper können anschließend wieder eingeblendet werden.

Solver auswählen und Lösung hinzufügen 5. Solver auswählen Bevor dem Modell eine Lösung hinzugefügt werden kann, muss der geeignete Solver ausgewählt werden. Für dieses Beispiel wird der Solver NX Motion verwendet. ⇨ RMT auf bg_Motor_motion1 im Bewegungsnavigator ⇨ Solver ⇨ NX Motion

Die Solver NX Motion und Simcenter 3D Motion sind von der Funktionsweise sehr ähnlich. NX Motion ist für einfache Simulationsaufgaben ausreichend. Simcenter 3D Motion verfügt über einen erweiterten Funktionsumfang, z. B. die Integration flexibler Körper auf Basis der FEM, Co-Simulation mit externen Simulationstools sowie die Modellierung von Reifen und Fahrbahnen. RecurDyn ist ein spezieller MKS-Solver, welcher in NX integriert wurde und weitere Funktionen bereitstellt, z. B. die Integration von 2D-Kontakten, DCMotoren und Signaldiagrammen. Bei der Verwendung von RecurDyn zur Berechnung von Kräften muss beachtet werden, dass dieser Solver deutlich mehr Zeitschritte benötigt, um einen Kraftverlauf fein genug aufzulösen, insbesondere bei rotierenden Systemen. Die zeitliche Auflösung der Ergebnisse sollte daher genau betrachtet werden.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

167

6. Neue Lösung (New Solution) ⇨ RMT auf bg_Motor_motion1

⇨ Neue Lösung

Startzeit der Lösung ⇨ 0

Endzeit der Lösung ⇨ 5

Schritttypdefinition ⇨ Schrittgröße Schrittgröße ⇨ 0.01

Gravitation ⇨ negative Z-Richtung ⇨ Systemeigenschaften (System Properties)

Länge ⇨ Millimeter

Die erstellte Lösung wird im Bewegungsnavigator abgelegt und kann bei Bedarf über einen Doppelklick bearbeitet werden.

Innerhalb der angegebenen Zeit werden die Bewegungsgleichungen des MKS mit einer Schrittweite von 0,01 Sekunden gelöst. Dies entspricht einer Anzahl von 500 Zeitschritten. Innerhalb der Zeit von 5 Sekunden werden die Bewegungsgleichungen somit für 500 Zustände gelöst. Dies ist für die erste Simulation ausreichend, wird jedoch später noch einmal verfeinert (s. Abschnitt III).

Redundante Zwangsbedingungen eliminieren 7. Berechnen (Solve) Bei der ersten Berechnung erscheint im Informationsfenster die Meldung einer redundanten Zwangsbedingung. Das MKS ist also überbestimmt. Da das MKS rein durch Starrkörper aufgebaut ist, existiert in diesem Modell keine Elastizität oder Spiel. Die Starrkörper sind durch spielfreie Gelenke miteinander verbunden, wodurch schnell überbestimmte Systeme entstehen können.

168

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS Das MKS kann zwar berechnet werden und die Ergebnisse lassen sich wiedergegeben, jedoch sollten redundante Zwangsbedingungen stets eliminiert werden, insbesondere wenn auch Kräfte und Reaktionskräfte innerhalb von Gelenken berechnet werden, da durch die Überbestimmtheit des Systems fehlerhafte Ergebnisse produziert werden können. In diesem Beispiel hat die redundante Zwangsbedingung nur einen geringen Einfluss auf die berechneten Kräfte, da diese nur in Y- und Z-Richtung ausgewertet werden. Momente um die Y-Richtung werden hier nicht ausgewertet. Aus den oben genannten Gründen wird die redundante Zwangsbedingung dennoch eliminiert. Aus der Meldung geht hervor, dass das System in Rotation um die Y-Achse überbestimmt ist. Die Information des Gelenks J005 ist hierbei nur bedingt verwendbar, da jedes Gelenk in der kinematischen Kette der Gelenke diese Redundanz auslöst. Die Freiheitsgrade des Systems sollten daher selbstständig gedanklich plausibilisiert und dann angepasst werden. Bei der Eliminierung redundanter Zwangsbedingungen werden die Gelenke schrittweise plausibel angepasst und dem Mehrkörpersystem somit Freiheitsgrade hinzugefügt. Dabei kann die in Abschnitt 7.1 gegebene Übersicht der Gelenke und deren Freiheitsgraden als Hilfe genutzt werden (s. Seite 156). Nach einer Änderung sollte das System stets erneut berechnet werden, um die Auswirkungen der Änderung zu analysieren. Die redundanten Zwangsbedingungen werden folgend manuell angepasst. Dabei muss dem System durch die Anpassung eines Gelenkes ein Freiheitsgrad für die Rotation um die Y-Achse hinzugefügt werden. Obwohl in der Meldung das Gelenk J005 zwischen Kolben und Kolbenbolzen aufgeführt ist, wird das Gelenk zwischen Kurbelwelle und Pleuel bearbeitet, da hier schnell ein Rotationsfreiheitsgrad hinzugefügt werden kann. 8. Gelenk ändern ⇨ Doppelklick auf das Gelenk zwischen Kurbelwelle und Pleuel ⇨ Ändern des Gelenktyps Typ ⇨ Universal

Aktion ⇨ Spinvektor ⇨ X-Achse wählen

Basis ⇨ Spinvektor ⇨ Y-Achse wählen

Die Meldung nach dem Bestätigen des Dialogs kann ignoriert werden. Ein Stiftquerschnittsvektor wird in diesem Fall nicht benötigt. Durch das Universal-Gelenk wird dem System ein Rotationsfreiheitsgrad hinzugefügt. Die Auswahl der beiden Spinvektoren definiert die beiden freien Rotationsachsen. Die Rotation um die Z-Achse bleibt weiterhin gesperrt.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

169

9. Berechnen (Solve) Die Berechnung erfolgt jetzt fehlerfrei und ohne die Warnung zu redundanten Zwangsbedingungen.

Die in diesem Beispiel verwendeten Gelenke sind in der folgenden Übersicht noch einmal aufgeführt. Diese Übersicht stellt lediglich eine Hilfestellung dar, falls die redundanten Zwangsbedingungen nicht selbstständig eliminiert werden können. Läuft die Berechnung auch mit anderen Gelenkdefinitionen ohne eine Warnung zu redundanten Zwangsbedingungen durch, kann auch mit diesen Gelenkdefinitionen fortgefahren werden. ID J001 J002 J003 J004 J005 J006

Icon Gelenkbezeichnung Bewegungskörper Drehgelenk Zylindrisch Universal Zylindrisch Drehgelenk Fest

ZKG ZKG Pleuel Pleuel Kolben ZKG

Kurbelwelle Kolben Kurbelwelle Kolbenbolzen Kolbenbolzen

10. Wiedergeben (Play) ⇨ Register Ergebnisse ⇨ Wiedergeben

Über die Wiedergabe der Animation erfolgt eine erste Analyse der Ergebnisse. Die detaillierte Beschreibung des Postprocessings findet sich in Abschnitt IV. 11. Animation beenden (Finish) Zum weiteren Arbeiten muss die Animation beendet werden.

170

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS

Reibung Der Lauf des Kolbens im ZKG wird mit Reibung beaufschlagt. Hierzu wird in der Gelenkdefinition die Reibung aktiviert und es werden Reibwerte definiert. 12. Gelenk ändern ⇨ Doppelklick auf das Gelenk zwischen Kolben und ZKG

⇨ Register Reibung

⇨ Reibung aktivieren

Mu_Static ⇨ 0

Mu_Dynamic ⇨ 0.1

Da dieses Beispiel bewegungsdominiert ist, wird der Reibkoeffizient für statische Reibung (Mu_Static) mit einem Wert von 0 versehen. Die statische Reibung wird somit ignoriert. Die Verwendung statischer Reibung kann ggf. zu numerischen Instabilitäten führen und fehlerhafte Meldungen zu redundanten Zwangsbedingungen auslösen. 13. Berechnen Der Effekt der Reibung kann durch erneutes Berechnen und Wiedergabe der Animation sichtbar gemacht werden.

Drehmoment Die Kurbelwelle wird zudem mit einem Drehmoment beaufschlagt, analog zu einem Schleppversuch auf einem Motorenprüfstand. Skalare Drehmomente können nur auf Bewegungskörper oder Drehgelenke angewendet werden. Entspricht das Gelenk zwischen Kurbelwelle und ZKG nicht diesem Gelenktyp, muss der Gelenktyp zunächst geändert werden. 14. Skalares Drehmoment (Scalar Torque) ⇨ Drehgelenk zwischen Kurbelwelle und ZKG wählen Typ ⇨ Ausdruck

Wert ⇨ 200 N-mm

15. Berechnen

Der Effekt des Drehmoments kann ebenfalls selbstständig durch Berechnen und Wiedergabe der Animation analysiert werden.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

171

Markierungen, Sensoren und Intelligente Punkte In NX stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung, um aus der Simulation die Ergebnisse zu extrahieren. Eine Markierung (Marker) stellt ein Koordinatensystem dar, welches an Punkten von besonderem Interesse positioniert werden kann. Sie dient zur Darstellung von Verschiebungen, Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen eines Punktes einer Komponente. Weiterhin können Punktkontaktkräfte, Federwege oder andere dynamische Einflüsse ausgewertet werden. In Kombination mit Sensoren können die Positionen von Markierungen und Komponenten zueinander ausgewertet werden. Mit Hilfe von Sensoren (Sensor) können Daten wie Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder Kräfte über relative Positionen von Bewegungskörpern und Markierungen ermittelt werden. Ein intelligenter Punkt (Smart Point) besitzt keine Orientierung. Er hat keine Verbindung zu Bewegungskörpern und kann frei im Raum positioniert werden. Ein intelligenter Punkt kann auch als Basis (Ausgangspunkt) für Kräfte oder Federn genutzt werden. 16. Markierung (Marker) Bewegungskörper ⇨ Kolben wählen Punkt angeben ⇨ Mittelpunkt des Kolbenbodens (Oberseite) wählen

KSYS bestimmen ⇨ KSYS-Dialog

Typ ⇨ Ursprung, X-Punkt, Y-Punkt

⇨ Definition des KSYS gemäß der Abbildung

Zur Auswahl der KSYS-definierenden Punkte sollte in den Fangpunkten Quadrantenpunkt gewählt werden. Um bei der Definition der Markierung die richtigen Punkte des Kolbens auszuwählen, ist das Ausblenden des ZKG hilfreich.

172

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS 17. Markierung Bewegungskörper ⇨ ZKG wählen Punkt angeben ⇨ Mittelpunkt der Bohrung

KSYS bestimmen ⇨ KSYS-Dialog

Typ ⇨ Ursprung, X-Punkt, Y-Punkt

⇨ Definition des KSYS gemäß der Abbildung durch Auswahl der Quadrantenpunkte am ZKG 18. Sensor Typ ⇨ Verschiebung

Komponente ⇨ Z

Referenzrahmen ⇨ Relativ

Messung ⇨ Markierung (A001) Relativ ⇨ Markierung (A002)

Die Auswahl der Markierungen kann im Bewegungsnavigator erfolgen. Der Sensor misst nun die Bewegung der Markierung A001 relativ zur Markierung A002 in Richtung Z-Achse. 19. Sensor Typ ⇨ Kraft

Komponente ⇨ FY

Referenzrahmen ⇨ Benutzerdef.

Messung ⇨ Zylindrisches Gelenk (Kolben, ZKG) Referenz ⇨ Markierung (A001)

Dieser Sensor zeichnet die Kraft auf das Gelenk zwischen Kolben und ZKG in der Y-Richtung auf. Die Richtungsreferenz bildet dabei die Markierung A001. Da die Richtung identisch zum absoluten Koordinatensystem ist, kann alternativ auch der Referenzrahmen absolut gewählt werden.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

173

In der NX-Version Continuous Release 1872 ist die Ermittlung von Kräften über Sensoren und das Aktivieren von Reibung nicht möglich und führt zu einem Fehler. Bei neueren NX-Versionen (ab 1899) tritt dieser Fehler nicht mehr auf. Daher ist je nach verwendeter Version zum Berechnen der Lösung das Deaktivieren der Reibung des Gelenks zwischen Kolben und ZKG notwendig. Durch Deaktivieren der Reibung sind die entstehenden Kräfte ca. 2,3 - 2,4 mal höher als mit Reibung. Alternativ zum Deaktivieren der Reibung kann auch der Sensor 002 deaktiviert werden und die Kraft FY direkt aus dem Gelenk zwischen Kolben und ZKG ausgelesen werden. 20. Reibung deaktivieren ⇨ Doppelklick auf das Gelenk zwischen Kolben und ZKG ⇨ Register Reibung ⇨ Reibung deaktivieren 21. Speichern

III. Solving 1. Anpassen der Zeitschritte Da im Folgenden auch die auftretenden Kräfte analysiert werden sollen, wird zunächst die Anzahl der Zeitschritte angepasst, um den Kraftverlauf feiner aufzulösen. ⇨ Doppelklick auf Solution001 im Bewegungsnavigator Schritttypdefinition ⇨ Anzahl Schritte Anzahl Schritte ⇨ 10000

Die Definition der Zeitschritte ist über die Schrittgröße oder direkt über die Anzahl der Zeitschritte möglich. Die notwendige Anzahl der Zeitschritte hängt von der Art der benötigten Ergebnisse sowie vom gewählten Solver ab. Soll nur ein Video erzeugt oder ein Bewegungsverlauf veranschaulicht werden, so werden in der Regel nicht sehr viele Zeitschritte benötigt (z. B. 1000). Zur Analyse von Kräften ist oft eine feinere Auflösung notwendig, insbesondere wenn sich der Kraftverlauf über die Zeit sehr schnell ändert. In diesem Fall kann es auch sinnvoll sein, die Anzahl der Zeitschritte zu variieren und zu untersuchen, wann die Kräfte gegen einen Wert konvergieren.

174

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS 2. Berechnen Das Berechnungsmodell ist vollständig erstellt und kann berechnet werden. Nach jeder Änderung des Modells, z. B. durch die Veränderung eines Reibwertes oder durch das Hinzufügen eines neuen Sensors, muss die Berechnung erneut durchgeführt werden.

IV. Postprocessing Im Postprocessing steht eine Vielzahl von Funktionen für die Ergebnisanalyse bereit. Neben der Wiedergabe und dem Export eines Videos können auch die Bewegungs- und Kraftinformationen der Sensoren, Marker und Gelenke in Diagrammen dargestellt werden.

Animation der Bewegung 1. Animation ⇨ Register Analyse ⇨ Animation

Bei der Animation kann im Schiebermodus zwischen der Zeit in Sekunden und der Anzahl der Zeitschritte gewählt werden. Im unteren Bereich stehen weitere Funktionen für das Postprocessing zur Verfügung. 2. Wiedergeben Neben der Wiedergabe über den Animationsdialog können die Ergebnisse auch über die Funktionen im Register Ergebnisse wiedergegeben werden. ⇨ Register Ergebnisse ⇨ Wiedergeben Durch Anpassung der Animationssamplingrate kann die Animationsgeschwindigkeit verändert werden, was bei vielen Zeitschritten hilfreich ist. 3. Animation verschieben (Move) Über den Schieberegler ist es auch möglich, jeden Zeitschritt einzeln zu betrachten. 4. Animation beenden (Finish) Um aus der Ergebniswiedergabe in die Modellbearbeitung zurückzukehren, muss die Animation beendet werden.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

175

Exportieren eines Videos 5. In Film exportieren (Export to Movie) Die erzeugte Animation lässt sich schnell in das AVI-Videoformat exportieren. Aufgrund der besseren Videoqualität wird diese Funktion empfohlen. ⇨ Register Ergebnisse ⇨ In Film exportieren 6. Exportieren (Export)

Weitere Video-Dateiformate sind beim Exportieren verfügbar. Hierzu muss die Animation beendet sein. ⇨ RMT auf bg_Motor_motion_1 im Bewegungsnavigator ⇨ Exportieren

Ergebnisdarstellung in Diagrammen Bewegungs- und Kraftverläufe können auch in Diagrammform dargestellt und als Tabellen exportiert werden. 7. XY-Graphenerstellung ⇨ RMT auf XY-Graphenerstellung

⇨ XY-Ergebnisse (XY Results) Alternativ:

⇨ Register Analyse

⇨ Dropdown-Menü Animation ⇨ XY-Ergebnisse (XY Results)

Im Bewegungsnavigator wird somit die XY-Ergebnisansicht eingeblendet.

Eines der gewünschten Ergebnisse in diesem Beispiel ist die axiale Position des Kolbens, welche mit dem Sensor Se001 ermittelt wird. ⇨ Auswahl des Sensors Se001 im Bewegungsnavigator

Der Sensor wird dadurch in der XYErgebnisansicht angezeigt. ⇨ RMT auf Z ⇨ Plotten (Plot)

Alternativ:

⇨ Doppelklick auf Z

176

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS Nach der Auswahl des Plots muss noch das Darstellungsfeld (Viewport) festgelegt werden. ⇨ Anklicken des Grafikbereichs

Das Diagramm wird nun im Grafikbereich angezeigt. Über einen Doppelklick können die Elemente des Diagramms bearbeitet werden. 8. Nur nach X zoomen (Zoom by X Only) ⇨ Register Ergebnisse ⇨ Nur nach X zoomen ⇨ Auswahl des Bereichs von 0 - 2 s

Somit kann das Diagramm detaillierter betrachtet werden. 9. Animation verschieben (Move)

Auch in dem Diagramm kann jeder Zeitschritt einzeln angezeigt werden.

Ist die dargestellte Kurve in einigen Bereichen eckig und nicht stetig, liegen für diesen Bereich nicht genug Ergebnisdaten vor. Zur Erhöhung der Ergebnisqualität sollte in diesem Fall die Anzahl der Zeitschritte erhöht werden (s. Abschnitt III). 10. Graphobjekt erstellen (Create Graph Object) ⇨ RMT auf Z in der XY-Ergebnisansicht ⇨ Graphobjekt erstellen (Sensor S001 muss ausgewählt sein) Der erstellte Graph wird somit in den Ergebnissen im Bewegungsnavigator gespeichert und kann jederzeit mit einem Doppelklick aufgerufen werden.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

177

11. XY-Graphenerstellung Die Kolbenseitenkraft wird durch den zweiten Sensor Se002 ermittelt. Zur Analyse der Kolbenseitenkraft wird ein weiteres Diagramm erstellt. Dazu kann Schritt 7 selbstständig mit dem Sensor Se002 wiederholt werden. Alternativ kann die Kraft FY in der XY-Ergebnisansicht auch direkt aus dem Gelenk zwischen Kolben und ZKG ausgelesen werden. 12. Nur nach Y zoomen (Zoom by Y Only) Somit wird nur die Y-Achse des Diagramms vergrößert.

Über eine Verfeinerung der Zeitschritte kann ermittelt werden, wann die berechneten Kräfte gegen einen Wert konvergieren (s. Abschnitt III). 13. Graphobjekt erstellen ⇨ RMT auf FY ⇨ Graphobjekt erstellen

Der Graph ist somit ebenfalls dauerhaft in den Ergebnissen im Bewegungsnavigator gespeichert. 14. Für Tabellenkalkulation plotten Die Diagrammdaten können separat gespeichert oder direkt in MS Excel geöffnet werden. ⇨ RMT auf das Diagramm Se002

⇨ Für Tabellenkalkulation plotten (Plot to Spreadsheet)

178

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS

Mehrere Ansichten Bei der Ergebnisanalyse können auch verschiedene Ansichten verwendet werden. Somit lässt sich z. B. die Diagrammdarstellung mit der Animation kombinieren. Per Doppelklick auf das jeweilige Diagramm kann dieses dann einer Ansicht zugeordnet werden. 15. Vier Ansichten (Four Views) ⇨ Register Ergebnisse ⇨ Vier Ansichten

16. Einzelne Ansicht (Single View) Für die weitere Arbeit wird wieder in die einzelne Ansicht gewechselt. 17. Zurückkehren zur Animation Durch Aktivieren der Checkbox vor Default Animation wird die Animation erneut aktiviert und zur 3D-Ansicht zurückgekehrt. Werden beim Aktivieren der Animation mehrere Ansichten angezeigt, muss zunächst eine Ansicht für die Darstellung ausgewählt werden. 18. Animation beenden Die Animation wird für die weitere Arbeit an dem Modell beendet.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

179

Prüfen von Kollisionen und Durchdringungen Zur Überprüfung von einem Mechanismus können auch Durchdringungen von Bauteilen angezeigt werden. 19. Durchdringung (Interference) Hierbei werden bestimmte Körper ausgewählt, zwischen denen die Durchdringungen untersucht werden sollen. ⇨ Register Analyse ⇨ Durchdringung

⇨ Auswahl von ZKG und Pleuel

Durch die Option Ereignisbedingter Halt wird die Animation später bei einer Durchdringung der Komponenten angehalten. Die Analyse der Durchdringungen wird im Bewegungsnavigator gespeichert und anschließend über den Animationsdialog aufgerufen. 20. Animation Die Option Durchdringung ist nun im Animationsdialog verfügbar. ⇨ Durchdringung aktivieren

⇨ Ereignisbedingter Halt aktivieren

Nach dem Starten der Wiedergabe wird in jedem Zeitschritt die Durchdringung der Komponenten überprüft. Beim Auftreten einer Durchdringung stoppt die Wiedergabe. In diesem Beispiel kommt es zu keiner Durchdringung. Nach der Analyse kann die Durchdringung in der Animation wieder deaktiviert werden.

180

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS

Bauraum von bewegten Bauteilen Weiterhin ist es möglich, den benötigten Bauraum eines sich bewegenden Bauteils vollständig zu erfassen und als Körper zu speichern. Im folgenden Beispiel wird auf diese Weise eine sogenannte Pleuelgeige ermittelt, welche den Bauraum des bewegten Pleuels abbildet. Neben Körpern lassen sich hier auch andere Objekte des MKS-Modells auswählen, z. B. Flächen oder Markierungen. 21. Verfolgen (Trace) ⇨ Register Analyse ⇨ Verfolgen Objekt auswählen ⇨ Pleuel Ziel-Layer ⇨ 2

Die erstellte Analyse wird im Bewegungsnavigator gespeichert (Spuren).

Die Option Verfolgen (Trace) ist nun ebenfalls im Animationsdialog auswählbar. Bei Aktivierung der Option wird während der Animation für jeden Zeitschritt ein Volumenkörper erzeugt, welcher die aktuelle Position der gewählten Komponente abbildet. Für die Verfolgungsanalyse sollte die Anzahl der Zeitschritte reduziert werden (z. B. auf 1000) und die Berechnung erneut durchgeführt werden, um die Anzahl der erzeugten Körper zu reduzieren (s. Abschnitt III). Weiterhin ist es sinnvoll, die erzeugten Volumenkörper von vornherein auf einem freien Layer zu platzieren (Ziel-Layer). 22. Animation ⇨ Nachverfolgen und navigieren aktivieren ⇨ Wiedergabe starten

Mit der Wiedergabe werden alle Positionen des Pleuels als Volumenkörper auf dem gewählten Layer gespeichert.

Nach einer Umdrehung der Kurbelwelle kann die Animation wieder angehalten werden. Der benötigte Bauraum ist somit vollständig erfasst.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

181

Aktuelle Position gewählter Geometrie zeichnen Alternativ zur gesamten Animation kann auch die Position eines gewählten Objektes nur für den dargestellten Zeitschritt gespeichert werden. Eine Kopie des Objektes wird dann auf dem vorher definierten Layer gespeichert. 23. Wechsel in die Konstruktionsumgebung Strg+M

⇨ Datei ⇨ Konstruktion

Für jeden Zeitschritt der Animation wurde innerhalb der Baugruppe bg_Motor_motion1 jeweils ein separater Körper erzeugt. Die erzeugten Körper können über den Teile-Navigator bearbeitet oder in ein anderes Teil kopiert werden.

24. Ausblenden von Layer 2 25. Wechsel in die Motion-Umgebung ⇨ Datei ⇨ Motion 26. Animation

⇨ Nachverfolgen und navigieren deaktivieren

Nach dem Speichern der Körperpositionen sollte die Verfolgungsanalyse wieder deaktiviert werden, da sonst bei jeder weiteren Animation neue Körper erzeugt werden.

182

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS

Freikörperdiagramm anzeigen Eine einfache Möglichkeit für die Analyse der an den Gelenken auftretenden Kräfte ist das Freikörperdiagramm. Hierbei werden die Kräfte während der Animation durch Vektoren dargestellt. 27. Freikörperdiagramm anzeigen ⇨ RMT auf PLEUEL unter Animation

⇨ Freikörperdiagramm anzeigen (Display Free body Diagram)

Dadurch verändert sich das Symbol des Pleuels. 28. Animation Während der Animation werden die Kräfte jetzt durch Vektoren dargestellt. Zudem werden die skalaren Werte der Kräfte angezeigt. Über den Schieberegler können die einzelnen Zeitschritte detailliert betrachtet werden. Durch Ausblenden des ZKG sind die Vektoren besser erkennbar.

29. Freikörperdiagramm deaktivieren ⇨ RMT auf PLEUEL ⇨ Freikörperdiagramm anzeigen deaktivieren

Wird die Analyse der Kräfte im Freikörperdiagramm mit wenigen Zeitschritten (z. B. 1000) durchgeführt, ist gut zu erkennen, dass die exakten Zeitpunkte, in denen die maximalen Kräfte auftreten, nicht abgebildet werden. In diesen Zeitpunkten sollten die Vektoren exakt in Richtung der Z-Achse verlaufen, da in diesem Zustand die maximalen Kräfte auftreten. Daher muss die Anzahl der Zeitschritte wieder auf 10000 erhöht werden, um die Kräfte möglichst exakt abzubilden. Nach dem Ändern der Zeitschritte muss die Berechnung erneut durchgeführt werden (s. Abschnitt III).

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

V.

183

Übertragen der Lasten in eine FE-Simulation Neben der Vorhersage des Systemverhaltens werden durch die MKS-Simulation üblicherweise auch die Lasten auf Komponenten ermittelt und diese dann meist manuell auf FEM-Modelle zur Festigkeitssimulation übertragen. Um diesen Ablauf zu vereinfachen, bietet NX die Möglichkeit, die Lasten direkt aus einer Mehrkörpersimulation zu exportieren und in eine FE-Simulation zu importieren. Für das folgende Beispiel sind Grundkenntnisse der Pre/Post-Umgebung notwendig (s. Kapitel 6). Der Export der Lasten aus der MKS-Simulation, deren Import und die Durchführung der FE-Simulation können auch als Video abgerufen werden.

Exportieren der ermittelten Lasten Zur Übertragung in eine FE-Simulation können die Kräfte an folgenden Elementen exportiert werden: • Alle Gelenktypen • Federn • Dämpfer • Buchsen • Skalare Kräfte und skalare Drehmomente • Vektorkräfte und Vektordrehmomente Dabei können die Reaktionskräfte, Drehmomente, Trägheitskräfte und Beschleunigungen für jeden Zeitschritt exportiert werden. Die extrahierten Lasten werden in der Simulationsdatei und in einer Tabelle gespeichert. Weiterhin können die Daten in Diagrammen dargestellt und Zeitschritte von besonderem Interesse bestimmt werden. Die Lasten in der erzeugten Tabelle sind auf das globale Koordinatensystem bezogen. Die Lasten, welche in der Simulationsdatei gespeichert werden, sind auf das lokale Koordinatensystem der jeweiligen Komponente bezogen. Dieses Koordinatensystem bewegt sich mit jedem Zeitschritt. Die Lasten aus der Simulationsdatei werden später in der Pre/Post-Umgebung importiert.

184

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS Vor der Erstellung des Lasttransfers sollte sichergestellt werden, dass die Ergebnisse der Kräfte fein genug aufgelöst sind. Dies wird durch die Anzahl der Zeitschritte festgelegt (s. Abschnitt III). In diesem Beispiel werden wie bei der Analyse der Kräfte 10000 Zeitschritte benötigt. Wird die Anzahl der Zeitschritte verändert, muss die Lösung erneut berechnet werden. 1. Lasttransfer (Load Transfer) ⇨ Register Analyse ⇨ Lasttransfer

Bewegungskörper ⇨ Pleuel wählen

⇨ Neuer Graph aktivieren

Somit werden für die Lasten des Lasttransfers auch Diagramme erzeugt und unter XY-Graphenerstellung im Bewegungsnavigator gespeichert. ⇨ Wiedergeben

Beim Starten der Wiedergabe wird der Export erzeugt und eine ExcelTabelle geöffnet, in der die Kräfte und Momente der an dem gewählten Bewegungskörper liegenden Gelenke angezeigt werden. Nach dem Start der Wiedergabe kann der Lasttransfer einige Minuten in Anspruch nehmen. Im Anschluss wird aus der erzeugten Tabelle der Zeitschritt mit der größten Belastung ermittelt.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

185

2. Zeitschritt mit der maximalen Belastung identifizieren In der erzeugten Excel-Tabelle wird nun der Zeitschritt ausgewählt, welcher die größten Kräfte enthält. Die Spalten E und M beinhalten die absoluten Kräfte am unteren (J003) und am oberen (J004) Gelenk des Pleuels.

In diesem Beispiel wird der Zeitschritt 9919 ausgewählt. Die Kraft am unteren Gelenk beträgt hier 4168,639 N und am oberen Gelenk 2748,796 N. Da in diesem Beispiel die Reibung zwischen Kolben und ZKG deaktiviert wurde, sind die Kräfte ca. 2,3 - 2,4 mal höher als mit aktivierter Reibung (s. Seite 173). Die Kraft auf das untere Gelenk ist deutlich höher als die Kraft auf das obere Gelenk, da auf das untere Gelenk die Trägheitskräfte des Pleuels, des Kolbenbolzens und des Kolbens wirken. Auf das obere Gelenk wirken nur die Trägheitskräfte des Kolbenbolzens und des Kolbens. Die Ergebnisse sind also zunächst plausibel. ⇨ Markieren der Zeile des gewünschten Zeitschritts in Excel

Die Excel-Tabelle wird noch nicht beendet.

Um den Zeitschritt mit der maximalen Belastung zu finden, ist es oft nützlich, die Excel-Tabelle nach den relevanten Werten zu sortieren.

186

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS 3. Verschieben an Zellenposition Mit diesem Befehl wird der in der Excel-Tabelle gewählte Zeitschritt (gewählte Zeile oder Zelle) im Grafikbereich angezeigt und dessen Bezeichnung eingefügt. Alternativ kann die Nummer des Zeitschritts auch manuell eingegeben werden. Aktueller Schritt ⇨ 9919

4. Aktuellen Zeitstempel hinzufügen Somit wird der Zeitschritt zur Liste der wichtigen Zeitschritte hinzugefügt. Hier wird auch der Zeitpunkt des Zeitschrittes angezeigt. Der Zeitschritt liegt bei 4.959500 Sekunden.

Obwohl ein wichtiger Zeitschritt ausgewählt ist, werden zusätzlich die Lasten aller Zeitschritte exportiert. Beim Import werden die wichtigen Zeitschritte in den Informationen der jeweiligen Last notiert. Dies dient lediglich als Hilfe für das „Wiederfinden“ des richtigen Zeitschritts. ⇨ Excel beenden

⇨ Dialog mit OK bestätigen

Nach dem Bestätigen des Dialogs wird der Lasttransfer im Bewegungsnavigator angezeigt.

5. In Tabellenkalkulation exportieren (Export to Spreadsheet) Über diesen Befehl kann die Excel-Tabelle des Lasttransfers jederzeit wieder aufgerufen werden. 6. Datei speichern

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

187

7. Schnelllasttransfer (Quick Load Transfer) Alternativ zur beschriebenen Vorgehensweise kann über RMT auf eine Komponente in der Animation auch ein Schnelllasttransfer erzeugt werden. Hierbei werden stets alle Zeitschritte exportiert. 8. Master in Fenster öffnen (Open Master in Window) ⇨ RMT auf bg_Motor

⇨ Master in Fenster öffnen

Somit wird die Baugruppe bg_Motor in einem neuen Fenster geöffnet. Alternativ: ⇨ Doppelklick auf bg_Motor

Importieren der Lasten in die FE-Simulation Die FE-Simulation des Pleuels wird aus der Baugruppe aufgerufen, damit sich das Pleuel in der Position der Baugruppe befindet und die importierten Lasten an den richtigen Stellen angreifen und die richtige Orientierung besitzen. 9. Wechsel in die Pre/Post-Umgebung ⇨ Datei ⇨ Pre/Post

10. Neue FEM und Simulation ⇨ RMT auf bg_Motor.prt

⇨ Neue FEM und Simulation ⇨ Idealisiertes Teil erzeugen deaktivieren

Zu verwendende Körper ⇨ Auswählen ⇨ Pleuel auswählen

Der nächste Dialog wird mit den Standardeinstellungen bestätigt. In der FE-Simulation wird zwar die Baugruppe bg_Motor als Master-Modell verwendet. Durch die manuelle Auswahl des Pleuels wird hierbei aber nur das Pleuel als Körper für die Simulation genutzt.

188

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS 11. Wechsel in die Simulation ⇨ Doppelklick auf bg_Motor_sim1.sim im Simulationsnavigator 12. Alle Speichern

Vor dem Import der Kinematiklasten sollten die Simulationsdatei und alle weiteren Dateien gespeichert werden. 13. Kinematiklasten importieren (Import Motion Loads) ⇨ RMT auf bg_Motor_sim1.sim

⇨ Kinematiklasten importieren

⇨ MKS-Simulationsdatei auswählen (bg_Motor_motion1.sim)

⇨ Kinematiklast auswählen (PLEUEL - Solution001) ⇨ OK

Die MKS-Simulationsdatei sollte, sofern nicht anders festgelegt, im gleichen Ordner wie die Baugruppendatei gespeichert sein. Durch den Import werden im FE-Modell Punkte an den Positionen der Gelenkbasispunkte erzeugt. Diese dienen zum Eintrag der importierten Lasten. Die importierten Lasten sind im Lastencontainer sichtbar.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

189

Weiteres Preprocessing 14. Wechsel in die FEM-Datei ⇨ Doppelklick auf bg_Motor_fem1.fem 15. 3D-Tetraeder (3D Tetrahedral) Typ ⇨ CTETRA(10)

Elementgröße ⇨ 2

16. Physikalische Eigenschaften ⇨ PSOLID1

⇨ Bearbeiten

Material ⇨ Übernommen

Die Materialinformationen werden somit aus dem CAD-Modell des Pleuels übernommen und müssen nicht erneut definiert werden. Wird das Material manuell definiert, muss darauf geachtet werden, dass das Material identisch zu dem Material der Komponente in der MKS ist. 17. 1D-Verbindung Typ ⇨ Punkt zu Fläche

Punkt ⇨ oberer importierter Punkt

Fläche ⇨ Fläche der oberen Bohrung Verbindungselement Typ ⇨ RBE2

18. 1D-Verbindung

Typ ⇨ Punkt zu Fläche

Punkt ⇨ unterer importierter Punkt

Fläche ⇨ Fläche der unteren Bohrung

Verbindungselement Typ ⇨ RBE2

Durch die 1D-Verbindungen werden die importierten Punkte, an denen die Lasten angreifen, mit dem FE-Netz des Pleuels verbunden. 19. Wechsel in die Simulation ⇨ Doppelklick auf bg_Motor_sim1.sim

190

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS

Zeitschritt auswählen 20. Zeitpunkte wichtiger Zeitschritte ermitteln Der markierte Zeitschritt muss später anhand seiner Zeit eingegeben werden. Ist diese nicht oder nicht mehr bekannt, muss sie erst ermittelt werden. ⇨ RMT auf Force(1) im Simulationsnavigator ⇨ Informationen

In dem Fenster werden der Zeitindex (Zeitschritt) und die Zeit der vorher ausgewählten wichtigen Zeitschritte des Imports angezeigt. Die in dem Informationsfenster unten aufgeführten Kräfte stellen die Kräfte des ersten Zeitschritts dar, nicht die des markierten Zeitschritts. 21. Identifizierung des Zeitschritts ohne Kenntnis der Excel-Tabelle Steht keine Excel-Tabelle zur Verfügung und wurde kein Zeitschritt markiert, kann zur Auswahl eines Zeitschrittes auch wie folgt vorgegangen werden: ⇨ RMT auf Force(1) ⇨ Bearbeiten ⇨ Komponenten ⇨ Bearbeiten

Anzahl der Zeilen pro Seite ⇨ 10000

In diesem Fenster werden die Zeitschritte des Imports mit den dazugehörigen Zeiten und Lasten aufgeführt. Dabei fällt auf, dass diesmal die Zeile 9920 die bereits ermittelten maximalen Kräfte beinhaltet. Dies liegt daran, dass die Excel-Tabelle mit der ZeilenID 0 beginnt und diese Tabelle mit der Zeilen-ID 1.

Zeitschritt 9920 ist bei ca. 4.9595 Sekunden. ⇨ Der Dialog kann anschließend wieder abgebrochen werden.

7.2 Simulation eines Kurbeltriebs

191

22. Zu berechnenden Zeitpunkt festlegen ⇨ RMT auf Subcase - Static Loads 1 ⇨ Bearbeiten

⇨ Steuervariablen für Randbedingung

Auswertungszeit ⇨ 4.9595

Diese Zeit entspricht dem Zeitschritt 9919 bzw. 9920. Werden nun die Informationen einer Kraft erneut aufgerufen, werden in dem Informationsfenster die Kräfte für die eingestellte Auswertungszeit bzw. für den Zeitschritt angezeigt.

⇨ RMT auf Force(1) im Simulationsnavigator ⇨ Informationen

Wird keine Auswertungszeit angegeben, verwendet der Solver die Lasten zum Zeitpunkt 0, also im ersten Zeitschritt. Sollen mehrere Zeitschritte ausgewertet werden, müssen mehrere Subcases erstellt und in jedem Subcase eine andere Auswertungszeit definiert werden. 23. Trägheitsausgleich aktivieren (Inertia Relief) ⇨ RMT auf Solution 1 ⇨ Bearbeiten ⇨ Bulk-Data

⇨ Trägheitsausgleich (INREL) aktivieren

Durch die Aktivierung des Trägheitsausgleichs werden geringe Ungleichgewichte in den Kräften herausgerechnet, welche Starrkörperbewegungen verursachen können. Somit können auch statisch unbestimmte Systeme berechnet werden, ohne dass Fehler aufgrund von Starrkörperbewegungen auftreten. Wird der Trägheitsausgleich verwendet, sollte der iterative Element Solver nicht aktiviert sein, was standardmäßig bereits gegeben ist.

192

7 Konstruktionsbegleitende Simulation - MKS

Solving 24. Berechnen Arbeitsspeicher und CPU können je nach der zur Verfügung stehenden Hardware selbstständig eingestellt werden.

Postprocessing 25. Navigator für die Nachbearbeitung ⇨ Doppelklick auf Structural

⇨ Spannung - Element-Knoten

Die weitere Analyse der Ergebnisse kann selbstständig erfolgen.

7.3 Kontrollfragen 1. Aus welchen Schritten besteht eine Mehrkörpersimulation in NX? 2. Welche Gelenke gibt es in der Motion-Umgebung? 3. Wie werden Gelenke in der Motion-Umgebung editiert? 4. Was sind Sensoren? 5. Welchen Einfluss hat die Anzahl der Zeitschritte auf das Simulationsergebnis? 6. Wie werden die Simulationsergebnisse in einem Diagramm dargestellt? 7. Wie werden Lasten aus einer Mehrkörpersimulation exportiert und in eine FE-Simulation importiert?

8

Optimierung Die Optimierung spielt bei der Produktentwicklung eine immer wichtiger werdende Rolle. Dabei wird der iterative Entwicklungsprozess zum Teil automatisiert und durch einen Optimierungsalgorithmus gesteuert. Das Ziel ist es, die für die jeweilige Problemstellung unter Berücksichtigung von Zwangsbedingungen optimalen Parameterwerte zu ermitteln. In NX können Optimierungen in den Umgebungen Konstruktion und Pre/Post genutzt werden. Beide Anwendungen werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

8.1 Optimierung einer Getränkedose in der Konstruktion Das folgende Beispiel stellt eine vereinfachte Getränkedose dar, deren Höhe und Durchmesser noch festzulegen sind. Ziel dieser Optimierung ist die Minimierung des Oberflächeninhalts, um somit Blech bei der Fertigung einzusparen. Dabei soll die Dose jedoch mindestens ein Volumen von 330 ml besitzen. Vorgehensweise: I. Erstellen des parametrischen CAD-Modells II. Durchführen einer Empfindlichkeitsstudie III. Durchführen der Optimierung IV. Vergleich verschiedener Optimierungsalgorithmen

Die Optimierung der Getränkedose in der Konstruktion ist vollständig als Video verfügbar.

I.

Erstellen des parametrischen CAD-Modells Zunächst wird ein vereinfachtes parametrisches CAD-Modell der Dose erstellt. 1. Neue Datei (Modell) Dateiname ⇨ Dose

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0_8

193

194

8 Optimierung 2. Ausdrücke ⇨ Erzeugen der folgenden Ausdrücke: Name

Formel

Einheiten

Dimensionalität

Typ

D H

50 100

mm mm

Länge Länge

Anzahl Anzahl

3. Zylinder Durchmesser ⇨ D Höhe ⇨ H

4. Fase

Querschnitt ⇨ Offset und Winkel Abstand ⇨ 10

Winkel ⇨ 30

5. Kantenverrundung Radius 1 ⇨ 10

6. Datei speichern

II.

Durchführen einer Empfindlichkeitsstudie Bei einer Empfindlichkeitsstudie (Sensitivity Study) werden die ausgewählten Parameter innerhalb der vorgegebenen Grenzen und Schrittweiten variiert und somit alle möglichen Wertekombinationen überprüft. Diese Form der Analyse wird auch als vollfaktorieller Versuchsplan bezeichnet und zählt zu den Methoden der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE). Die zu variierenden bzw. die zu optimierenden Parameter werden auch als Designvariablen bezeichnet. Eine Empfindlichkeitsstudie kann eingesetzt werden, um den Raum, welcher durch die Designvariablen und ihre Wertebereiche definiert wird, zu untersuchen. Somit kann der Einfluss einzelner Designvariablen analysiert werden. Dieses Vorgehen wird auch als Sensitivitätsanalyse bezeichnet. Weiterhin kann das Modell mit einer Empfindlichkeitsstudie auf seine Robustheit überprüft werden oder es kann eine Toleranzanalyse durchgeführt werden. Insbesondere wenn auch eine Optimierung durchgeführt werden soll, ist es sinnvoll, das parametrische Modell vorher auf seine Robustheit zu testen. Dabei wird überprüft, ob durch das Modell auch alle notwendigen Wertekombinationen abgebildet werden können.

8.1 Optimierung einer Getränkedose in der Konstruktion

195

Folgende Wertebereiche werden bei dieser Empfindlichkeitsstudie untersucht: Parameter Untergrenze Obergrenze D H

40 60

80 150

1. Empfindlichkeitsstudie (Sensitivity Study) ⇨ Register Werkzeuge ⇨ Weitere ⇨ Empfindlichkeitsstudie Studienname ⇨ Studie1

2. Designvariablen

Hier können Ausdrücke, KnowledgeFusion-Attribute oder Geometrieparameter gewählt werden. Designvariable ⇨ Ausdrücke

⇨ Designvariable festlegen ⇨ D=50 auswählen

Verteilungstyp ⇨ Einheitlich

Untere Begrenzung ⇨ 40 Obere Begrenzung ⇨ 80

⇨ Designvariable festlegen ⇨ H=100 auswählen

Verteilungstyp ⇨ Einheitlich

Untere Begrenzung ⇨ 60

Obere Begrenzung ⇨ 150

Die Wertezahl gibt die Anzahl der Werte an, welche in dem definierten Wertebereich geprüft werden. Der Wertebereich wird durch die Begrenzungen definiert. Über den Verteilungstyp kann festgelegt werden, wie die Werte zwischen den Grenzen verteilt sein sollen. Durch die Verwendung einer Normalverteilung lassen sich somit auch Toleranzanalysen durchführen.

196

8 Optimierung 3. Kontrollwerte Kontrollwert ⇨ Geometrieparameter ⇨ Kontrollwert festlegen

Typenfilter ⇨ Volumenkörper ⇨ Körper auswählen

⇨ Surface_Area=18051.98 wählen ⇨ Kontrollwert festlegen ⇨ Körper auswählen

⇨ Volume=187787.56 wählen

Die Kontrollwerte stellen die Ergebnisse der Empfindlichkeitsstudie dar. Hierbei können zusätzlich auch Grenzwerte für Warnungen und Fehlermeldungen festgelegt werden. 4. Anzeigeeinstellungen ⇨ Anzeige aktualisieren aktivieren

Die Parametervariationen werden somit im Grafikbereich angezeigt.

⇨ Graph der Empfindlichkeitsstudie anzeigen aktivieren

Somit werden die Ergebnisse im Anschluss als Excel-Tabelle geöffnet.

5. Empfindlichkeitsstudie ausführen Alle Wertekombinationen können durch das Modell abgebildet werden. Das Modell ist also robust und kann im nächsten Schritt optimiert werden.

8.1 Optimierung einer Getränkedose in der Konstruktion Die Ergebnisse der Empfindlichkeitsstudie werden in Excel in verschiedenen Tabellen und Diagrammen dargestellt.

min-avg-max-2 800000 700000 600000 Volume_obj

Im Diagramm für die Abhängigkeit des Volumens vom Durchmesser D ist zu erkennen, dass mit größer werdendem Durchmesser das Volumen exponentiell größer wird.

197

Minimum

500000

Maximum Average

400000

Warning Lower Limit

300000

Warning Upper Limit

200000

Failure Lower Limit Failure Upper Limit

100000 0 40

50

60 D_dv

70

80

Der Graph Maximum beinhaltet alle Ergebniswerte, bei denen der Wert der anderen Designvariablen maximal ist. Im Graph Minimum werden die Ergebniswerte dargestellt, bei denen die anderen Designvariablen minimal sind. Weiterhin werden auch die vorher eingestellten Grenzen für Warnungen und Fehlermeldungen abgebildet. 6. Speichern unter Die geöffnete Excel-Tabelle muss separat gespeichert werden, damit die Ergebnisse inklusive der Diagramme weiterhin in diesem Dateiformat vorliegen. 7. Ergebnisse Neben der Excel-Tabelle werden die überprüften Wertekombinationen und deren Ergebnisse auch im Register Ergebnisse gespeichert. Über RMT auf den Tabellenkopf können die angezeigten Tabellendaten exportiert werden. Empfindlichkeitsstudien und Optimierungen werden immer in der prt-Datei des Modells gespeichert und können somit jederzeit wieder aufgerufen werden.

III. Durchführen der Optimierung Der Ablauf einer Optimierung (Optimization) ist in NX ähnlich zur Empfindlichkeitsstudie. Hierbei wird der Lösungsraum jedoch gezielt hinsichtlich des Optimierungsziels durchsucht. Dabei werden definierte Zwangsbedingungen berücksichtigt. Für die Optimierung der Getränkedose werden die gleichen Wertebereiche wie in der Empfindlichkeitsstudie verwendet.

198

8 Optimierung 1. Ausdrücke ⇨ Ändern der folgenden Ausdrücke:

D ⇨ 50

H ⇨ 100

Nach der Empfindlichkeitsstudie müssen die Werte wieder auf die ursprünglichen Werte geändert werden. Diese bilden den Startpunkt der Optimierung. 2. Messen (Measure) ⇨ Register Analyse ⇨ Messen

Typenfilter ⇨ Volumenkörper ⇨ Körper auswählen ⇨ Körper aktivieren

⇨ Assoziativ aktivieren

Durch die Aktivierung der Assoziativität werden alle gemessenen Werte des Volumenkörpers als Parameter gespeichert und die Messung wird in der Modellhistorie im Teile-Navigator abgelegt. Der Parameter für das gemessene Volumen wird bei der folgenden Optimierung als Zwangsbedingung verwendet. Die durch das Messen erstellten Parameter sind notwendig, da die Optimierung nur mit der Verwendung eines Parameters als Zwangsbedingung stabil durchgeführt wird und nur auf diesem Weg korrekte Ergebnisse erzielt werden. Generell ist die Verwendung von gemessenen Parametern als Alternative für Geometrieparameter (s. Seite 196) immer möglich.

8.1 Optimierung einer Getränkedose in der Konstruktion 3. Optimierung (Optimization) ⇨ Register Werkzeuge ⇨ Weitere ⇨ Optimierung Studienname ⇨ Opt1

4. Ziele

Optimierungstyp ⇨ Minimum Ziel ⇨ Geometrie

⇨ Ziel festlegen

Typenfilter ⇨ Volumenkörper ⇨ Körper auswählen

⇨ Surface_Area=18051.98 wählen

5. Variablen Variabel ⇨ Ausdrücke ⇨ Variable festlegen ⇨ D=50 auswählen

Untere Begrenzung ⇨ 40

Obere Begrenzung ⇨ 80

⇨ Variable festlegen

⇨ H=100 auswählen

Untere Begrenzung ⇨ 60

Obere Begrenzung ⇨ 150

199

200

8 Optimierung 6. Zwangsbedingungen Zwangsbedingung ⇨ Ausdrücke ⇨ Zwangsbedingung angeben

Zwangsbedingungstyp ⇨ Untere Begrenzung ⇨ p...=body_property... .volume auswählen

Begrenzungswert ⇨ 330000 7. Algorithmus

Algorithmustyp ⇨ Globales Simplex Die Konvergenz-Einzelheiten werden auf den Standardwerten belassen.

Die Konvergenz-Drehzahl gibt an, wie oft das Modell während der Optimierung im Grafikbereich aktualisiert wird und hat keinen Einfluss auf das Ergebnis. 8. Einstellungen ⇨ Mit aktualisierter Anzeige optimieren

Die Parametervariationen werden somit im Grafikbereich angezeigt. ⇨ Optimierungsgraph anzeigen

Somit werden die Ergebnisse im Anschluss als Excel-Tabelle geöffnet. 9. Optimierung ausführen Die Durchführung der Optimierung dauert ca. 4-5 Minuten. 10. Ergebnisse Analog zur Empfindlichkeitsstudie werden die Ergebnisse der Optimierung im Register Ergebnisse aufgelistet. Dabei stellt jede Zeile der Tabelle eine Iteration der Optimierung dar.

8.1 Optimierung einer Getränkedose in der Konstruktion Zudem erfolgt die Ergebnisdarstellung in einer Excel-Tabelle.

201

Surface_Area_obj1 27500

Der Verlauf des Zielfunktionswertes (_obj) sowie der Variablen und Zwangsbedingungen (_cons) wird in verschiedenen Diagrammen dargestellt.

27000

Die weitere Analyse der Ergebnisse in Excel kann selbstständig erfolgen.

25000

26500 26000

Datenreihen1

25500

24500 0

50

100

150

200

250

300

11. Speichern unter Auch hier sollte die geöffnete Excel-Tabelle separat gespeichert werden, damit die Ergebnisse und die Diagramme weiterhin in diesem Dateiformat vorliegen. In der folgenden Tabelle werden das Ausgangsmodell und das optimierte Modell noch einmal gegenübergestellt: Zustand Ausgangsmodell Optimiertes Modell

D

H

Flächeninhalt

Volumen

50 73.43

100 80.95

18051.98 24925.3

187787.56 330000

Da der ausgewählte Optimierungsalgorithmus einen stochastischen Anteil beinhaltet, können die Ergebnisse der Optimierung leicht abweichen. Die Wahl des Optimierungsalgorithmus ist zudem entscheidend für die Ergebnisqualität und die Anzahl der benötigten Iterationen zum Erreichen des Optimums. Für rein geometrische Probleme, bei denen die Auswertezeit in der Regel sehr kurz ist, liefert der Algorithmus Globales Simplex sehr gute Ergebnisse, da hier die große Anzahl an Iterationen vernachlässigt werden kann. Im folgenden Abschnitt werden die in NX zur Verfügung stehenden Optimierungsalgorithmen miteinander verglichen. Für weitere Informationen wird auf einschlägige Literatur zu dieser Thematik verwiesen.

202

8 Optimierung

IV. Vergleich verschiedener Optimierungsalgorithmen Im Folgenden werden die in NX zur Verfügung stehenden Optimierungsalgorithmen miteinander verglichen. Um jeweils die gleiche Ausgangssituation vorauszusetzen, müssen die Parameter D und H nach jedem Optimierungsdurchlauf wieder auf ihre Ausgangswerte zurückgesetzt werden. Die Konvergenzkriterien bleiben bei der Untersuchung unverändert. 1. Algorithmustyp Algorithmustyp ⇨ Simuliertes Glühen

2. Optimierung ausführen

3. Zurücksetzen der Ausdrücke D ⇨ 50

H ⇨ 100

Die weiteren Optimierungsdurchläufe können selbstständig durchgeführt werden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt: Algorithmus

D

H

Flächeninhalt

Volumen

Iterationen

72.80

82.65

25024.4

331299

174

73.43

80.95

24925.3

330000

285

64.22

105.41

25778.7

330349

29

71.85

84.51

25003.8

330020

87

Lexikographisch

78.27

71.46

24837.3

330000

151

Pattern Swarm

75.59

76.49

24859.5

330001

134

Simuliertes Glühen Globales Simplex Powell Gradient Konjugieren

Dabei wurden mit jedem Algorithmus 10 Optimierungsläufe durchgeführt und das jeweils beste Ergebnis ausgewählt. Es ist zu erkennen, dass sich die Ergebnisqualität generell mit der Anzahl der Iterationen verbessert. Simuliertes Glühen und Globales Simplex liefern hier gute Ergebnisse. Diese beiden repräsentieren globale Optimierungsalgorithmen. Powell und Gradient Konjugieren sind Suchrichtungsverfahren und zählen zu den lokalen deterministischen Optimierungsalgorithmen. Die Algorithmen Lexikographisch und Pattern Swarm liefern ebenfalls gute Ergebnisse, streuen jedoch auch stärker, wie im Folgenden untersucht wird.

Die blaue Fläche stellt die Volumenabhängigkeit dar, wobei die rote Fläche die Zwangsbedingung repräsentiert. Alle Volumenwerte oberhalb der roten Fläche sind zulässig. Die türkisfarbene Fläche zeigt die Abhängigkeit des Flächeninhalts.

800000

203 330000

600000 400000

Powell Simuliertes Glühen Gradient Konjugieren Globales Simplex Pattern Swarm Lexikographisch

200000 0

Flächeninhalt [mm²]

Bei der Darstellung der gefundenen Optima im Lösungsraum ist zu erkennen, dass sie zwar an der Grenze zur Zwangsbedingung liegen, bzgl. des Flächeninhalts aber unterschiedliche Werte liefern.

Volumen [mm³]

8.1 Optimierung einer Getränkedose in der Konstruktion

40 45 50 55 60 65 70 75 D

60

80

100

120

140

H

50000 40000 Powell

30000

Simuliertes Glühen Gradient Konjugieren Pattern Swarm Globales Simplex Lexikographisch

20000 10000 0

40 45 50 55 60 65 70 75 D

60

80

100

120

140

H

Zur Beurteilung der Ergebnisqualität von Optimierungsalgorithmen sollte neben der Anzahl der Iterationen auch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse betrachtet werden. Die folgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse aus jeweils 10 Optimierungsläufen mit jedem Algorithmus. 28500

Flächeninhalt [mm²]

28000

Simuliertes Glühen

27500

Powell

27000

Gradient Konjugieren

26500

Lexikographisch

26000

Pattern Swarm

25500

Globales Simplex

25000 24500 328000

330000

332000

334000

336000

338000

340000

Volumen [mm³]

Dabei ist zu erkennen, dass die Ergebnisse bei der Minimierung des Flächeninhaltes bei fast allen Algorithmen sehr stark schwanken. Zudem unterliegt auch die Annäherung an die Zwangsbedingungen beim Simulierten Glühen einer starken Streuung. Lediglich der Algorithmus Globales Simplex liefert in allen Optimierungsläufen das gleiche Ergebnis bei einer konstanten Anzahl an Iterationen, welche jedoch sehr hoch ist. Bei den anderen Algorithmen streut auch die Anzahl der Iterationen mitunter stark (s. folgende Abbildung).

204

8 Optimierung 350

Anzahl der Iterationen

300

Simuliertes Glühen

250

Powell

200

Gradient Konjugieren

150

Lexikographisch Pattern Swarm

100

Globales Simplex

50 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Optimierungslauf

Bei rein geometrischen Optimierungsproblemen, bei denen die Auswertezeit in der Regel sehr kurz ist, spielt die hohe Anzahl der Iterationen eine eher untergeordnete Rolle, da die Laufzeit der Optimierung hier nur um wenige Minuten variiert. Daher ist der Einsatz der Algorithmen mit höherer Ergebnisqualität und größer Anzahl an Iterationen zu empfehlen, was jedoch auch je nach Anwendungsfall variieren kann. Weiterhin können auch mehrere Optimierungsläufe oder unterschiedliche Algorithmen genutzt werden.

8.2 Optimierung eines Kurbelarms in der Simulation Die FE-Simulation des Kurbelarms hat bereits gezeigt, wie durch das Ändern von Parameterwerten das CAD-Modell verändert und der Einfluss dieser Änderungen in der Simulation bewertet wird (s. Abschnitt 6.4). Im folgenden Beispiel soll dieser iterative Prozess des Änderns und Bewertens durch einen Optimierungsalgorithmus durchgeführt werden. Dabei wird zunächst eine Empfindlichkeitsstudie in der Konstruktionsumgebung durchgeführt, um die Robustheit des Modells zu überprüfen. Anschließend erfolgt die Optimierung des Modells in der Simulationsumgebung unter Verwendung des bereits erstellten Simulationsmodells des Kurbelarms. Vorgehensweise: I. Durchführen einer Empfindlichkeitsstudie II. Durchführen der Optimierung

8.2 Optimierung eines Kurbelarms in der Simulation

I.

205

Durchführen einer Empfindlichkeitsstudie Zur Überprüfung der Parametriesierung des Modells wird eine Empfindlichkeitsstudie des Kurbelarms durchgeführt. Diese erfolgt analog zur Getränkedose. Für die Designvariablen werden folgende Wertebereiche verwendet: Parameter Ausgangswert Untergrenze Obergrenze A1 A2 B1 B2 B3 D1 D2

30 20 24 14 4 10 12

26 18 22 11 2 6 6

40 30 28 18 6 12 13

Innerhalb der Grenzen der Designvariablen sind somit z. B. folgende Varianten des Kurbelarms möglich:

1. Empfindlichkeitsstudie (Sensitivity Study) Studienname ⇨ Studie1

2. Designvariablen

Designvariable ⇨ Ausdrücke

⇨ Designvariable festlegen

⇨ Selbstständige Auswahl der oben aufgeführten Designvariablen

Aufgrund der größeren Anzahl der Designvariablen dauert die Empfindlichkeitsstudie beim Kurbelarm deutlich länger als bei der Getränkedose. Dies sollte vor der Durchführung berücksichtigt und die Wertezahl daher reduziert werden, z. B. auf einen Wert von 3. 3. Kontrollwerte ⇨ Als Kontrollwert wird die Masse des Körpers verwendet. 4. Anzeigeeinstellungen

⇨ Anzeige aktualisieren aktivieren

⇨ Graph der Empfindlichkeitsstudie anzeigen aktivieren

206

8 Optimierung 5. Empfindlichkeitsstudie ausführen Wird je Designvariable eine Wertezahl von 3 verwendet, resultiert dies in 2187 Modellaktualisierungen (37). Die Laufzeit der Empfindlichkeitsstudie beträgt somit ca. 25-30 Minuten. 6. Ergebnisse Innerhalb der angegebenen Wertebereiche sollten alle Varianten durch das Modell abgebildet werden können.

II.

Durchführen der Optimierung Die Optimierung des Kurbelarms in der Simulationsumgebung ähnelt prinzipiell der Optimierung der Getränkedose in der Konstruktion. Jedoch steht in der Simulationsumgebung nur ein Optimierungsalgorithmus zur Verfügung. Ziel der Optimierung ist die Minimierung der Masse des Kurbelarms unter Einhaltung der Zwangsbedingung der maximal zulässigen Spannung. Dies erfordert der Verwendung einer FE-Analyse zur Berechnung der Spannungen. Die Optimierung wird daher in der Pre/Post-Umgebung durchgeführt. 1. Öffnen ⇨ Kurbelarm_links.prt

⇨ Kurbelarm_links_fem1.fem ⇨ Kurbelarm_links_sim1.sim

Zunächst werden die Ausgangswerte der Parameter wieder hergestellt. Das Ergebnis der Optimierung kann somit später mit dem der manuellen Parameteränderung verglichen werden (s. Abschnitt 6.4). 2. CAD-Modell aktivieren ⇨ Doppelklick auf Kurbelarm_links in der Simulationsdateiansicht 3. Ausdrücke

⇨ Ändern der Ausdrücke auf ihre Ausgangswerte (s. Seite 205) 4. Wechsel in die FEM-Datei

⇨ Doppelklick auf Kurbelarm_links_fem1 5. FE-Modell aktualisieren

6. Wechsel in die Simulation ⇨ Doppelklick auf Kurbelarm_links_sim1

8.2 Optimierung eines Kurbelarms in der Simulation

207

7. Berechnen Eine durchgeführte Simulation des aktuellen Modells bildet die Basis für die Optimierung. Daher sollte das Modell in jedem Fall noch einmal berechnet werden. Zudem wird somit sichergestellt, dass alle Dateien korrekt geladen sind. Alle relevanten Dateien müssen bei der Optimierung geladen sein, um die Assoziativität der Modelle sicherzustellen. 8. Geometrieoptimierung (Geometry Optimization) ⇨ RMT auf Kurbelarm_links_sim1.sim ⇨ Neuer Lösungsprozess

⇨ Geometrieoptimierung Prozesstyp ⇨ Optimierungsfunktion

Alternativ zur Optimierungsfunktion ist als Prozesstyp auch die Auswahl der Globalen Empfindlichkeit möglich. Hierbei werden analog zur Empfindlichkeitsstudie in der Konstruktion die Designvariablen innerhalb der vorgegebenen Grenzen variiert und es wird der Einfluss jeder Designvariable auf die Zielgröße sichtbar. Auf diesem Weg kann eine Sensitivitätsanalyse der Zielgrößen durchgeführt werden. Im Unterschied zur Empfindlichkeitsstudie wird hier jedoch jede Designvariable einzeln variiert. Es werden also nicht alle möglichen Wertekombinationen der Designvariablen erzeugt. Der Wert für Maximale Anzahl Iterationen (Control Parameters) definiert die Anzahl der Änderungen pro Designvariable und somit die Wertanzahl innerhalb der Grenzen der Designvariable. Hierbei ist in der Regel ein Wert von 3 oder 4 ausreichend.

208

8 Optimierung Insbesondere wenn das Modell sehr viele Parameter besitzt, kann es sinnvoll sein, vorab den Einfluss der Designvariablen zu untersuchen und die relevanten Designvariablen für eine nachgelagerte Optimierung zu ermitteln. Soll der Einfluss der Designvariablen auf eine Zwangsbedingung untersucht werden, muss die ursprüngliche Zwangsbedingung zunächst gelöscht und anschließend als Zielgröße hinzugefügt werden. Das weitere Vorgehen ist analog zur Optimierungsfunktion. 9. Allgemeine Einstellungen Name ⇨ Opt1

Optimierungstyp ⇨ Optimierungsfunktion

Die Auswahl des Optimierungstyps entspricht der Auswahl des Prozesstyps aus dem vorigen Dialog und kann an dieser Stelle noch einmal geändert werden. 10. Zielsetzung definieren Typ ⇨ Gewicht

Kategorie ⇨ Modellziele

Somit wird das Gewicht des gesamten Modells berechnet. Parameter ⇨ Minimieren Einheit ⇨ N

11. Zwangsbed. definieren ⇨ Zwangsbedingungen erzeugen Typ ⇨ Ergebnismessung ⇨ Ergebnismessungen

8.2 Optimierung eines Kurbelarms in der Simulation

209

⇨ Neu

Ergebnismessung Subcase ⇨ Pedalkraft

Ergebnistyp ⇨ Spannung Element-Knoten Komponente ⇨ Von Mises

Koordinatensystem ⇨ Absolut rechteckig Einheiten ⇨ MPa

Operation ⇨ Maximal

Ausdrucksname ⇨ Pedalkraft_max_Spg

Durch die Ergebnismessung wird vom System die maximale Spannung im Subcase Pedalkraft ermittelt. Zwangsbedingungen definieren Begrenzungstyp ⇨ Oben

Begrenzungswert ⇨ 350

Die maximale Spannung soll später unterhalb von 350 MPa liegen. Dieser Wert stellt also die obere Grenze der maximalen Spannung dar.

210

8 Optimierung Die erstellte Zwangsbedingung wird noch einmal im Dialogfenster angezeigt. An dieser Stelle ist auch das nachträgliche Bearbeiten der Zwangsbedingung möglich.

12. Designvariablen definieren ⇨ Designvariablen erzeugen

Designvariablen ⇨ Ausdrücke

⇨ "Kurbelarm_links"::A1=30

Obere Begrenzung ⇨ 40

Untere Begrenzung ⇨ 26

Die weiteren Designvariablen können selbstständig hinzugefügt werden. Designvariable Ausgangswert Obergrenze Untergrenze A1 A2 B1 B2 B3 D1 D2

30 20 24 14 4 10 12

40 30 28 18 6 12 13

26 18 22 11 2 6 6

8.2 Optimierung eines Kurbelarms in der Simulation

211

Die hinzugefügten Designvariablen werden mit ihren Ausgangs- und Grenzwerten noch einmal aufgelistet.

13. Control Parameters Max. Anzahl Iterationen ⇨ 60 ⇨ Ergebnis aller Iterationen speichern aktivieren ⇨ Graphenerstellung beim Berechnen erlauben aktivieren ⇨ Beenden Zum Speichern der Ergebnisdateien aller Iterationen muss sichergestellt sein, dass genügend Speicherplatz zur Verfügung steht. Für jede Iteration wird in diesem Fall eine op2-Datei gespeichert. Die Berechnung wird mit den vorgenommenen Einstellungen maximal 60-mal durchgeführt. Der Optimierungsprozess kann also bis zu mehreren Stunden andauern. Die Wahl der maximalen Anzahl der Iterationen richtet sich in erster Linie nach der zur Verfügung stehenden Zeit. Benötigt bereits eine Berechnung sehr viel Zeit (ca. mehr als 15 min), sollte die Berechnungszeit reduziert werden. Dies kann durch eine Vergrößerung der Elementgröße (z. B. auf 3 mm) oder die Verwendung linearer Elemente erfolgen (s. Kapitel 6).

212

8 Optimierung Die definierte Optimierung wird im Simulationsnavigator abgelegt. 14. Optimierung berechnen ⇨ RMT auf Opt1

⇨ Berechnen (Solve)

Die Laufzeit der Optimierung beträgt ca. 2-3 Stunden.

Wird nach dem Start der Optimierung eine Warnung bzgl. der fehlenden Assoziativität des Modells angezeigt, kann diese zunächst ignoriert werden. In der Ergebnisauswertung sollte jedoch anhand der Excel-Tabelle überprüft werden, ob eine Änderung der Designvariablen auch zu einer Änderung des Gewichts und der max. Spannung führt. Ist dies der Fall, ist die Assoziativität des Modells gegeben. 15. Zusammenfassung der Ergebnisse Nach dem Start der Optimierung wird Excel aufgerufen. In der Excel-Tabelle werden der aktuelle Stand der Optimierung sowie am Ende die Ergebnisse angezeigt. Das erste Arbeitsblatt zeigt eine Zusammenfassung. Die einzelnen Spalten repräsentieren dabei die Iterationen. Die weiteren Arbeitsblätter beinhalten Diagramme zum Verlauf des Zielwertes (Objective) und der Designvariablen über die einzelnen Iterationen.

8.2 Optimierung eines Kurbelarms in der Simulation

213

In diesem Beispiel wurden für die Optimierung 43 Iterationen benötigt. Die Abbildung zeigt die ersten 11 Iterationen. Bei der Ergebnisanalyse ist zu erkennen, dass die max. Spannung von 499,04 MPa auf 345,01 MPa reduziert werden konnte, wodurch sich jedoch auch das Gewicht des Kurbelarms von 1,65 N auf 1,82 N erhöht. Diese Werte finden sich in der letzten Spalte der Tabelle. Die Optimierung wurde aus dem unzulässigen Bereich heraus gestartet, da die max. Spannung bereits im Vorfeld über der definierten Obergrenze von 350 MPa lag. Dies kann ggf. dazu führen, dass die Lösung nicht konvergiert und kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt wird. Um dies zu vermeiden, können die Variablenwerte vor der Optimierung auch so gewählt werden, dass der Zwangsbedingungswert innerhalb der definierten Grenzen liegt. Alternativ kann auch der Zwangsbedingungswert geändert werden, z. B. auf 360 MPa. Es ist auch denkbar, eine erfolgreich durchgeführte Optimierung ein zweites Mal zu starten und dabei das erste Optimum als Ausgangspunkt zu verwenden. Weiterhin kann die max. Anzahl der Iterationen vergrößert werden, um das Konvergenzverhalten und die Lösung zu verbessern. Die Excel-Tabelle mit den Ergebnissen kann auch im Nachhinein geöffnet werden. ⇨ RMT auf Opt1

⇨ Optimierungstabellenkalkulation (Optimization Spreadsheet) 16. Navigator für die Nachbearbeitung Die detaillierten Ergebnisse der einzelnen Iterationen werden über den Navigator für die Nachbearbeitung aufgerufen. ⇨ Doppelklick auf Opt1

Wurde das Speichern der Ergebnisse aller Iterationen aktiviert, sind die Ergebnisse für jede Iteration (Konstruktionszyklus) auswählbar. Das Laden der Ergebnisse kann in diesem Fall einige Minuten dauern.

Die letzte Iteration stellt das erreichte Optimum dar. Beim Aufrufen der Simulationsergebnisse wird automatisch die dargestellte Geometrie geändert, sodass die betrachteten Ergebnisse auch der Geometrie der jeweiligen Iteration entsprechen.

214

8 Optimierung ⇨ Letzten Konstruktionszyklus auswählen (Pedalkraft) ⇨ Spannung - Element-Knoten

17. Alle Speichern

8.3 Kontrollfragen 1. Was versteht man unter einer Optimierung in der Produktentwicklung? 2. Was beinhaltet eine Empfindlichkeitsstudie und wozu kann sie genutzt werden? 3. In welchen Umgebungen können in NX Optimierungen durchgeführt werden und welche Optimierungsalgorithmen stehen zur Verfügung? 4. Worin unterscheiden sich die zur Verfügung stehenden Optimierungsalgorithmen der Konstruktionsumgebung? 5. Durch welche Schritte lässt sich das Konvergenzverhalten einer Optimierung verbessern, wenn keine Lösung gefunden wurde?

Literaturverzeichnis [1]

DIN 6885: Paßfedern Nuten, August 1968

[2]

Nasdala, L.: FEM-Formelsammlung Statik und Dynamik, Springer Vieweg, Wiesbaden, 3. aktualisierte Auflage, 2015

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0

215

Sachwortverzeichnis 1

Diagramm erstellen 175

1D-Verbindung 144, 189

Doppelte Knoten 152

2 2D-Netz 117, 130 3 3D-Tetraeder 143, 189 A Anheben 129

Drehmoment 170 Durchdringung 179 E Empfindlichkeitsstudie 194, 205 Entlang Führung extrudieren 77 Ergebnisse identifizieren 151

Animation 174 Ansicht Aktualisieren 164 Anwenderstandards 53, 104 Arbeitsspeicher einstellen 121

importieren 151 F FEM 108 Ausgabemedium 120

Attribute 6

Einheiten 121

Ausdrücke

Elemente 109

exportieren 10, 22 importieren 10 Ausgabeanforderungen bearbeiten 120 Automatische Elementgröße 143 B Baugruppenfamilien 54 Bauraum ermitteln 180 Bedingungs-Assistent 5, 48 Beziehungsbrowser 19 C CPU einstellen 121 D Design of Experiments (DoE) 194

häufige Fehler 112 Formelement mustern 27, 44, 58 spiegeln 14, 27 Formelementgruppe 44 Freiheitsgrade anzeigen 164 Freikörperdiagramm 182 Führungsparameter 21, 30 G Gelenk 156, 165 Geometrieoptimierung 207 Globale Empfindlichkeit 207 Graphobjekt erstellen 176

Design Simulation 113 © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 S. Vajna (Hrsg.), A. Wünsch, F. Pilz, Siemens NX für Fortgeschrittene ‒ kurz und bündig, https://doi.org/10.1007/978-3-658-31561-0

216

217

Sachwortverzeichnis I

MKS 154

IF-Funktion 5, 48, 57, 97

Modell aktualisieren 18, 30

Intelligenter Punkt 171

Motion-Umgebung 154, 164

K

Muster Begrenzungsdefinition 68

Kante zusammenfügen 130

kreisförmig 27, 33

Kehlnahtschweißung 20

linear 44, 58

Kinematiklasten importieren 188

Staffelung 59

Kollision 179 Komponente mustern 62

vereinfachtes Layout 68

Konvergenzanalyse 111

N

Körper trimmen 77

Nach Ausdruck unterdrücken 46, 60, 97

Kreisbogen 83 L Ladeoptionen für Baugruppen 67 Lasten exportieren 183 importieren 187 Lastfälle 146

Netz ausblenden 137 Netzeinstellung 132 Netzkollektor 117 O Öffnen von Simulationsdateien 150 Optimierung Konstruktion 193, 197

Lasttransfer 184 Legende anpassen 124 Logische Bedingung 5, 48, 57, 97

Simulation 204 Optimierungsalgorithmen 202

Lösungsattribute bearbeiten 120

P

M

Palette hinzufügen 93

Markierung 171 Master-Modell 6, 113, 155 Material auswählen 117, 134, 144 Daten einsehen 117 zuweisen 143 Mathematische Funktionen 4 Messen 6, 15, 198 Mittelfläche durch Flächenpaare 129

Physikalische Eigenschaften 117, 134, 144, 189 Postprocessing 122, 136, 148, 174 PP-Ansicht bearbeiten 123, 137 Pre/Post-Umgebung 113 Preprocessing 108, 116, 128, 143, 164 R RBE2 144, 152, 189

218

Sachwortverzeichnis

Redundante Zwangsbedingungen 167

Teileübergreifende Aktualisierung 30

Reference Sets 12, 17, 73

Teileübergreifende Ausdrücke 16, 23

Reibung 170

Teileübergreifender VerbindungsBrowser 18

Ressourcenleiste 102 Rohr 83

Trägheitsausgleich 191

S

U

Schale 127

UDF 89

Schnelllasttransfer 187

anwenden 101

Schraubenverbindungen modellieren 152

bearbeiten 106 Bibliothek 90, 101

Schweiß-Assistent 20

Bibliotheksklasse 92

Sensitivitätsanalyse 194, 207

erstellen 93

Sensor 171, 172

Explosion 103

Simcenter 3D 113, 154

Umgebungsvariablen 91

Simulationsdateien 113

V

Simulationsnavigator 114

Verfolgen 180

Skalares Drehmoment 170 Solution 114

Verknüpfte Netzdaten bearbeiten 133, 134

Solver 113

Vernetzung 117

auswählen 166

Video exportieren 175

Parameter bearbeiten 121

W

Solving 119, 173 Spirale 74

WAVE-Geometrie-Linker 9, 12, 86

Standardteile 53

Wiederverwendungsbibliothek 52, 104

Steuerskizze 10

Z

Subcase 114, 146

Zeitschritte 167, 173, 176, 184, 190

T

Zwangsbedingungstyp 118, 135, 145

Teilefamilien 31, 34, 50, 65

springer-vieweg.de

Jetzt im Springer-Shop bestellen: springer.com/978-3-658-29588-2