CAE Flashcards
Was bedeutet CAE?
Computer Aided Engineering
Was sind die wichtigsten
IT-Systeme im Produktlebenszyklus
- ERP: Enterprise Resource Planning
- CRM: Custom Relationship Management
- CAQ: Computer Aided Quality
- SCM: Supply Chain Management
Wie wird die Vorbereitung einer
FEM-Berechnung genannt?
- Preprocessing: Erzeugen des Simulationmodells
- Solving: Numerische Lösung des Simulationsmodells
- Postprocessing: Visualisierung und Reporting
In welchen Bereichen werden FEM-Analysen überwiegend eingesetzt?
- Verformungs- und Spannungsberechnungen
- Temperatursimulation
- Materialflusssimulation
Was bedeutet die Abkürzung CFD?
Computational Fluid Dynamics
Was sind typische Ziele von Mehrkörpersimulationen?
- Echtzeitsimulationen
- Analyse von Bauteilverformungen
- Analyse von Bewegungsvorgängen
- Berechnung von Temperaturfeldern
Was sind typische Ergebnisse einer Spritzguss-Füllsimulation?
- Bindenahtverlauf
- Druckverlauf
- Verzug
Eine Änderung der Blechdicke beim Tiefziehen ist?
- beabsichtigt
- nicht zu vermeiden
- unbeabsichtigt (x)
Berechnung der arithmetischen Schließmaßtoleranz:
Ta = T1 + T2 + T3
Ts = Wurzel aus(T1^2 + T2^2 + T3^2)
Das Prozesspotential hängt ab von…
- der Prozesslage
- der Prozessstreubreite (x)
In welchen Bereich kann man mittels der Bewegungssimulation eine Taktzeitbestimmung durchführen?
- Robotersimulation
- Menschsimulation
Zeitlicher Ablauf des Produktentstehungsprozesses
Was sind die Schwerpunkte des CAE Einsatzes im Produktlebenszyklus?
- Produktentwicklung
- Fertigungsplanung
- Produktion
Was ist die Berechnungsmethode A ?
(z.B. Frühere Dimensionierungs- und Auslegungsrechnung)
- Methode mit geringen Zeitaufwand
- Geringe Aussagegüte, Methode durch Grundkenntnisse handhabbar
Was ist die Berechnungsmethode B ?
(z.B. lineare Finite Elemente Berechnungen)
- Methode mit mittleren Zeitaufwand
- Mittlere Aussagegüte, Methode durch Einarbeitung von Konstrukteur handhabbar
Was ist die Berechnungsmethode C ?
(z.B. nicht lineare Finite Elemente Berechnungen)
- Methode mit hohen Zeitaufwand
- Hohe Aussagegüte, Methode nur durch Spezialisten handhabbar
Wie werden die mathematischen Lösungsverfahren unterschieden?
- Analytische Lösungen:
(z.B. Formeln nach Kostruktionshandbüchern /
Differentialgleichungen / geometrische Berechnungen wie Schwerpunkt, Oberfläche etc. )
- Nährungslösungen:
- Finite Elemente Methode (FEM)
- Mehrkörpersysteme (MKS)
Wann ist eine Simulation sinnvoll?
Wenn…
- Neuland beschritten wird
- die Grenzen analytischer Methoden erreicht sind
- komplexe Wirkungszusammenhänge die menschliche Vorstellungskraft überfordert
- das Experementieren an realen Systemen nicht möglich bzw. zu kostenintensiv ist
- das zeitliche Ablaufverfahren untersucht werden soll
Was versteht man beim CAE unter einem Modell?
- eine vereinfachte Nachbildung eines geplanten oder existierenden Systems mit seinen Prozessen in einem anderen begrifflichen oder gegenständlichen System.
- es unterscheidet sich hinsichtlich der untersuchungsrelevanten Eigenschaften nur innerhalb eines vom Untersuchungsziel abhängigen Toleranzrahmens vom Vorbild
Was versteht man beim CAE unter einem Prozess?
Ein Prozess ist die Gesamtheit von aufeinander einwirkender Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder auch gespeichert wird.
Was versteht man beim CAE unter einen Simulationslauf ?
Ein Simulationslauf ist die Nachbildung des Verhaltens eines Systems mit einem spezifizierten ablauffähigen Modell über einen bestimmten Modellzeitraum – auch Simulationszeit genannt, wobei gleichzeitig die Werte untersuchungs-relevanter Zustandsgrößen (Attribute) erfasst und ggf. statistisch ausgewertet werden.
Was versteht man beim CAE unter einem Simulator?
Softwareprogramme, mit dem ein Modell zur Nachbildung des dynamischen Verhaltens eines Systems und seiner Prozesse erstellt und ausführbar gemacht werden kann.
Welche Methoden gibt es beim CAE und wie werden sie klassifiziert?
- Festigkeitssimulation // Analyse der mech. Beanspruchung
- Strömungssimulation // Analyse von Strömungsvorängen
- Thermische Simulation // Analyse des Wärmeübergangsverhaltens und Temperaturfeldern
- Fertigungsprozesssimulation (Moldflow) // Analyse der Herstellung von Kunststoffteilen
- Kinematiksimulation // Analyse von Bewegungsvorgängen
- Digital Mock Up (DMU) // Analyse von Produkt- und Analagenaufbau
- Mehrkörpersimulation (MKS) // Analyse von dynamischen Bewegungsvorgängen
- Toleranzkettensimulation // Toleranzanalyse auf Basis zufallsverteilter Fertigungsprozesse
- Ablaufsimulation // Analyse des Materialfluss in der Fertigung
Was wird bei einer Festigkeitssimulation analysiert?
Analyse der mechanischen Beanspruchung.
Was wird bei einer Strömungssimulation analysiert?
Analyse von Strömungsvorgängen
Was wird bei einer thermischen Simulation analysiert?
Analyse des Wärmeübergangsverhaltens und Temperaturfeldern.
Was wird bei einer Fertigungsprozesssimulation analysiert?
- Spritzgusssimulation
- Analyse der Herstellung von Kunststoffteilen (Moldflow)
- Tiefziehsimulation
- Toleranzkettensimulation
- Bewegungssimulation
Was wird bei einer Kinematiksimulation analysiert?
Analyse von Bewegungsvorgängen
Was wird beim Digital Muck Up (DMU) analysiert?
Analyse von Produkt- und Anlagenaufbau
Was wird bei einer Mehrkörpersimulation analysiert?
Analyse von dynamischen Bewegungsvorgängen
Was wird bei einer Toleranzkettensimulation analysiert?
Toleranzanalyse auf Basis zufallsverteilter Fertigungsprozesse
Was wird bei einer Ablaufsimulation analysiert?
Analyse des Materialflusses in der Fertigung
Was sind die Ziele der Produktentwicklung?
Projektziele QKT:
- Qualität maximieren
- Kosten minimieren
- Termine (Zeit) minimieren
Was versteht man unter dem Begriff Frontloading?
Entwicklungsaufwand in frühere Phasen des PEP verlagern.
(Von „Grob- und Detailentwicklung“ in Richtung „Planungs- und Konzeptphase“)
Was sind die Entwicklungsstufen der rechnergestützen Produktentwicklung?
Was man bei einer Simulation nie vergessen sollte…
- Die Qualität der Simulationsergebnisse hängt von der Qualität der Daten ab!
- Mit ungenauen oder unvollständigen Daten ist keine genaue Simulation möglich
- Vertraue niemals den berechneten Ergebnissen!
- In Simulationsmodellen, Daten und Algorithmen können Fehler sein
- Simulation löst kein Problem!
- Simulation ist nur ein Hilfsmittel
- Die Ideen zur Problemlösung müssen vom
Ingenieur kommen
Was sind die Vor- und Nachteile von FEM?
Vorteile:
- Sehr genaue Simulationen, wenn die Materialeigenschaften bekannt sind
- Analyse auch von sehr komplexen Geometrien
Nachteile:
- Recht langsam und daher nicht für Echtzeitanwendungen geeignet
- Teilweise hoher Bearbeitungs- und Rechenaufwand
Was sind die Inhalte eines FEM Berechnungsmodells?
- Geometrie
- Belastungen (Größe, Lage, Zeitverhalten wie Stoß, Beschleunigung, Schlag etc.)
- Werkstoff (Werkstoffverhalten, Wärmebehandlung, Beschichtung,…)
- Lagerung / Stützung (Freiheitsgrade, Zwangsbedingungen)
Was sind die Einzelschritte einer FEM Analyse?
- CAD Geometrie erstellen
- CAD Geometrie Importieren
(ggf. vereinfachen oder reparieren) - FEM-Netz erstellen (ggf. verfeinern oder reparieren)
- Randbedingungen festlegen Simulieren
Was sind Anwendungsfelder der FEM?
- Verformungs- und Spannungsberechnungen
- Elastizitätstheorie
- Strömungsberechnungen
- Navier-Stokes-Gleichungen
- Wärmeleitung, Temperaturverteilung
- Laplace-Gleichungen
- Elektromagnetik, Elektrostatik, Magnetostatik
- Maxwell-Gleichung
Welche Mechanismen zur Geometrievereinfachung gibt es?
- Vernachlässigung nicht maßgeblicher Teile
(z. B. Radien, Fasen oder kleine Bohrungen) - Vernetzungs- und Berechnungsaufwand werden reduziert
- Vereinfachung auf den zweidimensionalen Fall wenn die Dicke gering ist
- Ausnutzung von Symmetrien
- Berechnung eines Bauteilbereichs zu dem die anderen Bereiche symmetrisch sind
Was sind die Basiselemente der FEM und welche Eigenschaften haben sie?
- Stäbe: eindimensionales Element, überträgt Kräfte in Längsrichtung
- Balken: 3D-Elemente, nehmen nur Biegekräfte- und Momente auf
- Scheiben: ebene 2D-Elemente, übertragen Kräfte in 2 Koordinatenrichtungen
- Platten: Erweiterung der Scheiben, übertragen auch Momente
- Schalen: räumlich gekrümmte Ausprägung des Plattenelements
- Volumenelemente: sind Polyeder, Kräfte und Momente in allen Raumrichtungen (sind bevorzugte Elemente)
Worauf basiert die automatische Erzeugung von Knoten und Elementen?
- Bauteilgeometrie und Topologie
- Element Bibliothek
- Netz Attribute: Dichte, Elementtypen, Randbedingungen, Belastungen
Welche Verfahren zur automatischen Netzgenerierung gibt es?
- Node Connection Approach
- Grid Based Approach
Was ist das Ziel der numerischen Strömungsmechanik (CFD)?
- Die Strömungssimulation hat das Ziel, mit numerischen Methoden ein vorgegebenes strömungsmechanisches Problem zu lösen.
- Die meisten Problemstellungen befassen sich konkret mit der Lösung der Navier-Strokes-Gleichungen
Was sind bewährte Lösungsmethoden der Strömungsmechanik?
- Die Finite Differenzen Methode (FDM)
- Die Finite Volumen Methode (FVM)
- Die Finite Elemente Methode (FEM)
Welche 3D Gitterelementtypen gibt es, und worin liegen die Vor- bzw. die Nachteile?
An welchen Stellen ist ein feines Netz erforderlich?
- In der Nähe von Wänden, wo die Geschwindigkeit gegen Null geht.
- In der Nähe von scharfen Kanten oder Kurven sowie bei kleinen Öffnungen
Was sind Mehrkörpersysteme?
Mehrkörpersysteme beschreiben Systeme aus verschiedenen, massebehafteten starren oder elastischen Körpern, die untereinander an Kontaktstellen gekoppelt sind.
Was ist eine Mehrkörpersimulation?
Eine Mehrkörpersimulation liefert unter Vorgabe von Anfangs- und Randbedinungen die Bewegungsabläufe und die dabei an dem Körper wirkenden Kräfte und Momente.
Was sind die Ziele einer Mehrkörpersimulation?
Bewegungsanalyse von komplexen kinematischen Systemen
Modalanalysen (Eigenfrequenz, Eigenschwinungsform)
Realisierung des Virtual Prototyping
Echtzeitsimulation, Hardware-in-the-Loop (HIL)
Ermittlung dynamischer Bauteilbelastungen Bereitstellung dynamischer Bauteilbelastungen für die FEM
Was ist Hardware-in-the-Loop (HIL)
Beim HIL wird eine elektronische und mechanische Teilkomponente eines Systems über spezielle Schnittstellen mit einer Computersimulation verbunden, um getestet und optimiert zu werden.
Die HIL-Simulation bietet die Möglichkeit, das tatsächliche System anstelle eines Modells zu testen.
Dem Prüfobjekt wird eine vollständige, echtzeitfähige Umgebung vorgetäuscht, welche auf virtuelle Umwelteinflüsse reagieren muss.
Was sind die Ergebnisse einer Spritzgusssimulation?
- Füllzeit
- Druckverlauf
- Bindenähte
- Lufteinschlüsse
- Einfallstellen
Welche Vernetzungsarten gibt es bei der Spritzgusssimulation?
Welche Fehler können beim Tiefziehen entstehen?
- Risse (Bodenrisse, Längsrisse, Umfangrisse)
- Falten
- Fließfiguren
Was ist die Zielsetzung von Tiefziehsimulationen?
Auslegung des Prozesses hinsichtlich:
- Notwendiger Kräfte
- Notwendiger Temperatur
- Anzahl der Optimierung der Umformstufen
- Erzielbarer Toleranzen
Wie ist der Ablauf einer Toleranzkettensimulation?
- Import der reduzierten CAD Daten
- Gruppieren der Bauteile (Nominalgeometrie) in die vorgegebene Reihenfolge
- Erzeugen der Bezugssysteme der Bauteile
- Verknüpfen der Bauteile über Montageoperationen
- Definition der Qualitätsmerkmale (Messpunkte)
Was versteht man unter der Qualitätskennzahl cp?
Das Prozesspotential:
- Ist ein Maß für die Leistung, die der Prozess bei optimaler Einstellung erbringen kann
- Vergleicht die spezifische Toleranzbreite mit der Prozessstreubreite
Was versteht man unter der Qualitätskennzahl cpk?
Die Prozessfähigkeit:
- Beurteilt die spezifizierte Toleranzbreite im Vergleich zur Prozesstreubreite
- Hängt von der Prozesslage und der Prozesstreubreite ab
Was wird bei einer Bewegungssimulation untersucht, und was sind die Ergebnisse?
Untersuchung von Bewegungsvorgängen:
- Kinematik
- Kollisionen
- Dynamik
Ergebnisse:
- Bahnkurven, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen
- Erreichbarkeit, Bauraum
- Kollisionen
- Kräfte und Momente
- Taktzeiten
Was sind typische Anwendungsbereiche von Bewegungssimulation?
Darstellung der Bewegung von:
- Industrieroboter
- Vorrichtungen
- Werkzeugmaschinen
- Mitarbeiter
Welche Aspekte werden bei einer Bewegungssimulation untersucht?
- Erreichbarkeit
- Zugänglichkeit
- Kollisionsvermeidung
- Günstige Anordnung
- Ausführungszeiten (Zyklus- und Taktzeiten)
Was ist Rapid Prototyping?
- Generativer, schichtweiser Aufbau von Bauteilen direkt aus CAD Daten
- i.d.R. kein Einsatz von Formen und Werkzeugen
- Erschließung von hohen wirtschaftlichen Potentialen bei Fertigung komplexer Geometrien in kleiner Stückzahl
Was ist Rapid Tooling?
- Gleiche Prinzipien und charakteristische Merkmale wie beim Rapid Prototyping
- Schichtweiser Aufbau von formgebenden Werkzeugen (direktes RT)
- Abformende Herstellung von Werkzeugen anhand schichtweise aufgebauter Urmodelle (indirektes RT)
Wie funktioniert Stereolithography (SL)?
Lokale Verfestigung von flüssigen Monomer durch UV-Strahlung (Laser, Lampe), Stützen oder Stützmaterial erforderlich
Materialien: Epoxydharze, Acrylate
Was sind die Vor- und Nachteile von Stereolithography (SL)?
Vorteile: Hoher Detaillierungsgrad, sehr gute Oberflächen
Nachteile: Geringere mechanische und thermische Belastbarkeit als Selective Laser Sintering (SLS) und Fused Deposition Modeling (FDM)
Wie funktioniert Lasersintern/ Selective Laser Sintering (SLS)?
Lokales aufschmelzen von pulverförmigem thermoplastischem Material, Schichtbildung nach Erstarrung.
Keine Stützen Erforderlich
Material: Kunststoffe (Polyamid, Polystyrol), Metalle, Sande, Keramiken
Was sind die Vor- und Nachteile von Lasersintern/ Selective Laser Sintering (SLS)?
Vorteile: Kunststoff: Höhere mechanische und thermische Belastbarkeit als SL
Nachteile: Rauere Oberflächen, geringerer Detaillierungsgrad als SL
Wie funktioniert das Extrusions-Verfahren / Fused Deposition Modeling (FDM)?
Aufschmelzen von festen Kunststoffen (Draht oder Block) in einer beheizbaren Düse. Schichtaufbau durch Extrusion.
Verfestigung durch Abkühlung. Stützen erforderlich.
Material: versch. Kunststoffe, z.T. nominell serienidentisch (ABS,PP)
Was sind die Vor- und Nachteile des Extrusions-Verfahrens / Fused Deposition Modeling (FDM)?
Vorteile: Höhere mechanische und thermische Belastbarkeit als SL
Nachteile: Rauere Oberflächen, geringerer Detaillierungsgrad als SL
Wie funktioniert 3D-Printing / Three Dimensional Printing (3DP)?
Einspritzen von Bindeflüssigkeit in ein Pulverbett. Mechanische Belastbarkeit durch Infiltration mit Epoxidharz
Material: Stärke/ Wasser, Gips-Keramiken/ Wasser, Metall
Was sind die Vor- und Nachteile von 3D-Printing / Three Dimensional Printing (3DP)?
Vorteile: Schnell und preiswert, kalter Prozess, farbige Modelle möglich
Nachteile: Geringe Detaillierung, raue Oberflächen.
Stärke und Gips + Infiltration: geringe Belastbarkeit, undefinierte mechanische Eigenschaften
Was sind Ziele vom Produktdaten Managementsystem?
- Integration
- Haltung von Produktdaten
- Zugriff auf Produktdaten
- Sicherung von Produktdaten
- Verkürzung der Produktentwicklungszeit
Was sind die wichtigsten Objekte im PDM-System?
- Artikel (Teile, Komponenten, Produkte)
- Verschiedene Produktstrukturen
- Papier- oder DV-erzeugte Dokumente, mit oder ohne sicherheitsrelevanten Filemanagement
- Projekte
Was versteht man im PDM unter einem Artikel?
Ein Artikel kann sein:
- Ein Einzelteil
- Eine Baugruppe
- Ein Produkt
Jeder Artikel ist durch ein oder mehrere Dokumente (CAD-Modell, Textdokumente z.B. Lastenhefte, Berechnungsergebnisse,…) beschrieben. Jeder Artikel kann in mehreren übergeordneten Artikeln verwendet werden. Die Stückliste beschreibt dabei die Zusammenhänge der Artikel
Was sind Nutzdaten (Produktdaten)?
Nutzdaten sind Daten, die den eigentlichen Objekten entsprechen. Dies kann z.B. ein 3D-Modell eines CAD-Systems sein.
Die Nutzdaten werden von Metadaten beschrieben und klassifiziert.
Was sind Metadaten?
Metadaten sind beschreibende, klassifizierte Informationen zur Verwaltung und Organisation von Nutzdaten.
Diese repräsentieren Informationen über Hersteller, Erstellungsdatum, Freigabestatus etc.
Wie werden die Kosten im Laufe des Produktlebenszyklus beeinflusst?
Was sind Vorteile der digitalen Prototypen?
- Optimierte Teile und Formgeometrie unter Berücksichtigung des Fertigungsprozesses
- Effiziente Entwicklung funktionsfähiger Formteile
- Reduzierter Aufwand für die Problembehandlung, mehr Zeit für die Entwicklung innovativer Konzepte
- Weniger physische Prototypen
- Schnellere Marktreife
Wie wird eine Toleranzkette aufgestellt?
Vorgehensweise:
- Zählrichtung festlegen
- Einzeltoleranzen ermitteln
- Vorrichtungstoleranz definieren
- Prozesstoleranz festlegen
- Toleranzkette aufstellen
Welche Aspekte werden bei der Toleranzkettensimulation hinsichtlich der geometrischen Toleranzen beachtet?
- Formelemente
- Form und Lage
- Größe
- Zwischenräume für die Funktion von
- Einzelteilen
- Baugruppen
Welche Aspekte werden bei der Toleranzkettensimulation hinsichtlich des Toleranzkonzepts beachtet?
- Fertigung / Montage / Prozess
- Ausrichtung, Einstellung, Befestigung
- Werkstoffauswahl
- Prozessfähigkeit
- Qualität
- Messung
- Messvorrichtungen
Was wird bei der Layoutplanung untersucht?
- Anordnung der Arbeitsstationen
- Zugänglichkeit der Stationen
Was wird bei einer Ergonomiesimulation untersucht?
- Blickwinkel
- Zugänglichkeit
- Körperliche Belastungen
Was wird bei einer Zusammenbauuntersuchung geprüft?
- Durchdringungen prüfen (Clashes) => CAD
- Kollisionen auf Montagewegen prüfen
- Kollisionen auf Montagewegen inklusive Werkzeug/ Hand prüfen
Was wird bei einer Robtersimulation untersucht?
- Taktzeitanalyse
- -> Optimierung der Wirtschaftlichkeit
- Erreichbarkeitsanalyse
- -> Zellenlayout
- Kollisionsanalyse
- -> Anlagenverfügbarkeit
- Offline Programierung
- -> Verkürzung der Inbetriebnahme
Wie ist der Ablauf einer linearen statischen FEM Berechnung?
- Elementsteifigkeitsmatrix formulieren
- Gesamtsteifigkeitsmatrix zusammensetzten
- Randbedingungen festlegen
- Belastungsvektoren erstellen
- Lösung des Gleichungssystems für die Verschiebungen
- Kräfte und Spannungen für alle Elemente berechnen
