An Introduction to Flow Analysis - solidworks.com

38 Pages·2011·1.79 MB·English

Konstruktionstechnik
und Technologie
An Introduction to Flow Analysis
Applications with SolidWorks
Flow Simulation (Eine
Einführung in Anwendungen der
Strömungsanalyse mit
SolidWorks Flow Simulation)
Arbeitsbuch für Kursteilnehmer
Dassault Systèmes - SolidWorks Corporation Außerhalb der USA: [phone]
300 Baker Avenue Fax: [phone]
Concord, Massachusetts 01742, USA E-Mail: [e-mail]
Tel.: [phone] Internet: http://www.solidworks.com/education
© 1995 – 2010, Dassault Systèmes SolidWorks Corporation, KOMMERZIELLE COMPUTER-
ein Unternehmen der Dassault Systèmes S.A.-Gruppe, SOFTWARE – EIGENTUMSRECHTE
300Baker Avenue, Concord, Mass. 01742, USA. Eingeschränkte Rechte der US-Regierung. Die Verwendung,
AlleRechtevorbehalten. Duplizierung oder Veröffentlichung durch die US-Regierung
unterliegt den Beschränkungen gemäß der Definition in FAR
52.227-19 (Commercial Computer Software - Restricted
Die Informationen in diesem Dokument sowie die behandelte
Rights), DFARS 227.7202 (Commercial Computer Software
Software können ohne Ankündigung geändert werden und
and Commercial Computer Software Documentation) und im
stellen keine Verpflichtungen seitens der Dassault Systèmes
Lizenzabkommen, wie zutreffend.
SolidWorks Corporation (DS SolidWorks) dar.
Lieferant/Hersteller:
Es ist untersagt, Material ohne ausdrückliche schriftliche Dassault Systèmes SolidWorks Corporation, 300 Baker
Genehmigung von DS SolidWorks in irgendeiner Form oder Avenue, Concord, Massachusetts 01742, USA
auf irgendeine Weise, elektronisch oder manuell, für welchen
Zweck auch immer, zu vervielfältigen oder zu übertragen. Copyright-Vermerke für die Produkte SolidWorks
Die in diesem Dokument behandelte Software wird unter einer Standard, Premium, Professional und Education
Lizenz ausgeliefert und darf nur in Übereinstimmung mit den Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Lizenzbedingungen verwendet und kopiert werden. Alle Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.,
Gewährleistungen, die von DS SolidWorks in Bezug auf die ©1986 – 2010. Alle Rechte vorbehalten.
Software und Dokumentation übernommen werden, sind im Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Lizenzvertrag festgelegt, und nichts, was in diesem Dokument Siemens Industry Software Limited, © 1986 – 2010. Alle
aufgeführt oder durch dieses Dokument bzw. dessen Inhalt Rechte vorbehalten.
impliziert ist, darf als Modifizierung oder Änderung Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
irgendwelcher Bedingungen (einschließlich Geometric Ltd., © 1998 – 2010.
Gewährleistungen) in diesem Lizenzvertrag betrachtet werden. Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Microsoft Corporation, © 1996 – 2010. Alle Rechte vorbehalten.
Patenthinweise
Teile dieser Software beinhalten PhysX™ und sind
Die mechanische 3D CAD-Software von SolidWorks® ist urheberrechtlich geschützt durch NVIDIA, © 2006 – 2010.
durch die US-amerikanischen Patente 5.815.154, 6.219.049, Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
6.219.055, 6.611.725, 6.844.877, 6.898.560, 6.906.712, Luxology, Inc., © 2001 – 2010. Alle Rechte vorbehalten,
7.079.990, 7.477.262, 7.558.705, 7.571.079, 7.590.497, Patente angemeldet.
7.643.027, 7.672.822, 7.688.318, 7.694.238 und 7.853.940 Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
sowie durch Patente anderer Länder (z. B. EP 1.116.190 und DriveWorks Ltd., © 2007 – 2010.
JP 3.517.643) geschützt. Urheberrechtlich geschützt durch Adobe Systems Inc. und
Die Software eDrawings® ist durch die US-amerikanischen seinen Lizenzgebern, © 1984 – 2010. Alle Rechte vorbehalten.
Patente 7.184.044 und 7.502.027 sowie das kanadische Patent Geschützt durch die US-amerikanischen Patente 5.929.866,
2.318.706 geschützt. 5.943.063, 6.289.364, 6.563.502, 6.639.593 und 6.754.382.
Patente angemeldet.
Weitere US-amerikanische Patente und Patente anderer
Adobe, das Adobe Logo, Acrobat, das Adobe PDF Logo,
Länder angemeldet.
Distiller und Reader sind eingetragene Marken oder Marken
von Adobe Systems Inc. in den USA und/oder anderen Ländern.
Markenhinweise und Produktnamen für SolidWorks
Weitere Copyright-Informationen finden Sie in SolidWorks
Produkte und Dienstleistungen
unter Hilfe > SolidWorks Info.
SolidWorks, 3D PartStream.NET, 3D ContentCentral, Copyright-Vermerke für SolidWorks Simulation
eDrawings und das eDrawings Logo sind eingetragene Produkte
Marken und FeatureManager ist eine eingetragene
Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Gemeinschaftsmarke von DS SolidWorks.
die Solversoft Corporation, © 2008.
CircuitWorks, Feature Palette, FloXpress, PhotoWorks, PCGLSS © 1992 – 2007, Computational Applications and
TolAnalyst und XchangeWorks sind Marken von DS System Integration, Inc. Alle Rechte vorbehalten.
SolidWorks. Copyright-Vermerke für das Produkt Enterprise PDM
FeatureWorks ist eine eingetragene Marke von Geometric Outside In® Viewer Technology ist urheberrechtlich geschützt
Software Solutions Ltd. durch Oracle, © 1992 – 2010.
© Copyright 1995 – 2010, Oracle. Alle Rechte vorbehalten.
SolidWorks 2011, SolidWorks Enterprise PDM, SolidWorks
Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Simulation, SolidWorks Flow Simulation und eDrawings
Microsoft Corporation, © 1996 – 2010. Alle Rechte vorbehalten.
Professional sind Produktnamen von DS SolidWorks.
Copyright-Vermerke für eDrawings Produkte
Andere Marken- oder Produktbezeichnungen sind Marken
Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
oder eingetragene Marken der jeweiligen Eigentümer.
Tech Soft 3D, © 2000 – 2010.
Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Jean-Loup Gailly und Mark Adler, © 1995 – 1998.
Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
3Dconnexion, © 1998 – 2001.
Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Open Design Alliance, © 1998 – 2010. Alle Rechte
vorbehalten.
Teile dieser Software sind urheberrechtlich geschützt durch
Spatial Corporation, © 1995 – 2009.
Diese Software basiert zum Teil auf der Arbeit der
Independent JPEG Group.
Dokumentnummer: PMS0419-DEU
i
Einführung
Zu diesem Kurs
Der Kurs Einführung in Anwendungen der Strömungsanalyse mit SolidWorks Flow
Simulation und das Begleitmaterial sollen Ihnen helfen, die Verwendung von SolidWorks
Flow Simulation in einem schulischen Umfeld zu erlernen.
Online-Lehrbücher
Der Kurs Einführung in Anwendungen der
Strömungsanalyse mit SolidWorks Flow Simulation stellt
eine Begleitdokumentation dar und wird durch die
SolidWorks Flow Simulation Online-Lehrbücher ergänzt.
Zugriff auf die Lehrbücher
Um die Online-Lehrbücher zu starten, klicken Sie auf
Help, SolidWorks Simulation, Flow Simulation Online
Tutorial (Hilfe, SolidWorks Simulation, Flow Simulation-
Online-Lehrbuch). Dadurch wird ein Flow Simulation-
Lehrbuchdokument geöffnet.
SolidWorks Simulation Produktreihe
Dieser Kurs konzentriert sich auf die Einführung in die dynamische Analyse von
Starrkörpern mit SolidWorks Motion Simulation. Die vollständige Produktreihe deckt
jedoch noch weitere wichtige Analysebereiche ab. In den folgenden Abschnitten werden
alle SolidWorks Simulation Pakete und Module kurz vorgestellt.
Mit statischen Studien können lineare Spannungsanalysen
von Teilen und Baugruppen ausgeführt werden, die
statischen Lasten ausgesetzt sind. Dieser Studientyp
liefertz.B. Antworten auf folgende typische Fragen:
Hält das Teil den normalen Betriebslasten stand?
Ist das Modell überdimensioniert?
Kann der Sicherheitsfaktor durch Konstruktionsänderungen
erhöht werden?
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 1
SolidWorks Einführung
Konstruktionstechnik und Technologie
Durch Knickstudien kann die Leistung von dünnen Teilen unter Stauchung
analysiert werden. Dieser Studientyp liefert z. B. Antworten auf folgende
typische Fragen:
Die Standfüße des Kessels halten den Fließkräften stand. Sind sie jedoch auch
stark genug ausgelegt, um bei einem Stabilitätsverlust nicht zu versagen?
Kann mit Änderungen an der Konstruktion die Stabilität der dünnen
Komponenten in der Baugruppe sichergestellt werden?
Mit Frequenzstudien können die Eigenschwingungen und -
frequenzen analysiert werden. Eine solche Analyse ist nicht nur
in der allgemeinen Konstruktion, sondern auch bei vielen
statisch oder dynamisch belasteten Komponenten wichtig.
Dieser Studientyp liefert z. B. Antworten auf folgende typische
Fragen:
Schwingt das Teil unter den normalen Betriebslasten?
Eignen sich die Komponenten aufgrund ihrer
Schwingungseigenschaften für die vorgesehene Anwendung?
Können die Schwingungseigenschaften durch Konstruktionsänderungen verbessert
werden?
Mit thermischen Studien kann die Wärmeübertragung
aufgrund von Leitung, Konvektion und Strahlung analysiert
werden. Dieser Studientyp liefert z. B. Antworten auf
folgende typische Fragen:
Haben die Temperaturänderungen Auswirkung auf das
Modell?
Wie verhält sich das Modell in einer Betriebsumgebung mit
Temperaturschwankungen?
Wie lange dauert es, bis das Modell abkühlt oder überhitzt?
Führen Temperaturänderungen zur einer Ausdehnung des Modells?
Führen die durch die Temperaturänderung verursachten Spannungen zum Versagen des
Produkts? (Zur Beantwortung dieser Frage wird in der Regel eine Kombination aus
statischen und thermischen Studien durchgeführt.)
Mit Fallprüfungsstudien wird die Belastung von
beweglichen Teilen oder Baugruppen beim Aufprall
aufeinHindernis analysiert. Dieser Studientyp liefert
z.B.Antworten auf folgende typische Fragen:
Was passiert, wenn das Produkt während des Transports
nicht ordnungsgemäß behandelt oder fallen gelassen wird?
Wie verhält sich das Produkt beim Aufprall auf einen harten
Holzfußboden, einen Teppichboden oder einen
Betonboden?
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 2
SolidWorks Einführung
Konstruktionstechnik und Technologie
Optimierungsstudien werden verwendet, um die Ausgangskonstruktion
auf der Grundlage ausgewählter Kriterien, wie z. B. maximale Spannung,
Gewicht, optimale Frequenz usw., zu verbessern (optimieren). Dieser
Studientyp liefert z. B. Antworten auf folgende typische Fragen:
Kann die Form des Modells unter Beibehaltung des Entwurfsplans
geändert werden?
Kann die Konstruktion leichter, kleiner oder kostengünstiger gemacht
werden, ohne dass sich dies auf die Leistungsfähigkeit auswirkt?
Mit Ermüdungsstudien kann die Beständigkeit von Teilen
und Baugruppen analysiert werden, die über längere
Zeiträume wiederholt belastet werden. Dieser Studientyp
liefert z. B. Antworten auf folgende typische Fragen:
Kann die Lebensdauer des Produkts genau bestimmt werden?
Lässt sich die Lebensdauer des Produkts durch Änderungen
an der aktuellen Konstruktion verlängern?
Hält das Modell Kraft- oder Temperaturschwankungen über
längere Zeiträume stand?
Können Konstruktionsänderungen zu einer Minimierung der durch Kraft- oder
Temperaturschwankungen verursachten Schäden beitragen?
Mit nichtlinearen Studien kann die Spannung in Teilen oder Baugruppen
analysiert werden, die extremen Belastungen und/oder großen
Verformungen unterliegen. Dieser Studientyp liefert z. B. Antworten auf
folgende typische Fragen:
Funktionieren Teile aus Gummi (wie z. B. O-Ringe) wie erwartet unter
der gegebenen Belastung?
Kommt es unter den normalen Betriebsbedingungen zu einer
übermäßigen Durchbiegung des Modells?
Mit dynamischen Studien werden Objekte analysiert, die
zeitabhängigen Lasten unterliegen. Typische Beispiele dafür sind
Fahrzeugkomponenten, die Stoßbeanspruchungen unterliegen,
Turbinen, die Schwingungskräften unterliegen,
Flugzeugkomponenten, die zufällig einwirkenden Kräften
unterliegen, usw. Sowohl lineare (kleine strukturelle Verformungen,
Grundmaterialmodelle) als auch nichtlineare Analysen (große strukturelle Verformungen,
extreme Belastungen und erweiterte Modelle) stehen hier zur Verfügung. Dieser
Studientyp liefert z. B. Antworten auf folgende typische Fragen:
Halten die Aufhängungen der Stoßbeanspruchung stand, wenn das Fahrzeug durch ein
großes Schlagloch in der Straße fährt? Wie groß ist die Verformung unter diesen
Umständen?
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 3
SolidWorks Einführung
Konstruktionstechnik und Technologie
Mit Motion Simulation kann das kinematische und dynamische
Verhalten von Mechanismen analysiert werden. Die Verbindungs- und
Trägheitskräfte können anschließend in SolidWorks Simulation Studien
übertragen werden, um die Spannungsanalyse durchzuführen. Dieses
Modul liefert z. B. Antworten auf folgende typische Fragen:
Welche Größe muss der Motor oder Antrieb für die Konstruktion haben?
Ist die Konstruktion der Verknüpfungs-, Zahnrad- oder
Riegelmechanismen optimal?
Welche Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigen haben die
Mechanismuskomponenten?
Ist der Mechanismus effizient? Kann sie verbessert werden?
Mit dem Modul für Verbundstoffe können Strukturen aus
Schichtverbundstoffen simuliert werden.
Dieses Modul liefert z. B. Antworten auf folgende typische
Fragen:
Versagt das Verbundstoffmodell unter der gegebenen
Belastung?
Kann die Struktur mithilfe von Verbundstoffmaterialien
leichter gemacht werden, ohne dass dadurch die Festigkeit und Sicherheit beeinträchtigt
werden?
Lösen sich die Schichten des Schichtverbunds allmählich auf?
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 4
1
Grundlegende Funktionen von SolidWorks Flow
Simulation
Ziele dieser Lektion
Nach erfolgreichem Abschluss dieser Lektion werden Sie in der Lage sein, die
grundlegenden Funktionen von SolidWorks Flow Simulation zu verstehen und eine
hydraulische Analyse des nachfolgend abgebildeten Teils durchzuführen.
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 5
Grundlegende Funktionen von SolidWorks Flow Simulation
Aktive Lernübung – Bestimmung des hydraulischen Druckverlusts
Verwenden Sie SolidWorks Flow Simulation
zurDurchführung einer internen
Fluidströmungsanalyse des rechts abgebildeten
Teils Valve.SLDPRT.
Die schrittweise Anleitung ist nachfolgend
beschrieben.
Öffnen des Dokuments Valve.SLDPRT
1 Klicken Sie auf File, Open (Datei, Öffnen). Navigieren Sie im Dialogfeld Open
(Öffnen) zum Teil Valve.SLDPRT, das sich im entsprechenden Unterordner des
Ordners SolidWorks Curriculum_and_Courseware_2011 befindet, und
klicken Sie auf Open (Öffnen) (oder doppelklicken Sie auf das Teil).
Überprüfen des Menüs „SolidWorks Flow Simulation“
Wenn SolidWorks Flow Simulation
ordnungsgemäß installiert ist, wird das
Menü Flow Simulation in der Menüleiste
Menü „SolidWorks Flow
von SolidWorks angezeigt. Andernfalls
verfahren Sie wie folgt:
1 Klicken Sie auf Tools, Add-Ins (Extras, Zusatzanwendungen).
Das Dialogfeld Add-Ins (Zusatzanwendungen) wird angezeigt.
2 Aktivieren Sie die Kontrollkästchen neben SolidWorks Flow Simulation.
Wenn SolidWorks Flow Simulation nicht in der Liste aufgeführt ist, müssen Sie dieses
Programm zuerst installieren.
3 Klicken Sie auf OK. Das Menü Flow Simulation (Strömungssimulation) wird in der
Menüleiste von SolidWorks angezeigt.
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 6
Grundlegende Funktionen von SolidWorks Flow Simulation
Modellbeschreibung
Es handelt sich um ein Kugelventil. Mit dem
Einstellhebel wird das Ventil geöffnet oder
geschlossen.
Einstellhebel
Der hydraulische Druckverlust (oder Widerstand), Auslass
der von einem in einem Rohrleitungssystem
eingebauten Kugelventil verursacht wird, hängt von
den Ventilabmessungen und der Stellung des
Einstellhebels ab. Das Verhältnis von Kugel- zu
Rohrdurchmesser bestimmt den Winkel des
Einlass
Einstellhebels, bei dem das Ventil geschlossen wird.
Standardmäßig wird der hydraulische Widerstand eines Hindernisses im Rohr (in diesem
Fall ist der Widerstand ein Ventil) wie folgt definiert: Differenz aus dem Gesamtdruck vor
und hinter dem Hindernis (wo die Strömung nicht vom Hindernis beeinträchtigt wird)
dividiert durch die dynamische Druckhöhe des einströmenden Fluids, wobei der
hydraulische Widerstand aufgrund der Reibung im Rohrabschnitt von der dynamischen
Druckhöhe subtrahiert wird.
In diesem Beispiel ermitteln wir den lokalen hydraulischen Widerstand des Kugelventils,
dessen Einstellhebel auf 40o gedreht ist. Die Ventilanalyse stellt eine typische interne
SolidWorks Flow Simulation-Analyse dar.
Hinweis: Bei internen Strömungsanalysen treten Fluide am Einlass in das Modell ein,
und am Auslass wieder aus. Bei Analysen der natürlichen Konvektion, die
möglicherweise keine Öffnungen umfassen, handelt es sich dagegen nicht
um interne Strömungsanalysen.
Damit eine interne Analyse vorgenommen werden kann, müssen alle Modellöffnungen
mit Deckeln geschlossen werden. Die Deckel werden benötigt, um Einlass- und
Auslassströmungs-Randbedingungen für die Öffnungen festzulegen. Der mit einem
Fluidgefüllte interne Modellraum muss in jedem Fall vollständig abgeschlossen sein.
DieDeckel stellen einfach zusätzliche Extrusionen dar, die die Öffnungen abdecken.
DieDeckel können manuell und automatisch erstellt werden. Unter werden beide
Verfahren angegeben.
Manuelles Erstellen von Deckeln
So erstellen Sie einen Einlassdeckel:
1 Wählen Sie die Fläche wie in der Abbildung gezeigt.
2 Klicken Sie in der Skizzieren-Symbolleiste auf
Sketch (Skizzieren) .
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 7
Grundlegende Funktionen von SolidWorks Flow Simulation
3 Wählen Sie die innere Kante des Rohrs.
4 Klicken Sie in der Skizzieren-Symbolleiste auf das Symbol für
Elemente konvertieren . Klicken Sie im PropertyManager
Convert Entities (Elemente konvertieren) auf , nachdem das
Element konvertiert wurde.
5 Klicken Sie oben rechts im Grafikfenster im Bestätigungs-Eckfeld für die Skizze auf
OK , um die Skizze fertig zu stellen.
6 Klicken Sie in der Features-Symbolleiste auf das Symbol für
Extruded Boss/Base (Linear ausgetragener Aufsatz) .
7 Ändern Sie im PropertyManager Extrude Feature (Linear
austragen) die Einstellungen wie in der Abbildung gezeigt.
• Endbedingung = Mid Plane (Mittig)
• Tiefe = 0,005 m
8 Klicken Sie auf , um den Einlassdeckel zu erstellen.
Auf gleiche Weise wird nun der Auslassdeckel erstellt.
Erstellen eines Auslassdeckels
1 Wählen Sie die Fläche wie in der Abbildung gezeigt.
2 Klicken Sie in der Skizzieren-Symbolleiste auf
Sketch(Skizzieren) .
3 Wählen Sie die innere Kante des Rohrs.
4 Wiederholen Sie die Schritte 3 bis 8, um den Deckel für den
Auslass zu erstellen.
5 Benennen Sie die neuen Austragungen Extrude1 (Linear
austragen1) und Extrude2 (Linear austragen2) in Inlet
Lid (Einlassdeckel) und Outlet Lid (Auslassdeckel) um.
Sind Sie sich nicht sicher, dass die Deckel korrekt erstellt wurden? Dann können Sie
einfach mit SolidWorks Flow Simulation das Modell auf mögliche Geometrieprobleme
prüfen.
SolidWorks Flow Simulation Arbeitsbuch für Kursteilnehmer 8