Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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In situ condition monitoring of rotary shaft seals could significantly improve the reliability of future seals in numerous applications. A superficial application of strain gauges capturing the state of deformation could offer a cost-effective retrofit solution for indirect measurements of central operational parameters. Within a simulative investigation of the sealing system, possible sensor positions for determination of the preload as well as the friction torque prevailing in the sealing contact are therefore identified as two parameters directly related to the operating condition. Further investigations of the potential sensor signal with focus on its time-dependent behavior prove the theoretical feasibility of the measurement concepts developed and provide promising prospects for an initial technical implementation.
This work presents a framework for the computation of complex geometries containing intersections of multiple patches with Reissner-Mindlin shell elements. The main objective is to provide an isogeometric finite element implementation which neither requires drilling rotation stabilization, nor user interaction to quantify the number of rotational degrees of freedom for every node. For this purpose, the following set of methods is presented. Control points with corresponding physical location are assigned to one common node for the finite element solution. A nodal basis system in every control point is defined, which ensures an exact interpolation of the director vector throughout the whole domain. A distinction criterion for the automatic quantification of rotational degrees of freedom for every node is presented. An isogeometric Reissner-Mindlin shell formulation is enhanced to handle geometries with kinks and allowing for arbitrary intersections of patches. The parametrization of adjacent patches along the interface has to be conforming. The shell formulation is derived from the continuum theory and uses a rotational update scheme for the current director vector. The nonlinear kinematic allows the computation of large deformations and large rotations. Two concepts for the description of rotations are presented. The first one uses an interpolation which is commonly used in standard Lagrange-based shell element formulations. The second scheme uses a more elaborate concept proposed by the authors in prior work, which increases the accuracy for arbitrary curved geometries. Numerical examples show the high accuracy and robustness of both concepts. The applicability of the proposed framework is demonstrated.
An isogeometric Reissner-Mindlin shell derived from the continuum theory is presented. The geometry is described by NURBS surfaces. The kinematic description of the employed shell theory requires the interpolation of the director vector and of a local basis system. Hence, the definition of nodal basis systems at the control points is necessary for the proposed formulation. The control points are in general not located on the shell reference surface and thus, several choices for the nodal values are possible. The proposed new method uses the higher continuity of the geometrical description to calculate nodal basis system and director vectors which lead to geometrical exact interpolated values thereof. Thus, the initial director vector coincides with the normal vector even for the coarsest mesh. In addition to that a more accurate interpolation of the current director and its variation is proposed. Instead of the interpolation of nodal director vectors the new approach interpolates nodal rotations. Account is taken for the discrepancy between interpolated basis systems and the individual nodal basis systems with an additional transformation. The exact evaluation of the initial director vector along with the interpolation of the nodal rotations lead to a shell formulation which yields precise results even for coarse meshes. The convergence behavior is shown to be correct for k-refinement allowing the use of coarse meshes with high orders of NURBS basis functions. This is potentially advantageous for applications with high numerical effort per integration point. The geometrically nonlinear formulation accounts for large rotations. The consistent tangent matrix is derived. Various standard benchmark examples show the superior accuracy of the presented shell formulation. A new benchmark designed to test the convergence behavior for free form surfaces is presented. Despite the higher numerical effort per integration point the improved accuracy yields considerable savings in computation cost for a predefined error bound.
In this contribution a mortar-type method for the coupling of non-conforming NURBS surface patches is proposed. The connection of non-conforming patches with shared degrees of freedom requires mutual refinement, which propagates throughout the whole patch due to the tensor-product structure of NURBS surfaces. Thus, methods to handle non-conforming meshes are essential in NURBS-based isogeometric analysis. The main objective of this work is to provide a simple and efficient way to couple the individual patches of complex geometrical models without altering the variational formulation. The deformations of the interface control points of adjacent patches are interrelated with a master-slave relation. This relation is established numerically using the weak form of the equality of mutual deformations along the interface. With the help of this relation the interface degrees of freedom of the slave patch can be condensated out of the system. A natural connection of the patches is attained without additional terms in the weak form. The proposed method is also applicable for nonlinear computations without further measures. Linear and geometrical nonlinear examples show the high accuracy and robustness of the new method. A comparison to reference results and to computations with the Lagrange multiplier method is given.
The increasing parallelisation of development processes as well as the ongoing trends towards virtual product development and outsourcing of development activities strengthen the need for 3D co-operative design via communication networks. Regarding the field of CAx, none of the existing systems meets all the requirements of very complex process chain. This leads to a tremendous need for the integration of heterogeneous CAx systems. Therefore, MACAO, a platform-independent client for a distributed CAx component system, the so-called ANICA CAx object bus, is presented. The MACAO client is able to access objects and functions provided by different CAx servers distributed over a communication network. Thus, MACAO is a new solution for engineering design and visualisation in shared distributed virtual environments. This paper describes the underlying concepts, the actual prototype implementation, as well as possible application scenarios in the area of co-operative design and visualisation.
Mit der schnellen Verbreitung der CAx-Techniken in der deutschen Automobilindustrie wächst die Notwendigkeit einer besseren Integration der CAx-Systeme in die Prozeßketten und der Beherrschung der Produktinformationsflüsse. Aufgrund dieser Tatsachen ist in den letzten Jah-ren ein Wandel der CAx-Systemarchitekturen von geschloßenen, monolithischen zu offen inte-grierten Systemen erkennbar. Im folgenden wird dieser Prozeß sowie dessen Implikationen auf die Anwendung und auf die Systemhersteller analysiert. Ausgehend von der Initiative der deutschen Automobilindustrie wurde das Projekt ANICA (Analysis of Interfaces of various CAD/CAM-Systems) gestartet. In diesem Projekt werden die Schnittstellen zu den Systemkernen einiger CAx-Hersteller untersucht und ein Konzept für kooperierende CAx-Systeme in der Automobilindustrie wird entwickelt.
Das Problem der Integration heterogener Softwaresysteme stellt sich auch auf dem Gebiet der CAx-Systeme, wie sie in vielfältigen Ausprägungen etwa in der Automobilbranche für die Fahrzeugentwicklung eingesetzt werden. Zunächst werden die heute in diesem Bereich
praktizierten Lösungen und die dabei auftretenden Probleme kurz dargestellt. Danach werden der neue Standard für Produktdaten, STEP, und der Standard für die Interoperabilität heterogener Softwaresysteme, CORBA, sowie einige CORBA-Entwurfsmuster erläutert. Als nächstes wird eine auf diesen beiden Standards basierende CAx-Integrationsarchitektur, die im Projekt ANICA entwickelt wurde, vorgestellt und die prinzipielle Vorgehensweise bei
ihrer Realisierung beschrieben. Daran anschließend wird über eine erste Umsetzung dieser Architektur in die Praxis berichtet. Zum Abschluß wird kurz auf die gewonnenen Erfahrungen eingegangen und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen gegeben.
Der Trend der letzten Jahre im CAx-Bereich geht eindeutig in Richtung 3D-Modellierung. Der Einsatz dieser Technologie ist jedoch erst dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn die generierten Daten nicht ausschließlich als Ersatz für 2D-Zeichnungen dienen, sondern während des gesamten Produkt-entstehungsprozesses eingesetzt werden und auf diese Weise Datendurchgängigkeit gewährleistet wird. Mittlerweile wird ein umfangreiches Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Beispielhaft sei-en hier Berechnungs- und Simulationsprogramme oder die 3D-Produktvisualisierung in nicht-technischen Bereichen (z. B. Marketing, Vertrieb) genannt. Viele CA-Systeme bieten zwar eine große Auswahl an Modulen für nahezu alle Bereiche der Produktentwicklung, allerdings ist kein System, unabhängig von seiner Komplexität, in der Lage, alle Anforderungen seiner Anwender zu erfüllen. Deshalb kommen in immer größerem Umfang spezielle Programme für individuelle Probleme zum Einsatz. Der Anwender sieht sich jedoch mit Schwierigkeiten konfrontiert, wenn er versucht, für spezielle Probleme spezielle Anwendungen unterschiedlicher Systemhersteller einzusetzen. Um die Integrati-on der verschiedenen Programme zu ermöglichen, muß er sich auf neutrale Standardschnittstellen für den Produktdatenaustausch (IGES, VDAFS, STEP) verlassen, wobei hier mit Informationsverlusten zu rechnen ist. Außerdem muß er sich mit differierenden Benutzerführungen vertraut machen. Im Bewußtsein dieser Probleme entwickelte die Arbeitsgruppe "CAD/CAM-Strategien der deut-schen Automobilindustrie" einen Vorschlag für eine offene CAx-Systemarchitektur /1/, /2/, /3/. Diese sollte in der Lage sein, alle CAx-Komponenten, die im Laufe des Produktent-stehungsprozesses verwendet werden, zu integrieren. Es sollte unter anderem die folgenden Anforderungen erfüllen: ° Offenheit ° Interoperabilität ° Investitionssicherheit ° Aufhebung der Zwangsbindung des Anwenders an einen Systemhersteller ° Vermeidung redundanter Systeme Die Berücksichtigung der internationalen Standards STEP für den Bereich der Produktdatenmo-dellierung und CORBA für den Bereich der verteilten objektorientierten Systeme, die in den folgen-den Abschnitten kurz dargestellt sind, war für die Erfüllung dieser Anforderungen eine wichtige Voraussetzung
Die virtuelle Produktentwicklung in verteilter Umgebung erfordert eine intensive Kommunika-tion zwischen den beteiligten CAx-Systemen. Diese findet bisher in Form des dateibasierten Datenaustausches mit Hilfe von Direktkonvertern oder neutralen Schnittstellen statt. Der Datenaustausch wird hierbei meist in mehreren Iterationsschleifen durchgeführt und ist oft mit Datenverlusten sowie Unterbrechungen der Entwicklungsaktivitäten verbunden. Demgegenüber steht als neuer Ansatz für die Interoperabilität zwischen CAx-Systemen das Konzept eines CAx-Objektbusses auf Basis von CORBA und STEP. Dieser Ansatz ermög-licht eine plattformübergreifende Online-Kopplung heterogener CAx-Systeme. Im Gegensatz zum dateibasierten Datenaustausch ist hierbei ein transparenter Zugriff sowohl auf Daten als auch auf Funktionen der angebundenen Systeme möglich. Dadurch kann die Durchgängigkeit der Produktdaten in der Prozeßkette deutlich erhöht werden. Zur Beurteilung der Praxistauglichkeit wird dieser neue Ansatz dem dateibasierten Daten-austausch am Beispiel virtueller Einbauuntersuchungen gegenübergestellt. Dabei werden für unterschiedliche praxisrelevante Modellgrößen die für die Übertragung von Geometrie und Topologie erforderlichen Zeiten analysiert und verglichen. Weiterhin werden die generellen Vor- und Nachteile der beiden Lösungen dargestellt. Abschließend wird auf die Potentiale des neuen Ansatzes für den Einsatz in anderen Bereichen eingegangen.
Today, the worlds and terminologies of mechanical engineering and software engineering coexist, but they do not always work together seamlessly. Both worlds have developed their own separate formal vocabulary for expressing their concepts as well as for capturing and communicating their respective domain knowledge. But, these two vocabularies are not unified, interwoven, or at least interconnected in a reasonable manner. Thus, the subject of this paper is a comparison of the vocabularies of the two fields, namely feature technology from the area of mechanical engineering and software design patterns from the software engineering domain. Therefore, a certain amount of definitions, history, examples, etc. is presented for features as well as for design patterns. After this, an analysis is carried out to identify analogies and differences. The main intention of this paper is to inform both worlds - mechanical and software engineering - about the other side's terminology and to start a discussion about potential mutual benefits and possibilities to bridge the gap between these two worlds, e.g. to improve the manageability of CAx product development processes.