Teil 3 Einführung in CAE-Software

Inhalt

1. Spritzguss-Simulation (Flow Warp-Analyse)	9. Kriechanalyse
2. Spannungsanalyse	10. Spannungsrelaxationsanalyse
3. Wärmeübertragungsanalyse	11. Auswirkungsanalyse
4. Thermische Spannungsanalyse	12. Topologieoptimierung
5. Wärmeträgeranalyse	13. Akustische Analyse
6. Eigenwertanalyse (Eigenfrequenzanalyse)	14. Mechanistische Analyse
7. (Häufigkeits-)Antwortanalyse	15. Abbildung der Faserorientierung
8. Zyklische Ermüdungsanalyse

Einführung

Viele Softwareunternehmen in Japan und im Ausland haben eine Vielzahl von Software für CAE-Analysen herausgebracht. Je nach Software gibt es Unterschiede, z. B. in der Art der durchgeführten Analyse, dem Fachgebiet und dem Supportsystem. Daher ist es wichtig, die geeignete Analysesoftware auszuwählen, die dem Zweck und der Anwendung entspricht.

Dieses Mal erkläre ich die Software, die für die CAE-Analyse von Kunststoffen verwendet wird. Wir stellen außerdem die repräsentative Analysesoftware für jedes Analysezielfeld sowie die von Asahi Kasei verwendete Software vor.

 

Spritzguss-Simulation (Flow Warp-Analyse)

Hierbei handelt es sich um eine Simulation, um zu ermitteln, ob ein Fluss möglich ist, um die optimale Angussposition zu untersuchen, um Verzug vorherzusagen, um Formzyklen vorherzusagen, um die Formschließkraft vorherzusagen und um Kühlrohre mit guter Kühlleistung zu entwerfen. Sie wird auch als Harzspritzgussanalyse bezeichnet und ist eine gängige Analyse zur Analyse von Kunststoffprodukten im Produktdesign und beim Entwurf von Formspezifikationen.

Verformungen durch Verzug sind einer der schwerwiegendsten Formfehler. Verformungen werden durch ungleichmäßiges Schrumpfen des Harzes innerhalb der Kavität verursacht. Mit anderen Worten: Die Form des geformten Produkts und die Position des Angusses müssen so gestaltet sein, dass Temperatur und Druck innerhalb der Kavität gleichmäßig sind, und die Kühlrohre der Form müssen so angeordnet sein, dass es innerhalb der Form zu keinen Temperaturunterschieden kommt.

Typische Software sind „Moldflow“ von Autodesk, „Moldex3D“ von CoreTech System und „3D TIMON“ von Toray.
Asahi Kasei verwendet „Moldflow“, das eine hohe Durchdringungsrate aufweist.

 

Spannungsanalyse

Es wird verwendet, um das Ausmaß der Verformung, Spannung, Beanspruchung, das Vorhandensein oder Fehlen eines Versagens und die Versagenslast bei Belastung vorherzusagen. Beim mechanischen Design ist es notwendig, die Festigkeit des Produkts zu kennen, und es handelt sich um eine äußerst wichtige Analyse. Da eine Simulation möglich ist, bevor tatsächlich eine Probe erstellt und ein Festigkeitstest durchgeführt wird, verkürzt sich die Entwicklungszeit des Designs.

Die Spannungsanalyse wird in einem anderen Kapitel ausführlicher erläutert.

Typische Software sind „Abaqus“ von Dassault Systèmes, „NX Nastran“ von Siemens Software, „ANSYS“ von Ansys und „OptiStruct“ von Altair, aber die Vielfalt an Software ist groß.
Asahi Kasei verwendet „Abaqus“ und „Marc“ von Hexagon.

 

Wärmeübertragungsanalyse

Analysieren Sie, wie Wärme im Festkörper übertragen wird, und simulieren Sie die Temperaturverteilung. Analysieren Sie, wie Wärme in Teilen übertragen wird, an denen Wärme angewendet wird, und in Teilen, die mit wärmeerzeugenden Teilen in Kontakt stehen. Sie können die Wärmeisolierung und Wärmespeicherung von Materialien bewerten.

 

Thermische Spannungsanalyse

Vorhersage von Spannungen durch Temperaturschwankungen.

Wie in „2. Unterschiede zwischen Kunststoffen und Metallen – Temperaturverhalten“ in Teil 2 der CAE-Methode für Kunststoffe erwähnt, haben Kunststoffe einen höheren linearen Ausdehnungskoeffizienten als Metalle und sind stärker von thermischer Spannung betroffen. Beim Kombinieren von Materialien mit unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten ist besondere Vorsicht geboten.

Es ist auch möglich, eine gekoppelte Analyse durchzuführen, bei der die Temperaturverteilung in einer Wärmeübertragungsanalyse ermittelt und als Randbedingung in einer Spannungsanalyse verwendet wird.

Wärmeleitungsanalysen und thermische Spannungsanalysen können mit den meisten der oben genannten Spannungsanalyseprogramme berechnet werden.

 

Thermofluid-Analyse

Sagen Sie voraus, wie Fluide, wie Flüssigkeiten und Gase, in Objekte hinein- und aus ihnen herausfließen. Bei Produkten, die tatsächlich Wärme erzeugen, wird die Wärme nicht nur innerhalb des Festkörpers übertragen, sondern gelangt auch durch wärmeführende Fluide (Luft, Öl usw.) zu anderen Teilen. Solche Phänomene können nicht durch Wärmeleitungsanalyse analysiert werden, daher wird die thermische Fluidanalyse/Computational Fluid Dynamics (CFD) verwendet.

Auch wenn das Teil eine komplizierte Form aufweist, ist die Wärmefluidanalyse/Computational Fluid Dynamics (CFD) effektiv, da sich der Wärmeleitungskoeffizient und die Temperaturverteilung aufgrund der Konvektion der umgebenden Luft ändern.

Repräsentative Software umfasst „AcuSolve“ von Altair, „ANSYS Fluent“ von Ansys, „STAR-CCM+“ von Siemens Software und „Converge“ von Convergent Science.
Asahi Kasei verwendet „AcuSolve“.

 

Eigenwertanalyse (Eigenfrequenzanalyse)

Berechnen Sie die Eigenfrequenz und Eigenmodusform des Objekts.

Die Eigenfrequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, wenn ein Objekt (schwingendes System) frei schwingt. Die Eigenform ist die Form (Verformung) der Schwingung bei der Eigenfrequenz.

Wenn das Objekt resoniert, können Schäden oder Lärm auftreten. Resonanz ist ein Phänomen, bei dem Schwingungen durch externe Schwingungen, die der Eigenfrequenz eines Objekts entsprechen, stark verstärkt werden. Durch die Analyse der Eigenfrequenz kann die Frequenz ermittelt werden, bei der Resonanz wahrscheinlich auftritt. Diese Analyse wird verwendet, um Strukturen zu entwerfen, die keine Resonanz verursachen.

 

(Häufigkeits-)Antwortanalyse

Simulieren Sie die Verschiebung und Spannung, die bei der Anregung eines Objekts entstehen.

Wenn Resonanz auftritt, ist es möglich, die erzeugte Amplitude und Spannung zu ermitteln und die Wirkung von Maßnahmen gegen Resonanz zu prüfen.

Typische Software für die Eigenwertanalyse (Eigenfrequenzanalyse) und (Frequenz-)Antwortanalyse sind beispielsweise „Abaqus“ von Dassault Systèmes, „NX Nastran“ von Siemens Software und „LS-DYNA“ von Ansys.
Asahi Kasei verwendet „Abaqus“ und „Marc“ von Hexagon.

 

Zyklische Ermüdungsanalyse

Sagen Sie voraus, wie oft es bei wiederholter Belastung zu einem Ausfall kommt.

Wenn ein Objekt wiederholt einer Last ausgesetzt wird, kann sogar eine Spannung, die kleiner als seine statische Festigkeit ist, zum Versagen des Objekts führen. Dies wird als Ermüdungsbruch bezeichnet und kann mithilfe einer SN-Kurve ausgewertet werden.

Vor der Erstellung tatsächlicher Muster und der Durchführung von Haltbarkeitstests können Simulationen durchgeführt werden, was zu einer Verkürzung der Entwicklungszeit führt.

 

Kriechanalyse

Sagen Sie das Ausmaß der Kriechverformung nach einem bestimmten Zeitraum voraus.

Wie im 2. Kunststoff-CAE-Punkt „2. Unterschiede zwischen Kunststoffen und Metallen Viskoelastische Eigenschaften <Kriechen>“ erwähnt, sind Kunststoffe aufgrund ihrer viskosen Eigenschaften stark von Kriechbelastungen betroffen, sodass durch vorab durchgeführte Simulationen Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Dies wird auch zur Lebensdauervorhersage von Lötstellen verwendet.

 

Spannungsrelaxationsanalyse

Sagen Sie den Spannungswert nach einer bestimmten Zeit voraus. Wie in „2. Unterschiede zwischen Kunststoffen und Metallen – Viskoelastische Eigenschaften <Spannungsrelaxation>“ im 2. Kunststoff-CAE erläutert, ist Spannungsrelaxation ein Phänomen, das aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften von Kunststoffen auftritt.

Bei der Konstruktion von Teilen, die mit Schrauben oder Bolzen befestigt werden, oder Produkten, bei denen Reaktionskräfte durch absichtliche Verformungen erzeugt werden, wie z. B. Federn, ist Vorsicht geboten. Im Gegensatz zum Kriechen sind Veränderungen von außen nicht sichtbar, sodass eine Voranalyse Qualitätsproblemen vorbeugen kann.

 

Typische Software für zyklische Ermüdungsanalysen, Kriechanalysen und Spannungsrelaxationsanalysen sind „Abaqus“ von Dassault Systèmes, „NX Nastran“ von Siemens Software und „LS-DYNA“ von Ansys.
Asahi Kasei verwendet „Abaqus“ und „Marc“ von Hexagon.

 

Auswirkungsanalyse

Es simuliert zeitliche Belastung, Dehnung, Verschiebung, Beschleunigung usw., wenn ein Objekt kollidiert oder fällt. Wenn ein Objekt einen Aufprall erfährt, entsteht eine Spannung, die um ein Vielfaches höher ist als der statische Spannungswert, was zu Schäden und anderen Problemen führt.

Darüber hinaus ist es möglich, eine Auswertung durchzuführen, die die dynamischen Eigenschaften (Dehnungsratenabhängigkeit, viskoelastischer Effekt) berücksichtigt, die für das Material einzigartig sind. Die Dehnungsratenabhängigkeit ist eine Eigenschaft von Harzen, die besagt, dass die Materialeigenschaften je nach Verformungsrate stark variieren.

Es wird für Tests verwendet, bei denen die Kollisionsgeschwindigkeit von Autos usw. angenommen wird.

Typische Software ist „LS-DYNA“ von Ansys, „PAM-CRASH“ von ESI und „Radioss“ von Altair.
Asahi Kasei verwendet „LS-DYNA“.

 

Topologieoptimierung

Bei der Topologieoptimierung handelt es sich um ein System, das die optimale Form berechnet, indem es die im Nutzungsszenario des Produkts zu erwartenden strukturellen Einschränkungen, Belastungen und Randbedingungen angibt.

Es entstehen völlig neuartige, für den Menschen unvorstellbare Formen, die zu Produktdesigns führen, die nicht an bestehende Formen gebunden sind.

Man kann sagen, dass es sich um eine Technologie handelt, die aufgrund der Fortschritte in der Produktions- und Verarbeitungstechnologie, beispielsweise bei 3D-Druckern, in Zukunft immer mehr Aufmerksamkeit auf sich ziehen wird.

Zu den repräsentativen Softwareprodukten gehören „OptiStruct“ von Altair und „TOSCA“ von Dassault Systèmes.
Asahi Kasei verwendet „OptiStruct“.

Akustische Analyse

Wir analysieren und visualisieren verschiedene akustische Phänomene im Zusammenhang mit der Schallentstehung und -ausbreitung.

Neben der Verbesserung der Klangqualität von Audiogeräten wie Lautsprechern können auch Maßnahmen gegen unangenehme Geräusche wie Lärm von Industrieprodukten wie Motoren und Lüftern im Design berücksichtigt werden. Diese Analyse ist für die Entwicklung von Produkten mit hervorragenden akustischen Eigenschaften und Produkten, bei denen es auf Geräuscharmut ankommt, unverzichtbar.

Zu den repräsentativen Softwareprogrammen gehören „Actran“ von Hexagon und „Abaqus“ von Dassault Systèmes.
Asahi Kasei verwendet „Actran“.

 

Mechanistische Analyse

Bei einer normalen Analyse mit der Methode der finiten Elemente wird die Auswertung für einzelne Teile durchgeführt. Bei Produkten, die aus mehreren Teilen bestehen, ist es jedoch erforderlich, die Teile als Satz zu analysieren.

Bei der Mehrkörperdynamikanalyse ist es möglich, den Einfluss der Gelenkkraft mit anderen Teilen und der einwirkenden Kraft vorherzusagen und zu simulieren, welche Art von Kraft bei weiterer Bewegung einwirkt.

Es wird zur Bewertung mechanischer Systeme verwendet, bei denen mehrere Teile kompliziert miteinander verbunden sind, wie etwa bei Kraftfahrzeugen und Industrieanlagen.

Quelle: Modell im Video „Kontaktanalyse“, „Störungs- und Schadensanalyse“ (abgerufen am 26. Februar 2021).https://www.mscsoftware.com/product/marc

 

Typische Software ist „Simpack“ von Dassault Systèmes und „Adams“ von Hexagon.
Asahi Kasei verwendet „Adams“.

 

Abbildung der Faserorientierung

Bei der Entwicklung verstärkter Typen, bei denen Glasfasern mit Harz vermischt werden, muss die Faserorientierung berücksichtigt werden. Dies liegt daran, dass die Ausrichtung der Fasern entlang des Harzflusses bestimmt wird, was zu ungleichmäßigem Schrumpfen und Verziehen sowie zu Bereichen mit schwacher Festigkeit und Ausrichtung führt. Die Genauigkeit der Spannungsanalyse kann verbessert werden, indem Informationen zu Faserrichtung und -orientierung aus den Ergebnissen der Spritzgussanalyse abgebildet und in eine andere Analysesoftware übertragen werden.

Quelle: Faserorientierungs-Mapping-Modell auf der Hexagon-Website (16. Januar 2023)

 

Eine repräsentative Software ist „Digimat“ von Hexagon.
Asahi Kasei verwendet „Digimat“.

 

Nächster Teil: „Spritzguss-Simulation – Was ist Spritzguss?“​