Scheitern ist keine Option

Der Autor: Alastair Robertson, Femap Marketing – Mainstream Engineering Software, Siemens PLM Software

Probieren gilt nicht – beim Transport eines Teleskops ins Weltall, der Landung eines Rovers auf dem Mars oder der Erkundung der Tiefsee muss alles auf Anhieb funktionieren. Das Mittel der Wahl dazu sind automatisierte und maßgeschneiderte Simulationsprozesse, mit denen sich die Konstruktionen absichern lassen. Die Finite-Elemente-Analyse kritischer Komponenten bereits in der frühen Planungsphase und bei Änderungen stellt sicher, dass die Konstruktion Verformungen, Spannungen, Vibrationen oder Temperatureinflüssen für festgelegte Konfigurationen standhalten kann. Die Analyse identifiziert aber bezüglich der Belastungen nicht nur nur kritische Bereiche, sondern auch solche, bei denen eine Materialreduzierung möglich ist. So lassen sich die Anzahl erforderlicher Prototypen und die Kosten minimieren – ohne das Projekt zu gefährden.

Ingenieure können Komponenten, Baugruppen und Systeme mittels der FEM-Software Femap von Siemens PLM Software untersuchen, einer CAD-unabhängigen und speziell für Windows entwickelten Lösung mit Pre- und Post-Prozessor für die leistungsfähige Finite-Elemente-Analyse – von der Erzeugung des Gitternetzes auf Basis des CAD-Modells bis zur Visualisierung der Ergebnisse. Insbesondere der Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen lässt sich so gut simulieren. In der Raumfahrt sind dies etwa das Vakuum und Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt oder die Hitze und die Reibung beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Gleiches gilt beispielsweise für den immensen Druck am Grund eines Ozeans.

Projekte dieser Art setzen zudem eine akribische Planung und hochpräzise Ausführung voraus. Es genügt nicht, einzelne Parameter wie Hitze, Reibung oder Druck isoliert zu testen. Stattdessen muss jede Simulation in der Lage sein, diese Bedingungen in Verbindung miteinander und in einer ganzen Bandbreite verschiedener Kombinationen nachzubilden. Erschwerend kommt hinzu, dass Produkte, die in so extremen Szenarien zum Einsatz kommen, meist komplex aufgebaut sind – Satelliten, Raumfahrzeugen, Tiefseetauchapparaten oder High-End-Forschungsausrüstungen liegt meist eine saufwendige Konstruktion zugrunde. Häufig handelt es sich um Einzelanfertigungen, bei denen die Konstruktion bei Null beginnt. Das gilt sowohl für die digitale Simulation als auch für die mechanische Konstruktion.

Ein wichtiger Aspekt ist deshalb, dass es Ingenieuren möglich ist, Geometrien aus jedem 3D-Format einfach zu importieren. Das beschleunigt den Wechsel vom virtuellen Prototypen zum FE-Modell und stellt einen durchgängig korrekten Importprozess sicher. Die virtuelle Prototypenphase ist ausschlaggebend für die strukturelle und thermische Analyse sowie die digitale Simulation. Denn so lassen sich die Belastungsverhältnisse besser verstehen. Können darüber hinaus CAE-Solver mit den richtigen Werkzeugen kombiniert werden, sind Simulationen möglich, die sicherstellen, dass alle Teile störungsfrei zusammenspielen – auch dann, wenn sie extreme Temperaturunterschiede und Vibrationen ertragen müssen.

In den vergangenen Jahren ist der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Konstruktionen deutlich nach oben gegangen. Das gilt besonders für die oben genannten maßgeschneiderten Konstruktionen. Teilweise sind hier exotischere Materialkombinationen erforderlich, um den Einsatz unter den gegebenen rauen Bedingungen zu ermöglichen. Tests und Simulationen sollten deshalb auch die speziellen Eigenschaften dieser Verbundstrukturen einbeziehen. Nur so ist der Erfolg geschäftskritischer Projekte wirklich sicherzustellen. Auf Basis von Simulationen lassen sich Verbundstrukturen modellieren und Ergebnisse weiterverarbeiten. Darüber hinaus ist es mit einem Verbund-Editor und -Viewer möglich, die Eigenschaften interaktiv zu simulieren, während Gewebelagen im Verbund erstellt und geändert werden.

Gerade solch ein visueller Ansatz ist bei komplexen, geschäftskritischen Konstruktionen ein entscheidender Punkt und die Möglichkeit, Ergebnisse visuell darzustellen, gewinnt zunehmend an Bedeutung. So können die Ingenieure Probleme schnell und effektiv lösen, die bei der Analyse erkannt werden. Sie sind dadurch in der Lage, zu identifizieren, wo die Belastungsgrenzen liegen und wie die Konstruktion auf Temperaturen und Drücke reagiert. Und obwohl Ingenieure die mathematischen Ergebnisse einer Analyse, die mit einem Solver durchgeführt wurde, verstehen, erleichtern die mittels Femap visualisierten Analyseergebnisse das Verständnis noch einmal deutlich. Visualisierung im Nachbearbeitungsprozess ist deshalb ein wichtiger Vorteil, weil sich Ausgangsdaten einsehen und zuverlässig interpretieren lassen. Dazu zählen die grafische Darstellung von Konturen und Kriterien, die Animation von Modellverformungen sowie Zeit- und Frequenzbereichen und dynamische Schnittebenen und ISO-Flächen.

Um auch in komplexen Konstruktionen die volle Wirksamkeit zu entfalten, sind in Femap auch komplizierte Konstruktionsfunktionen wie Balkenmodellierung und -vernetzung integriert. Die Modell-Visualisierung ist der Schlüssel für die Balkenmodellierung: Anwender können Elemente als feste Komponenten anzeigen lassen und dabei Offsets und Anzeigeoptionen einschließen, wie beispielsweise Diagramme für die Scher- und Biegemomente.

Angesichts der Komplexität – nicht nur der Konstruktion selbst, sondern vor allem auch der Konstruktionsumgebung und möglicher Szenarien – ist noch ein weiterer Punkt von Bedeutung: Simulation und Analyse sollten in angemessener Zeit so viele Anwendungsfälle wie möglich testen können. Eine wirksame Parallelverarbeitung hat dabei zur Folge, dass auch die numerische Simulation der Finite-Elemente-Analyse effizienter durchgeführt werden kann. Die Finite-Elemente-Analyse setzt das Potenzial von leistungsfähigen Multi-Core- und Multi-Prozessor-Rechnern effizient ein und erzielt auf diese Weise ultra-schnelle Lösungen. Die Bearbeitungszeiten lassen sich dadurch im Vergleich zur Verwendung von Einprozessorsystemen um bis zu 30 % verkürzen. I

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Details zur Software Femap für die Finite- Elemente-Analyse (FEA)