Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Identifikation und Analyse, ob und inwieweit die in der Masterveranstaltung CAE-Methoden behandelten Problemstellungen mit einer aktuell auf dem Markt vorhandenen und vor allem kostenfreien CAx-Software behandelt werden können. Der Fokus der Analyse liegt hierbei auf der Durchführung statischer Finite Elemente Analysen sowie auf der dynamischen Mehrkörpersimulation.
Zunächst werden die theoretischen Grundlagen erörtert. Es werden die elementaren Begriffe der rechnergestützten Konstruktion und Ingenieurtätigkeit (eng.: Computer Aided Construction und Computer Aided Engineering) definiert und voneinander abgegrenzt. Anschließend werden die grundlegende Vorgehensweise bei einer Finite Elemente Analyse sowie ihre Aussagesicherheit erörtert. Daran schließt sich die Erläuterung der dynamischen Mehrkörpersimulation an. Abschließend erfolgt ein grundlegender Vergleich zwischen der Finiten Elemente Analyse und der dynamischen Mehrkörpersimulation.
Auf Basis der in der Einleitung definierten Zielsetzung dieser Arbeit wird eine Marktanalyse zur Identifikation und Auswahl einer geeigneten Software durchgeführt. Anschließend erfolgt eine Analyse der aus der Marktanalyse abgeleiteten Software hinsichtlich ihrer Eignung zur Nutzung in der CAE-Methoden Veranstaltung. Dabei wird in zwei Teilen eine bewertende Evaluation auf Grundlage von Beispielaufgaben durchgeführt. Aus diesen werden funktionsspezifische Kriterien abgeleitet, die als Bewertungsbasis für die Finite Elemente Analyse sowie die Mehrkörpersimulation dienen. Zusätzlich erfolgt eine gesamtheitliche Evaluation der Software auf Grundlage allgemeiner softwareergonomischer Bewertungskriterien.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ziel der Arbeit
1.2 Vorgehen und Aufbau der Arbeit
2 Stand der Technik
2.1 Begriffsdefinitionen und -abgrenzungen
2.1.1 Computer-Aided Design
2.1.2 Computer-Aided Engineering
2.1.3 Finite Elemente Methode
2.1.4 Mehrkörpersystem und Mehrkörpersimulation
2.2 Finite Elemente Analyse
2.2.1 Vorgehensweise bei der Finite Elemente Analyse
2.2.2 Aussagesicherheit der Finite Elemente Analyse
2.3 Mehrkörpersimulation
2.3.1 Vorgehensweise bei der Mehrkörpersimulation
2.3.2 Abgrenzung Mehrkörpersimulation von der Finite Elemente Methode
3 Marktanalyse
3.1 Definition der Auswahlkriterien
3.2 Ergebnis der Marktanalyse
3.2.1 Z88Aurora
3.2.2 FreeCAD
3.3 Zusammenfassung der Ergebnisse
4 Analyse von FreeCAD
4.1 Allgemeine softwareergonomische Bewertungskriterien
4.2 Teil 1: Statische Finite Elemente Analyse
4.2.1 Beschreibung der Analysebeispiele
4.2.2 Definition der aufgabenspezifischen Bewertungskriterien
4.2.3 Durchführung der Finite Elemente Analyse
4.2.4 Bewertung der FEA Kriterien
4.3 Teil 2: Dynamische Analyse eines Mehrkörpersystems
4.3.1 Beschreibung des Analysebeispiels
4.3.2 Definition der aufgabenspezifischen Bewertungskriterien
4.3.3 Durchführung der Mehrkörpersimulation
4.3.4 Bewertung der MKS Kriterien
4.4 Gesamtbewertung von FreeCAD
5 Zusammenfassung und Fazit
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Masterarbeit verfolgt das Ziel, aktuelle, kostenfreie CAx-Software hinsichtlich ihrer Eignung zur Lösung von Problemstellungen aus der Lehre, insbesondere im Kontext von CAE-Methoden, zu evaluieren. Im Fokus stehen dabei die statische Finite Elemente Analyse sowie die dynamische Mehrkörpersimulation.
- Marktanalyse und Auswahl geeigneter, lizenzfreier CAx-Softwarelösungen
- Methodische Bewertung von Z88Aurora und FreeCAD
- Detaillierte Analyse der FEA-Funktionalitäten anhand von Beispielaufgaben
- Untersuchung der Leistungsfähigkeit bei der Mehrkörpersimulation
- Softwareergonomische Evaluation basierend auf DIN-Normen
Auszug aus dem Buch
Aussagesicherheit der Finite Elemente Analyse
Die Ergebnisse der FEA zeigen generell eine gute Übereinstimmung mit der Praxis. Dennoch kann mit Hilfe der FEM keine absolute Genauigkeitsangabe getroffen werden, da es sich lediglich um ein Näherungsverfahren handelt (vgl. Kapitel 2.1.3). Zwar hat die Diskretisierung (Dichte/Feinheit des FE-Netzes) einen maßgeblichen Einfluss auf die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse, jedoch spielen in der Praxis andere Unsicherheiten und Ungenauigkeiten eine weitaus größere Rolle bei der Qualität der Ergebnisse. Dazu gehören u. a.:
Ungenaue Darstellung des physikalischen Problems im Berechnungsmodell
Ungenügende Beschreibung der Materialeigenschaften, wodurch die tatsächliche Spannungsverteilung nicht erfasst werden kann
Inkorrekte Annahme und Definition der Randbedingungen, die zu einer falschen Spannungsverteilung führt
Zu stark vereinfachte Körpergeometrien, die zu nicht vorhandenen Spannungsspitzen führen
Zu „grobe“ Diskretisierung
U.v.m.
Besondere Bedeutung kommt hierbei dem Berechnungsingenieur bzw. Anwender zu. Denn das Ergebnis der FEA genügt zur Beurteilung eines Bauteils nicht. Schlussendlich muss die Realitätstreue der Berechnungsergebnisse durch ingenieurmäßigen Sachverstand plausibilisiert (z. B. durch Vergleich mit maßgeblichen Referenzwerten und analytischen Lösungen) und freigegeben werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel führt in die Thematik der rechnergestützten Produktentwicklung ein und definiert das Ziel sowie den Aufbau der Arbeit.
2 Stand der Technik: Hier werden die theoretischen Grundlagen der Finite Elemente Analyse und der Mehrkörpersimulation sowie deren wesentliche Unterschiede erläutert.
3 Marktanalyse: Es erfolgt eine Recherche und Auswahl geeigneter, kostenfreier CAx-Programme basierend auf definierten Kriterien für FEM und MKS.
4 Analyse von FreeCAD: In diesem Hauptteil wird die Software FreeCAD anhand von Beispielaufgaben in den Bereichen statische FEM und dynamische MKS detailliert untersucht und bewertet.
5 Zusammenfassung und Fazit: Das abschließende Kapitel fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Untersuchungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
CAx-Methoden, Finite Elemente Analyse, FEA, Mehrkörpersimulation, MKS, FreeCAD, Z88Aurora, Softwareanalyse, Produktentwicklung, Konstruktion, Simulationsmethoden, Open Source, Softwareergonomie, CAE.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit grundlegend?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Identifikation und Analyse kostenfreier CAx-Software, die für die Anwendung in der Lehre (CAE-Methoden) geeignet ist.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Untersuchung?
Die Schwerpunkte liegen auf der statischen Analyse mittels Finite Elemente Methode sowie der dynamischen Simulation von Mehrkörpersystemen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es zu prüfen, inwieweit frei verfügbare Software die anspruchsvollen Problemstellungen der CAE-Lehrinhalte abdecken kann.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine systematische Marktanalyse durchgeführt, gefolgt von einer softwareergonomischen und funktionsspezifischen Evaluation anhand praktischer Übungsaufgaben.
Was wird im umfangreichen Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil widmet sich der detaillierten Anwendung von FreeCAD auf zwei konkrete Berechnungsbeispiele, um FEA- und MKS-Funktionalitäten zu verifizieren.
Welche Schlagworte charakterisieren diese Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie CAE-Methoden, Finite Elemente Analyse, Mehrkörpersimulation und Open-Source-Software beschreiben.
Warum wurde FreeCAD als Hauptgegenstand der Analyse gewählt?
FreeCAD wurde gewählt, da es als eine der wenigen Open-Source-Lösungen die Kriterien für eine kostenfreie Nutzung und einen hinreichenden Funktionsumfang für beide Disziplinen (FEM und MKS) erfüllt.
Wie unterscheidet sich die Bewertung von FEA und MKS in der Arbeit?
Während die FEA-Funktionalität als gut eingestuft wird, zeigt die Analyse, dass die MKS-Simulation ohne zusätzliche Programmierung in Python nur schwer und eingeschränkt möglich ist.
Welche Rolle spielt die Softwareergonomie für die Bewertung?
Die Arbeit orientiert sich an DIN-Normen zur Softwareergonomie, um die Benutzerfreundlichkeit und Effizienz bei der Lösung technischer Problemstellungen zu bewerten.
- Arbeit zitieren
- Anonym (Autor:in), 2020, Rechnergestützte strukturmechanische Untersuchung und Simulation dynamischer Systeme, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/520966
