2018 FunctionBay GmbH - Qucosa

ⓒ 2018 FunctionBay GmbH


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FunctionBay Firmenprofil

Grundlagen

Koppelung RecurDyn - KISSsoft

Abbildung der Modellumgebung

Agenda

5 Zusammenfassung


❶ FunctionBay GmbH

Hauptsitz: München

Fokus: Vertrieb von RecurDynEngineering Service in Europa

Kunden:Maschinenbau, Mechatronik, Automobilbau und –zulieferer, Verpackungstechnik, Papiertransport usw.

Technischer Service:

Hotline, Internet Foren, …

Training (RecurDyn spezifisch, General MBD/FEM, Regelungstechnik, Training on the Job…)

Consulting (Anpassung und Automatisierung von RecurDyn, Projektarbeit….)

Entwicklung von RecurDyn Zusatzmodulen (Ketten-/Riemen-/Verzahnunggsimulation,MaschineTool...) und MFBD Komponenten in Zusammenarbeit mit Industriepartnern

Firmenprofil

FunctionBay Japan

Taiwan Auto-Design CADMEN CO.

FunctionBay China

Leap australia pty ltd

FunctionBay USA

FunctionBay Korea

FunctionBay GmbH Europe

Central TowerMünchen


❶ Mehrkörpersimulation

Teilbereich CAE

Simulation von räumlich bewegten, massebehafteten Strukturen

Einschränkung der Freiheitsgrade durch Constraints (Zwangsbedingungen)

Verbindung der Bauteile durch Kraftelemente bzw. Kontaktelemente

Grundlagen

❷ Ergebnisse der Mehrkörpersimulation

Funktionsüberprüfung von Bewegungsabläufen in virtueller Umgebung

Beurteilung der Systemdynamik (z.B. Maschinenschwingungen, Resonanzen, …)

Berechnung von Schnittlasten für die Bauteildimensionierung

Dynamische Spannungsberechnung bei der Verwendung von flexiblen Strukturen

Realistische Visualisierung von Bewegungsabläufen


❶ Getriebesimulation

Anforderungen an eine NVH – Zahnradgetriebesimulation in der MKS:

NVH: Noise – Vibration – Harshness

Ausreichend genaue Abbildung der Steifigkeitsverteilungen Abplattung im Zahnkontakt Zahnbiegung Verformung des Zahnradkranzes, ….

Ausreichend genaue Abbildung der Zahnkontakte Zahngeometrie

Hohe numerische Effizienz, Berechnungen sind je nach Aufgabenstellungen mehrere hundert tausend mal in jeder einzelnen Simulation durchgeführt werden.

Abbildung der Umgebung:

Wellen

Lagerung

Gehäuse

Grundlagen


❷ Getriebesimulation

Kontaktelemente in der Mehrkörpersimulation

Starrkörperkontakt mit Straftermansatz

Formänderungsenergie muss in einer künstlichen, einseitig wirkenden Feder zwischen gespeichert werden

Energiedissipation wird durch ein zusätzliches Dämpferelement erreicht

Formel für die Kontakt-kraftberechnung

Kontaktparameter (K, D, m, n, i) sind während der Simulation unveränderbar

Grundlagen

g

Ԧ𝑣 = 0Ԧ𝑣 > 0

M

𝛿

K D K

Ԧ𝑣 < 0

M

𝐹(𝛿, ሶሶ𝛿) = 𝐹𝑠+𝐹𝐷= 𝐾𝛿𝑚 + 𝐷ሶ𝛿

ሶ𝛿ሶ𝛿𝑛𝛿𝑖


❸ Getriebesimulation

Bestimmung der Kontaktpunkte

3D–Kontaktsimulation: Verwendung der original CAD–Geometrie ineffizient

Berechnung des lokalen Kontaktpunktes, der Kontaktnormalen sowie der theoretischen Eindringtiefe auf Basis einer triangulierten Oberfläche

„Kontaktrauschen“ bei NVH-Untersuchungen unerwünscht Erhöhung der Anzahl der Kontaktdreiecke höhere Genauigkeit Erhöhung der Rechenzeiten

Grundlagen


❹ Getriebesimulation

Nachgiebigkeit mittels FE-Strukturen

Nichtlinearer FE – Ansatz: Zahnsteifigkeiten können abgebildet werden

Berücksichtigung der lokalen Abplattungen erfordert ein sehr feines Netz

Oberflächendiskretisierung mit Finiten Elementen (Mesh) führt zu Kontaktrauschen

Grundlagen


❺ Fazit - Modellierung

Einfache Übersetzung

Sehr gut mit MKS-Tools abbildbar mittels kinematischer Zwangsbedingung Coupler

Steifigkeitsbehaftete Übersetzung

Konstante Steifigkeit Drehfeder mit Steifigkeitskoeffizient

Steifigkeit in Abhängigkeit der Eindringtiefe Drehfeder mit Steifigkeitsspline (Kraft-Weg-Zusammenhang)

Gekoppelte Steifigkeit (Drehung, Verkippung...) Matrix-Force (6x6)

Verdrehwinkelabhängige Steifigkeit User Subroutine

Verzahnungsgeometrie

Kontaktdefinition 2D CurveToCurve Kontaktelement (Zahnspiel)

Ausschließlich für geradverzahnte Getriebe

Kontaktdefinition 3D 3D-geometriebasierte Kontaktelemente

Verrauschte Ergebnisse auf Grund der Diskretisierung

Grundlagen

Verbindung zu speziellem Tool für Design und Berechnung von Verzahnungen im

speziellen und Maschinenelementen im Allgemeinen Beispiel: KISSsoft


❶ 1D-Kopplung

1D: Als Freiheitsgrad der Verzahnung wird ausschließlich der axiale Winkel der Zahnräder sowie zueinander das Lastmoment betrachtet

Vorberechnung der Verzahnungssteifigkeit innerhalb von KISSsoft

Definition der Verzahnungspaarung in KISSsoft

Berechnung der Verzahnungssteifigkeiten im Contact Analysis Module in Abhängigkeit des anliegenden Moments und des relativen Dreh-winkels der Zahnräder. Feinheit der Berechnung ist frei wählbar.

Export des berechneten Kennfeldes im ASCII – Format an RecurDyn, sowie zweier Step –Files zur Visualisierung der Verzahnungspartner

Anzahl der Freiheitsgrade ist grundsätzlich erweiterbar, allerdings wächst der Berechnungsaufwand sowie die Dateigröße überproportional mit der Anzahl der zulässigen Freiheitsgrade zwischen den Zahnrädern



❷ 1D-Kopplung

Umsetzung im MKS – System

Import der Zahnrad Geometrien und des vorberechneten Kennfeldes

Umsetzung als 12 dimensionales Kraftelement, welches speziell für das KISSsoft – Interface entwickelt wurde 6 DOF‘s für Aktio- und 6 DOF‘s für Reaktio-Bauteil

Multidimensionale Interpolation des Kennfeldes über eine User – Subroutine


Geometrie *.stepKISSsoft RecurDyn

Steifigkeits-

Kennfeld


❸ 1D-Kopplung

Fragestellung:

Anregung von Gehäusefrequenzen durch ein zweistufiges Getriebe mit Schrägverzahnung

Vorteil eines vereinfachten Modells: Systemantworten können manuell einfach nachvollzogen werden


KISSsoft KISSsoft – RecurDyn

Interface

RecurDyn


❹ 1D-Kopplung

Modellaufbau


2. Getriebestufe1. Getriebestufe

Wellenabbildung als

Beam Element

Lagerabbildung als

Matrix Force

Gehäuse als modal reduzierte

Körper (RD/RFLEX)


❺ 1D-Kopplung

Ergebnis:

Drehzahlhochlauf gegen ein konstantes Drehmoment von M = 50Nm

Output: Beschleunigungssensor am Gehäuse


Besc

hle

un

igu

ng

[m

m/s

²]

Fre

qu

en

z [1

/s]


❻ 1D-Kopplung

Ordnungsanalyse


Senkrechte Linien:

Drehzahlproportionale

Ordnungspegel

Hyperbelartige Linien:

Strukturresonanzen

Mode # Frequenz

4 838 Hz

5 846 Hz


❼ 1D-Kopplung

Vorteile:

Kurze Berechnungszeiten, da auf der Seite des MKS – Programms nur noch in KISSsoft vorberechnete Daten interpoliert werden müssen

Das ASCII Kennfeld beschreibt ein-eindeutig die 1D-Verzahnungscharakteristik unter den berechneten Annahmen (DOF‘s). Keine KISSsoft Lizenz für die Verwendung im MKS-Programm notwendig

Anwendungsbereich

NVH – Problematiken, die auf Drehschwingung zurückzuführen sind, verursacht durch Steifigkeitsänderungen bei Eingriffswechsel bzw. durch Eingriffsstöße.

2D-Kopplung (z. B. axialer Winkel und Schiefstellung der Achsen)

Berechnen des Betriebspunktes im MKS-System aufgrund des anfänglichen Steifigkeitskennfeldes. Update des Steifigkeitskennfeldes in KISSsoft mit neu berechneter Zahnradachslage.



❶ 3D-Kopplung

Für NVH-Fragestellungen bei Getriebesimulationen, bei denen mehr als 2 Freiheitsgrade zwischen den Verzahnungspartnern von Bedeutung sind

Lösungsansatz: Berechnung der aktuellen Reaktionskräfte bzw. Momente über Co – Simulation unter Verwendung der KISSsoft COM-Schnittstelle

Herausforderung:

Solver-Stabilität auf der MKS Seite hängt entscheidend von der Kontinuität der Austauschdaten ab. Für die Berechnung der Jakobi – Matrix muss die aktuelle Zahnradlage pertubiert werden.

Geschwindigkeit für einen Berechnungsschritt im KISSsoft COM – Interface ist ein entscheidender Faktor für die numerische Effizienz der Getriebesimulation



❷ 3D-Kopplung

Testbeispiel 3D – Kopplung / Validierung


Drehwinkelabweichung

in KISSsoft mit 51 Scheiben

Drehwinkelabweichung

in RecurDyn

Schrägverzahnung:

Extremtest mit sehr großer Achs-

abstandsänderung


❶ Lager- und Wellensteifigkeiten

Bei vielen Anwendungsfällen müssen bei einer NVH – Simulation von Zahnrad-getrieben auch die Lagersteifigkeiten und Wellenelastizitäten berücksichtigt werden

Umsetzung im MKS-Tool:

Wellensteifigkeiten

Grundlage: CAD-Geometrie

Diskretisierter Starrkörperansatz mit Timoshenko-Beam-Elementen effektive Anwendung nur bei konstantem Wellenquerschnitt

FE-Methode: vernetzen der CAD-Geometrie, modale Reduktion In Abhängigkeit der Anzahl der verwendeten Moden ausreichende Genauigkeit

Lagersteifigkeiten:

3D-Federelement mit 3 translatorischen und drei rotatorischenSteifigkeiten ausschl. Hauptdiagonale besetzt keine Koppelung

Matrix-Force-Element voll besetzte Steifigkeitsmatrix Linear

spezielle Tools zur Lagerberechnung (z. B. Bearinx®)



❶ Lager- und Wellensteifigkeiten

Bei vielen Anwendungsfällen müssen bei einer NVH – Simulation von Zahnrad-getrieben auch die Lagersteifigkeiten und Wellenelastizitäten berücksichtigt werden

Grundsätzlich können diese Funktionalitäten auch im MKS – Programm definiert werden, es ist aber komfortabler und prozesssicherer diese bereits aus KISSsys zu übernehmen


Mo

dellau

fbau

Flexible Bodies

Sim

ula

tio

n

Ergebnisse

KISSsys

Shafts

Bearings

Gear Pairs

(*.z12)

KISSsoft

File E

xpo

rt

File P

ars

ing


❷ Lager- und Wellensteifigkeiten

Umsetzung von KISSsys Wellenelementen bzw. Lagern im MKS – Programm


Umsetzung als Matrix-

Force (Linearisierung

um den Arbeitspunkt)

oder als nichtlineare

Kennlinien


NVH-Berechnungen von Zahnradgetrieben ist mit den klassischen Mehrkörpersimulationsprogramm mit großen Schwierigkeiten verbunden

Mögliche Lösung besteht in der Kopplung eines MKS-Programms mit einem Zahnradberechnungsprogramm wie z.B. KISSsoft

1-Dimensionale Kopplung für Drehschwingungen mit festen Achslagen

3-Dimensionale Kopplung für den allgemeinen Fall (variable Achslagen)

Interface zu KISSsys um auch die Verzahnungsumgebung (Wellen, Lager) mit berücksichtigen zu können

Ansatz kombiniert die Stärken eines MKS-Programms mit den Stärken von KISSsoft

Geeignetes Interface gewährleistet die Prozesssicherheit

Zusammenfassung

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