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Virtueller Umlaufbiegeversuch

FEM: Freeware, CAD integriert und unabhängige Programme im Vergleich
Virtueller Umlaufbiegeversuch

Simulation oder „Computer Aided Engineering“ (CAE) ist zu einem festen Bestandteil der modernen Produktentwicklung geworden. Lange bevor der erste Prototyp gebaut ist, wird am Computer das physikalische Verhalten von Komponenten, Baugruppen und ganzen Produkten untersucht. Basis dafür sind mathematische Verfahren, allen voran die Finite-Element-Methode (FEM).

Strukturmechanische Versagensanalysen von Bauteilen unter statischen und dynamischen Lasten, die Untersuchung von Kühlprozessen elektronischer Komponenten, mechanische Schwingungen und Geräuschentwicklung, das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten und Gasen oder die rechnerische Prozessoptimierung beim Spritzgießen oder Umformen sind nur einige Beispiele aus dem breiten Spektrum gängiger Simulationsanwendungen.

Bis vor wenigen Jahren wurden solche und andere Berechnungsaufgaben im Wesentlichen von dedizierten FEM-Spezialisten gelöst. Die immer kürzeren Entwicklungszeiten führen heute mehr und mehr dazu, dass bereits der Konstrukteur, der eine Komponente entwickelt, direkt an seinem CAD-Arbeitsplatz Berechnungen durchführt, um die Machbarkeit eines Designs zu prüfen oder in einer Design-Studie verschiedene Varianten miteinander zu vergleichen. Für solche CAD-nahen Berechnungen werden spezielle, an den Anforderungen des Konstrukteurs ausgerichtete Softwarewerkzeuge angeboten. Ansys, der weltweit größte unabhängige Anbieter von Simulationstechnologie, hat für die breite, durchgehende Nutzung der Simulation den Begriff des „Simulation Driven Product Development“ geprägt.
Vorteile virtueller Prototypen
Ganz gleich auf welcher Ebene im Entwicklungsprozess simuliert wird: Der Reiz und große Vorteil des „virtuellen Prototypen“, des rechnerinternen Modells künftiger Produkte, liegt darin, dass mit ihm schon in sehr frühen Entwicklungsphasen „Versuche“ durchgeführt werden können. Dazu muss kein realer Prototyp gebaut werden, und auch das Design muss noch nicht abschließend definiert sein. Vielmehr hilft der virtuelle Prototyp, ein optimiertes Design zu finden, denn verschiedene denkbare Varianten lassen sich auf diese Art und Weise unmittelbar miteinander vergleichen. Die Folge ist ein deutlich erhöhter Entwicklungsspielraum, der den Ingenieuren gerade auch dann zu Gute kommt, wenn es darum geht, die Eigenschaften bestimmter Teilsysteme zu ermitteln oder zu verbessern.
So wird beispielsweise von der Firma Breyton Design die Form von Leichtmetallrädern in einem virtuellen Umlaufbiegeversuch geprüft. Stellt sich in dieser FEM-Simulation heraus, dass die auftretenden Spannungen zu hoch sind, wird das Design geändert und die geänderte Geometrie wird erneut auf dem Wege der Simulation untersucht. Im von Breyton eingesetzten System zur konstruktionsbegleitenden Berechnung „Ansys Design Space“ bleiben dabei alle Definitionen wie Material, Kontakte, Lasten und Lagerbedingungen erhalten, so dass der zeitliche Aufwand für die Untersuchung einer Geometrie- oder Lastfall-Variante auch bei mehreren Iterationen sehr gering ist. Erst wenn der virtuelle Versuch zeigt, dass die Spannungsverteilung und das Spannungsniveau gut sind, wird die Freigabe für den Abguss erteilt. Kommen dann vier bis sechs Wochen später die ersten realen Räder aus der Produktion, wird der reale Test im Idealfall nur noch für das Abnahmeprotokoll durchgeführt.
Blick auf Freeware- FEM-Pakete
Dem interessierten Konstrukteur bieten sich drei grundsätzliche Möglichkeiten, FEM-Technologie zu nutzen: Freeware aus dem Internet, im CAD-System integrierte FEM-Module oder eigenständige FEM-Pakete.
Freeware-FEM-Pakete sind für Einsteiger eine gute Möglichkeit, sich mit der Funktionsweise eines FEM-Systems grundsätzlich auseinander zu setzen. Beispielhaft für diese Kategorie sind die Programme Calculix (www.calculix.de) oder Z88 (www.z88.uni-bayreuth.de) zu nennen. Und trotzdem: Für eine kommerzielle Anwendung sind solche Systeme wohl weniger geeignet. Zum einen bieten sie zumeist weder CAD-Direktschnittstellen noch Benutzerkomfort und oftmals auch nur einen eingeschränkten Funktionsumfang. Das Fehlen einer kommerziellen Support-Einrichtung ist ein weiteres Argument, das gegen eine strategische Entscheidung zur Einführung eines solchen Programms spricht.
CAD-integrierte Tools
Diese Tools bieten dagegen unter der objekt-orientierten Oberfläche des CAD-Systems grundlegende Funktionen, die den Anforderungen vieler Konstrukteure zunächst durchaus genügen. Eng mit dem CAD-Modell verknüpft, können einfache Simulationen in der gewohnten Benutzerumgebung effizient durchgeführt werden. Allerdings erreicht die Funktionalität dieser integrierten Tools mit den steigenden Ansprüchen des Anwenders schnell ihre Grenzen. Der ambitionierte Anwender, der die Effektivität konstruktionsbegleitender Berechnungen zu schätzen gelernt hat und diese auch bei komplexeren Problemstellungen heranziehen will, bleibt dann oft nur der Umstieg auf ein größeres Paket. Dessen völlig neues „Look & Feel“ erfordert einen neuen Einarbeitungsprozess, während das bereits erarbeitete Know-how letztendlich obsolet wird. Mit dem Verbleib beim integrierten Tool wird dagegen das Potenzial der konstruktionsnahen Berechnung nicht ausgeschöpft und auf für den weiteren Entwicklungsprozess relevante Berechnungsergebnisse wie Spannungen oberhalb der Fließgrenze oder Kraftübertragung durch Reibung, letztendlich verzichtet.
Spezielle eigenständige Programme
Die kommerziellen FEM-Pakete spezialisierter eigenständiger Hersteller zeichnen sich durch eine meist modular verfügbare Funktionsvielfalt, eine menügeführte oder kommando-orientierte Oberfläche und eine meist unidirektionale CAD-Anbindung aus. Unidirektional bedeutet, dass eine CAD-Geometrie robust zur Berechnung ins FEM-Paket importiert werden kann. Ergibt die Berechnung allerdings einen Änderungsbedarf am CAD-Modell, so ist in der Regel bei der nächsten Iteration eine Neudefinition im FEM-System erforderlich. Eine konstruktionsbegleitende Berechnung, die ja gerade von Geometrievariationen lebt, verliert dadurch für den sporadischen Anwender an Effektivität, so dass oftmals die eigentlich vorhandene viel größere Funktionsvielfalt aufgrund der komplexen Handhabung in der Praxis nur eingeschränkt genutzt wird.
Genau dieser Problemstellung – praxisgerechte Handhabung auch für sporadische Anwender bei großer Funktionsvielfalt – hat sich Ansys, Inc. angenommen. Das Programm für konstruktionsbegleitende Berechnungen Ansys Design Space hat nicht zuletzt deshalb eine große Verbreitung erzielt, weil eine sehr stabile bi-direktionale Schnittstelle zu praktisch allen gängigen 3D CAD-Systemen dafür sorgt, dass Modelle nicht nur aus, sondern einschließlich der vorgeschlagenen Optimierungen, auch wieder zurück in die CAD-Umgebung übertragen werden.
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