VDI 2211 Blatt 2-2003 Information technology in product development - Calculation in design.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREInformationsverarbeitung in der ProduktentwicklungBerechnungen in der KonstruktionInformation technology inproduct developmentCalculation in designVDI 2211Blatt 2 / Part 2Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch KonstruktionVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / A

2、vailable from Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindl

3、ich.ICS 03.100.40; 35.240.10Mrz 2003March 2003The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Einleitung und Zielsetzung . . . . . . . . . .

4、. 42 Berechnungen im Konstruktionsprozess . . . 92.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Modellbildung. . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . 132.2.2 Modellarten und Modell-eigenschaften . . . . . . . . . . . . . 142.2.3 Zweck und Ziel der Modellb

5、ildung . 152.2.4 Phasen der Modellbildung . . . . . . 162.3 Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . 192.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . 192.3.2 ABC-Konzept und Zeitaufwand . . . 202.3.3 ABC-Konzept und Aussagegte . . . 232.3.4 Kurzbeschreibung einiger Berechnungsmethoden . . . . . . . .

6、 252.3.5 Optimierungsverfahren. . . . . . . . 322.3.6 Kriterien fr die Auswahl der Berechnungsverfahren . . . . . . . . 343 DV-technische Voraussetzungen. . . . . . . . 343.1 DV-Arbeitsplatz zur Berechnung . . . . . . 353.1.1 Anforderungen an den DV-Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . 353.1.2 Prinzip

7、ieller Aufbau eines DV-Arbeitsplatzes . . . . . . . . . . 373.2 Integrationsstufen . . . . . . . . . . . . . . 403.3 DV-technische Realisierung. . . . . . . . . 443.3.1 Hardwarekomponenten. . . . . . . . 443.3.2 Betriebsprogramme . . . . . . . . . 483.3.3 Anwendungsprogramme . . . . . . . 50Contents

8、 PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Introduction and aims . . . . . . . . . . . . . 42 Calculation in the design process. . . . . . . 92.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1 General. . . . . . . . . . . . .

9、 . . . 132.2.2 Types of model and model characteristics . . . . . . . . . . . . 142.2.3 Purpose and aim of modeling . . . . 152.2.4 Phases of modeling . . . . . . . . . 162.3 Calculating methods . . . . . . . . . . . . 192.3.1 General. . . . . . . . . . . . . . . . 192.3.2 ABC concept and time expos

10、ure. . . 202.3.3 ABC concept and informativeness. . 232.3.4 Brief description of some calculating methods . . . . . . . . . 252.3.5 Optimization methods . . . . . . . . 322.3.6 Criteria for selecting the calculatingmethods . . . . . . . . . . . . . . . 343 DP preconditions . . . . . . . . . . . . .

11、. . . 343.1 DP workstation for computation . . . . . . 353.1.1 Requirements for the DP workstation. . . . . . . . . . . . 353.1.2 Design principle of a DP workstation. . . . . . . . . . . . 373.2 Integration stages . . . . . . . . . . . . . . 403.3 DP implementation . . . . . . . . . . . . . 443.3.1

12、 Hardware components . . . . . . . . 443.3.2 Operating programs . . . . . . . . . 483.3.3 Application programs . . . . . . . . 50VDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion Vertrieb (VDI-EKV)Fachbereich KonstruktionAusschuss DV-Berechnungen in der KonstruktionFrhere Ausgabe: 11.99 Entwurf,deutschForme

13、r edition: 11/99 draft, in German onlyB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 2 VDI 2211 Blatt 2 / Part 2Seite4 Auswahlkriterien fr Berechnungssoftware . 544.1 Allgemeine Vorgehensweise . . . . . . . . 544.2

14、Betriebliche Bewertungskriterien fr die Auswahl von Berechnungssoftware . . . . 564.3 Voraussetzungen und Kriterien fr die Eigen- oder Fremdberechnung . . . . . . . 574.4 Voraussetzungen und Kriterien fr die Eigen- oder Fremdprogrammierung . . . . 624.5 Kriterien fr die Entscheidung Software-Kauf od

15、er -Leasing. . . . . . . . 644.6 Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . 655 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 Berechnungsbeispiele (DV-Beispiele). . . . . 696.1 Mehrkrper-Simulation. . . . . . . . . . . 706.1.1 Mehrkrper-Simulation einer PKW-Hinterachse . . . . . . . . . .

16、706.2 Finite-Elemente-Methode . . . . . . . . . 726.2.1 Kerbspannungsberechnung in der Strukturmechanik . . . . . . . . . . 726.2.2 FE-Analyse eines Pleuels . . . . . . 746.2.3 Berechnung der Wrmeverteilungin einem Zylinderkopf(Potentialproblem) . . . . . . . . . . 776.3 Boundary-Element-Methode . .

17、 . . . . . . 816.3.1 Kerbspannungsberechnung an einer Kurbelwellenkrpfung . . . . . . . . 816.3.2 Optimale Auslegung einer Kurbelwellen-Krpfung . . . . . . . 826.4 Finite-Volumen-Methode . . . . . . . . . . 846.4.1 Anwendung der Finite-Volumen-Methode fr die Optimierung von Luftkanlen . . . . . . .

18、. . . . . . 84Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Page4 Selection criteria for computing software . . 544.1 General procedure . . . . . . . . . . . . . 544.2 Business evaluation criteria for selecting computing software . . . . . . . . . . . . 564.3 Preconditions and criteria for

19、inhouse or external computation . . . . . . . . . . . . 574.4 Preconditions and criteria for inhouse or external programming . . . . . . . . . . . 624.5 Criteria for the decision on software purchase or leasing . . . . . . . . . . . . . 644.6 Documentation . . . . . . . . . . . . . . . 655 Outlook .

20、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666 Computing examples (DP examples) . . . . . 696.1 Multibody simulation . . . . . . . . . . . 706.1.1 Multibody simulation of a motor vehicle rear axle . . . . . . . . . . . 706.2 Finite element method . . . . . . . . . . . 726.2.1 Notch stress calculation

21、in structural mechanics. . . . . . . . . 726.2.2 FE analysis of a connecting-rod . . . 746.2.3 Computation of the thermal distribution in a cylinder head(potential problem) . . . . . . . . . 776.3 Boundary element method . . . . . . . . . 816.3.1 Notch stress calculation at a crankshaft throw . . .

22、. . . . . . . . 816.3.2 Optimum design of a crankshaft throw. . . . . . . . . . . . . . . . . 826.4 Finite volume method . . . . . . . . . . . 846.4.1 Application of the finite volume method for optimizing air ducts . . . 84Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87B55EB1B3E14C22109E918

23、E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 VDI 2211 Blatt 2 / Part 2 3 VorwortDie Richtlinie VDI 2211 Blatt 2 ergnzt die Richt-linie VDI 2221 Methodik zum Entwickeln und Kon-struieren technischer Systeme und Produkte“ und dieRic

24、htlinie VDI 2216 Datenverarbeitung in der Kon-struktion Einfhrungsstrategien und Wirtschaft-lichkeit von CAD-Systemen“.Weitere VDI-Richtlinien zur Thematik Informations-verarbeitung in der Produktentwicklung sindVDI 2210; VDI 2211 Blatt 1; VDI 2211 Blatt 3;VDI 2216; VDI 2217; VDI 2218; VDI 2219;VDI

25、2209 (in Vorbereitung).Diese Richtlinie mit dem Titel Informationsverar-beitung in der Produktentwicklung Berechnungenin der Konstruktion“ konzentriert sich auf die wich-tige Ttigkeit des Maschinenbaukonstrukteurs, derneben dem Prozess der Lsungsfindung und der Dar-stellung immer mehr Aufgaben der B

26、erechnung vorund parallel zum Konstruktionsprozess durchfhrenmuss. Die mit der DV mglich werdende schnelle Durch-fhrung auch kompliziertester Berechnungen ver-setzt den Konstrukteur in die Lage, whrend der Pro-duktentwicklung alternative Lsungsvorschlge hin-sichtlich Funktionserfllung zu untersuchen

27、 undVarianten bezglich geometrisch stofflicher Parame-ter sowie unterschiedlicher technischer Lsungen zuberechnen.Die Zielgruppe dieser Richtlinie sind EntwicklungsingenieureKonstrukteureBerechnungs- und VersuchsingenieurePlaner und OrganisatorenLehrende/StudierendeIm Wesentlichen ist der Maschinenk

28、onstrukteur an-gesprochen, der im Bereich der Entwicklung undKonstruktion ttig ist und dort mit einer rasch fort-schreitenden Vernderung seiner Arbeitsumgebungdurch Anwendung von CAD und anderen rechner-gesttzten Methoden konfrontiert ist.Einerseits soll durch diese Richtlinie ein berblick-wissen ge

29、boten werden, welches den Zusammenhangmit den weiteren Aufgaben des Konstruktionsprozes-ses erkennbar macht und sich in dieser Hinsicht in dieoben genannten VDI-Richtlinien einordnet. Anderer-seits sollen dem Konstrukteur die zur Erarbeitungvon Detailwissen notwendigen Einstiegshinweisevermittelt we

30、rden.Die Richtlinie hat sich ferner die Aufgabe gesetzt,nicht nur die Mglichkeiten, sondern auch die Gren-zen der Anwendung der Datenverarbeitung bei derBerechnung in der Konstruktion aufzuzeigen.Preliminary noteThe guideline VDI 2211 Part 2 supplements theguideline VDI 2221 ”Methodology for develop

31、ingand designing technical systems and products“ andthe guideline VDI 2216 ”Data processing in design Introduction strategies and economics of CAD sys-tems“. Further VDI guidelines on the theme of informationtechnology in product development are VDI 2210;VDI 2211, Part 1; VDI 2211, Part 3; VDI 2216;

32、 VDI2217; VDI 2218; VDI 2219; VDI 2209 (in prepara-tion).This guideline entitled ”Information technology inproduct development Calculation in design“ con-centrates on the important activity carried out by themechanical engineer who, in addition to the processof finding solutions and representing the

33、m, increas-ingly has to carry out computing tasks prior and inparallel with the design process.The quick execution, becoming possible with DP, ofeven very complicated calculations places the de-signer in the position of investigating alternative pro-posed solutions with regard to functional fulfilme

34、ntduring product development, and of calculating vari-ants with reference to geometrical and material pa-rameters, as well as different technical solutions.This guideline is targeted atdevelopment engineers designerscomputing and trials engineersplanners and organizersteachers/students The person ad

35、dressed is essentially the machine de-signer who is active in the field of development anddesign and is there confronted with a rapidly advanc-ing change in his work environment through the ap-plication of CAD and other computer-aided methods.On the one hand, this guideline is intended to providean

36、overview which reveals the connection with thefurther tasks of the design process and takes its placein this regard in the abovenamed VDI guidelines. Onthe other hand, the designer is to be provided with thestarting tips required for acquiring detailed knowl-edge. The guideline also has the task of

37、indicating not onlythe options, but also the limits of application in dataprocessing when making design calculations.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2003 4 VDI 2211 Blatt 2 / Part 21 Einleitung und Zielset

38、zungDie kosten-, termin- und qualittsgerechte Entwick-lung technischer Produkte erfordert die Lsung zahl-reicher, unterschiedlich gearteter Berechnungsauf-gaben whrend des Konstruktionsprozesses. Die vonKonstrukteuren zu bewltigenden Aufgabenfelderumfassen zahlreiche Ingenieurdisziplinen wie z.B.die

39、 Auslegung von Maschinenelementen, Festig-keitsrechnungen, kinematische Betrachtungen, Str-mungsberechnungen sowie thermodynamische Be-trachtungen und Berechnungen elektrischer Felder.Die Aufgaben reichen von routinemigen bis hin zuselten wiederkehrenden, speziellen Berechnungsauf-gaben, welche die

40、Einbeziehung von Berechnungs-spezialisten oder die Vergabe der Berechnungsauf-gabe an externe Unternehmen erforderlich machen.Deshalb ist neben fachlichen und organisatorischenFhigkeiten auch die Fhigkeit zur Fachabteilungbergreifenden, teamorientierten Zusammenarbeitgefordert.Als Berechnungsgrundla

41、ge wird vornehmlich aufpersnliche Erfahrung, Firmen-know-how und zahl-reiche Nachschlagewerke, wie z.B. Ingenieur-taschenbcher, Formelsammlungen, VDI-Richt-linien, DIN-Normen, Berechnungsvorschriften undVersuchdatensammlungen, zurckgegriffen. UnterUmstnden ist zur Absicherung der Berechnungs-grundla

42、gen die Durchfhrung neuer Versuche not-wendig. In Nachschlagewerken aufgefhrte Berech-nungen sind heute hufig als Rechnerprogrammebzw. Programmbibliotheken verfgbar.Eine grundlegende Unterscheidung von Berech-nungsverfahren nach der Richtung ihrer Anwendungim methodischen Konstruktionsprozess in Aus

43、-legungs-, Nach- und Optimierungsrechnungen zeigtBild 1.1. Weitere Unterscheidungen werden in derPraxis z.B. aufgrund des Anwendungsgebietes (line-are/nichtlineare, statische/dynamische Festigkeits-rechnung, Maschinenelemente, Strmungsberech-nung etc.) oder aufgrund der zugrunde liegendenMathematik

44、in analytisch geschlossen und numerischlsbare Verfahren vorgenommen.Des Weiteren zeigt Bild 1.1 dunkelgrau hinterlegt, inwelchen Konstruktionsphasen Berechnungsverfah-ren vorwiegend zum Einsatz kommen und welchenTtigkeitsschritten des allgemeinen Problemlsungs-zyklus whrend des Konstruierens sie zuz

45、uordnensind. Auslegungs-, Nach- und Optimierungsrechnun-gen haben fr die Konstruktionsphasen der Anforde-rungs-, Funktions-, Prinzip- und Gestaltmodellierungunterschiedliche Bedeutung. Die Bezeichnungen derKonstruktionsphasen sind dabei dem Fachgebiet desrechneruntersttzten Konstruierens CAD1) entno

46、m-men. Sie lehnen sich an die Richtlinie VDI 22211 Introduction and aims The development of technical products in the way re-quired in terms of costs, deadlines and quality requirenumerous calculation tasks of different types to besolved during the design process. The range of tasksto be managed by

47、designers comprises numerous en-gineering disciplines such as, for example, the designof machine elements, strength calculations, kine-matic considerations, flow calculations and thermo-dynamic considerations and calculations of electricfields. The tasks range from the routine up to specialcalculati

48、on tasks that seldom recur and require the in-clusion of calculation specialists or the assignment ofthe calculation task to external contractors. Thismeans that in addition to specialist and organizationalabilities there is also a need for the capacity to coop-erate in an interdisciplinary fashion

49、using teamwork.The basis for calculation is principally to be found inpersonal experience, company know-how and numer-ous reference works, such as engineering manuals,collections of formulae, VDI guidelines, DIN stand-ards, calculating rules and collections of experimen-tal data. Depending upon circumstances, new trialsmust be carried out to ensure the calculating princi-ples. Calculations carried out in reference works arefrequently available nowadays as computer programsor program