Frühe Fertigungssimulation schafft robuste Designs

In Design und Engineering werden Annahmen oft als Vereinfachung getroffen – manchmal weil sie ausreichen, oft weil Zeit/Werkzeuge für nichtlineare Effekte fehlen.

Bei vielen Komponenten haben Fertigungsprozesse signifikanten Einfluss auf Produktperformance, werden aber häufig übersehen. Welche Fertigungseffekte berücksichtigen, welche ignorieren? Antworten nicht immer klar. Standardpraxis: Designer bauen Design, übergeben an Analysten, die Modell bauen und analysieren. Oft umständlich, dauert länger als ideal. Durch nicht ideale CAD-CAE-Verbindungen: Mehr Zeit für Datentransfer und Erstanalyse als für eigentlichen Modellbau, -analyse, -verständnis.

3DEXPERIENCE Platform – Design und Festkörpermechanik vereint:

Die 3DEXPERIENCE Platform von DASSAULT SYSTÈMES verbindet CATIA-Designfeatures mit SIMULIA linearer/nichtlinearer Festkörpermechanik. Nahtlosere CAD-CAE-Verbindung als branchenüblich. Geführte Prozesse, standardisierte Templates → schnellere erste Antwort. Statt vereinfachter Erstberechnungen durch Experten: Erste Antworten in CAD und frühen Engineering-Tools eingebettet → erstes Modell und erste Schätzung struktureller KPIs. Erste lineare Strukturantworten in CAD ausführbar/analysierbar vor Analystenübergabe.

Strukturanalyst „schärft die Klinge“: Modell verfeinern, passende Effekte zum „First-Pass“-Modell addieren. Manche Fertigungseinflüsse = „erweiterte“ lineare Annahmen, aber auch Kontakt, Materialnichtlinearität, Spannungssteifigungseffekte wo angebracht. Diese Verfeinerung kann kritisch sein und Fehler aufdecken, die sonst übersehen werden. „Klassische“ Nichtlinearitäten: Material (Stahlplastizität, Gummi-Nichtlinearität, Riss/Versagen). Zwei oft übersehene: Kontaktwirkung und „nichtlineare Geometrie“. Alle drei können Fertigungsprozess bedingt sein, alle auf 3DEXPERIENCE modellier-/analysier-/postprozessierbar.

Zwei Beispiele demonstrieren Fertigungseffekte, Fokus auf Impact auf Systeme.

Presssitzverbindung im unteren Querlenker:

Kontakt allgemein verstanden – Komponenten „krachen“ zusammen, Kräfte übertragen → Spannungen/Dehnungen. Ein oft nicht betrachteter, aber kritischer Kontakt: „Presssitz“. Ein Bauteil mit leicht größerem Außendurchmesser wird in kleineres „gepresst“. Presssitz balanciert konkurrierende Anforderungen: Zu wenig Übermaß → lösbare Verbindung, Integrität gefährdet. Zu viel → hohe Spannungen/Dehnungen → Versagen in einem/b beiden Teilen.

Simulationsmodul in 3DEXPERIENCE erlaubt: Presssitz erfassen (statt Vereinfachung) UND Variationsbetrachtung der Interferenz → resultierende Spannungen durch Presssitz allein und kombiniert mit „Standard“-Belastung. Presssitz-Effekte ignorieren = katastrophale Konsequenzen möglich.

Beispiel: Unterer Querlenker (typischer Presssitz) könnte unerwartet versagen, wenn Presssitz-Effekte in Simulation unberücksichtigt. Linke Ergebnisse irreführend → Garantieprobleme für Hersteller. Unerwartete Ausfälle/Rückrufe schaden OEM-Reputation.

Frühzeitige Presssitz-Erkennung/Korrektur im Design spart Gesamtprojektzeit/-kosten.

3DEXPERIENCE Workflow-Zusammenfassung:

• Parametrisches CAD-Modellieren: Parameterbasiertes Design nutzt Testbarkeit für verschiedene Konfigurationen. Interferenz Querlenker-Buchse per Designparameter definierbar/variierbar.
• Integriertes Modellieren & Simulieren: Einheitliche Plattform für CAD/Simulation → Designer analysiert Komponente vor Analystenübergabe. Simulationsassistenz führt Nicht-Experten zu basis-linearer/nichtlinearer Simulation. Zwei Simulationsfälle: Vertikallast 4 kN, Querlast (X) 2,5 kN. Nichtlineare Effekte auf Designerebene ignorieren: Buchsen an Querlenker gebunden, Innenzylinder geklemmt.
• Wiederverwendung linearer Simulation für fortgeschrittene nichtlineare Simulation: Designer ändert Verbindungsparameter Buchse-Querlenker für Presssitz-Effekte. CAD-FEM-Assoziativität → neues Simulationsfeature definieren/modifizieren in linearer Simulation. Feature Manager: konsolidierte Ansicht, einfache Modifikation per Minimal-Klicks.
• Automatisierung & Kollaboration: Experte definiert Simulations-Templates für definierte Workflows → Designern für detaillierte Analyse mit Fertigungseffekten verfügbar. Web-Widgets für vordefinierte Simulationen → effektive Designer-Analyst-Kollaboration, Co-Review, Finalisierung.

Umfassende 3DEXPERIENCE-Tools ermöglichen Presssitz-Interferenz-Optimierung im frühen Design → unerwünschte Ausfälle/Rückrufe vermeiden.

Bolzenmodellierung im Kniegelenk (Clevis Joint):

Zweites Fertigungseffekt-Beispiel: Kniegelenk. Einfach: U-förmige Lasche („Gabelende“), durch die Bolzen/Stift geht. Stift befestigt an Gestänge/Stange → Drehung um Stift, in anderen Richtungen „fixiert“. Anwendungen: Auto-/Schwerlastfahrwerk, Industriemaschinen, Luftfahrt, diverse. Klein (winziger Stift für Haushaltswaren) bis massiv (übertrifft Personengewicht, riesige Bolzen). Bei großen Maschinen: „Verbinden“ reicht nicht – Bolzen muss fest angezogen werden → Fertigungsspannungen vor Betriebslasten. Bolzenlasten „biegen“ Gabelende → signifikante Vorspannungen. Ignoriert → falsche Sicherheitsfaktoren für Betriebslasten → nicht-konservative Spitzenspannungen, Übervorhersage Ermüdungslebensdauer.

Beispiel: Backengreifer mit bolzengeführtem Kniegelenk verbindet Glied mit Backe. Große Bolzen (hohe Vorspannung) gegen Loslösen. Bolzenlasten „ziehen“ Gabelenden zusammen → Montagespannungen. Schwere Ausrüstung oft überdimensioniert – lieber Extragmasse als Ausfallrisiko. Aber auch mit hohen Sicherheitsfaktoren: Fertigungseffekte + Betriebslasten kombiniert betrachten.

Simulationsergebnisse: Betriebslasten allein → moderate Spannungen in Gabelenden, ~20 % unter Ziel. Mit fertigunginduzierten Spannungen: 30 % ÜBER Ziel. Unter Fließgrenze, aber → eventual Ermüdung, Feldausfälle, Stillstand. Optimale Anzugskraft kritisch. 3DEXPERIENCE bietet designfreundliches Tool, Workflow:

• Virtuellen Bolzen modellieren: Bolzen-CAD-Geometrie für Anzieheffekt-Studie könnte unnötige Komplexität (Nichtlinearität durch Kontakte) für Designer bedeuten. Virtueller Bolzen in 3DEXPERIENCE: vereinfachter FE-Entitätsansatz mit Vorspannung. Designer wählt Kanten oder nutzt Bolt Detection für virtuellen Bolzen an Kniegelenk.
• Lineare Simulation definieren: Wie Presssitz: Simulationsassistenz führt Designer zu Setup. CAD-Features (Fläche, Kante, Ecke) → Lasten/Randbedingungen einfach definieren. Hier: Backe unten geklemmt, 10 kN am Kniegelenk.
• Custom Template für DOE & Optimierung: Experte definiert Web-Simulationstemplate für Designer → Bolzenvorspannungseffekt auf Kniegelenk studieren. Design of Experiments im frühen Design ohne Experten-Schleife. Bolzenvorspannung 1–5 kN, 500 N Schritte per Process Composer DOE Template.
• Web-basierte Ergebnisvalidierung in Results Analytics: Nach Prozess: Designer kollaboriert mit Experte, visualisiert Ergebnisse im Web-Widget (Results Analytics). Inputparameter (Last, Bolzenkraft) modifizieren → Template für ähnliche Anwendungen wiederverwenden. Ergebnis: Bolzenkraft > 2 kN könnte Spannung über akzeptables Limit (150 MPa) treiben.

Experte CAE-Ingenieur konzentriert sich auf fortgeschrittene Simulationen, Designer kümmert sich um Fertigungseffekte im frühen Design → Gesamtprozesszeit/-kosten gespart.

Fazit:

Wenn Fertigungseffekte früh im Design berücksichtigt werden, versteht man „Sicherheitsfaktoren“ im Design genauer. Designerfreundliche Tools auf 3DEXPERIENCE ermöglichen konsistentere Produktperformance-Vorhersage → Garantiekosten, Rückrufkosten, Betriebskosten für Kunden reduzieren.

Alle Transportation & Mobility Lösungen: https://www.3ds.com/products-services/simulia/solutions/transportation-mobility/