Simulationen

‘Simulation’ meint hier die Untersuchung respektive Überprüfung der Einhaltung geplanter Zielfunktionalitäten eines Konstruktionsmodells. Und das bereits in der Entwurfs- bzw. Entwicklungsphase, und zwar ohne dass überhaupt ein physisches Teil vorhanden ist. Simulation wird daher häufig auch virtuelles Prototyping genannt.

Was vielen in diesem Zusammenhang einfällt ist das Schlagwort Finite Elemente Methode, manchmal auch abgekürzt nur FEM genannt. Die Methode wurde in ihren Ursprüngen in den frühen Fünfziger Jahren des vorigen Jahrhunderts entwickelt und hat sich -nicht zuletzt dank der immer schneller wachsenden Rechnerleistungen- rasant weiterentwickelt. Es handelt sich um ein so genanntes numerisches Analyseverfahren, also eine mathematisches Iterationsverfahren, das richtig eingesetzt hervorragende und insbesondere valide Ergebnisse liefert. Am weitesten verbreitet ist die FEM Anwendung im Bereich der strukturmechanischen Analyse. Aber sie kann noch weitaus mehr.
Und bei weitem nicht alle Simulationsprogramme nutzen gerade dieses Verfahren, ohne dabei in irgendeiner Art und Weise schlechter zu sein oder womöglich gar fehlerhafte Ergebnisse zu liefern.
Vielmehr obliegt es dem Anwender oder Berechnungsingenieur das für die Aufgabenstellung am besten geeignete Verfahren respektive Programm  zum Einsatz zu bringen.

Genau das ist es, was wir für Sie tun. Und das nunmehr seit mehr als zwei Jahrzehnten. Unser wichtigstes Handwerkszeug stellen dabei die SolidWorks Simulation Programme dar.

Statische Analyse
Bauteile oder Baugruppen werden fast immer mechanischen Belastungen unterworfen und reagieren dabei durch Verformung oder Aufbau innerer Spannungen. Handelt es sich dabei um statische, also vereinfacht gesprochen um langsam wirkende Lastaufbringungen kann das Materialverhalten mit einer statischen FEM-Analyse simuliert werden. Die so errechneten Spannungen können so einfach mit den Sollwerten oder den konstruktiv zulässigen Lasten verglichen werden.

Die Lastarten können vielfältiger Natur sein. Denkbar sind einfache externe Drücke, Kräfte oder Massen, thermische Beanspruchungen, also Belastung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung, so genannte Wärmespannungen oder sonstige mechanische Wechselwirkungen wie Kontakte mit anderen Bauteilen, Schraubenverbindungen und vieles mehr.
In den meisten Fällen soll die zulässige Materialbeanspruchung so gering sein, dass ein Bauteil nicht nur nachhaltig nicht geschädigt wird, sondern die Belastung auch deutlich unter dem Bereich irreversibler oder plastischer Formänderung bleibt. Man spricht hier meist von elastischer, meist sogar linear elastischer Formänderung, da die Reaktion bei Be- und Entlastung gleichermaßen ansteigt bzw. zurückgeht  und am Ende weder Formänderung noch eine irgendwie geartete Eigen- oder Restspannung im Bauteil übrigbleibt. Man spricht hier meist vom Hooke’schen Bereich oder Hooke’schen Modellverhalten.

Wird dieser Bereich hingegen überschritten oder kommen gar Materialien zum Einsatz, die etwa wie Gummi oder Kunststoffe generell nur geringes  linear-elastisches Verhalten zeigen, müssen mit speziellen Werkstoffmodellen  nicht lineare Analysen durchgeführt werden. Man spricht hierbei von physikalisch nicht linearen Studien, die spezielle Ausbaustufen der FEM Programme erforderlich machen.

Gleiches gilt bei Bauteilen, die zwar großen Formänderungen unterworfen werden, aber nach Entlastung wieder in den Ausgangszustand zurückkehren. Man denke etwa an einen Bimetallstreifen. Hierfür benötigt man einen Programmausbau zur Untersuchung geometrisch nicht linearer Aufgabenstellungen.

Sind die Teile einer Konstruktion extrem schlank (etwa Stabwerkskonstruktionen) oder besonders dünnwandig (Blechbehälter) im Verhältnis zu den sonstigen Abmaßen, kann es bei ansonsten vermeintlich unproblematischer Belastung schon bei kleinsten Veränderungen in der Belastungsrichtung zum Versagen der gesamten Konstruktion kommen. Ein dünnes Element kann knicken oder sich verheerend ausbeulen, lange bevor die normal zulässigen Spannungswerte erreicht wurden. Für solche Gebilde sind Studien, die Knicklast- oder Beulsicherheit berechnen, zwingend erforderlich.

Selbst geringe Lasten, wenn sie nur genügend lang andauern, können eine Konstruktion gefährden, da alle bekannten Materialien mehr oder weniger zu so genanntem Kriechen neigen können. Das bedeutet, die Modelle verlieren im Laufe der Zeit ihre ursprüngliche „Passform“.

Ebenso unheilvoll können sich Wechselbeanspruchungen auswirken. Die Lasten sind zwar insgesamt relativ klein,  es kommt aber in ständiger Abfolge zu Be- und Entlastungen im Modell. Dabei geht womöglich die Gesamtbeanspruchung niemals auf null zurück, sondern wird überlagert mit dauerhafter Zug- oder Druckbeanspruchung, einer so genannten schwellenden Beanspruchung, die sich womöglich noch mit anderen Lastfällen abwechselt oder überlagert. Da ist es nur eine Frage der Zeit bis das Material versagt. Geprüft werden solche Verhalten an genormten Probekörpern etwa mittels Biegewechselversuchen mit einigen hundert Tausend Lastwechseln. Im Ergebnis ergeben sich die alt bekannten Wöhlerkurven. Mit deren Hilfe und einer speziellen FEM Studie können wir so auch Zeitstandsfestigkeiten von virtuellen Modellen simulieren.

Thermische Analyse
S
ie dient zur Ermittlung von Temperaturverläufen innerhalb eines Bauteils oder einer Baugruppe  aufgrund von außen oder im Innern wirkenden Wärmequellen oder -senken. Verantwortlich für den Wärmetransport innerhalb des Festkörpers und die sich daraus ergebenden Temperaturgradienten ist die Wärmeleitung. Von außen kann hingegen Wärme in einen Festkörper auf unterschiedliche Art und Weise eingebracht werden. Sei es durch Konvention, also durch Wärmeübergang; hierfür wird ein Medium benötigt wie etwa eine Flüssigkeit oder ein Gas -uns allen bestens bekannt durch unsere Zentralheizungen-, oder sei es durch reine (Wärme-)Strahlung, die erst bei höheren Temperaturen nennenswerte Größenordnungen erreicht, dafür aber kein Transportmedium benötigt und daher auch im Vakuum funktioniert. Die wichtigste Strahlungsquelle für uns ist nach wie vor die Sonne. Beide Wärmearten können sich überlagern und müssen daher gegebenenfalls auch gemeinsam berücksichtigt werden.

Die meisten FEM Programme erlauben lediglich die Ermittlung des Temperaturfelds im Innern eines Festkörpers.  Die verantwortlichen äußeren Einwirkungen wie Konvektion und Strahlung müssen bekannt sein und stellen für die Rechnung lediglich Randbedingungen dar, die dabei quasi als näherungsweise konstant betrachtet werden.

Beeinflusst hingegen das Temperaturfeld des Festkörpers  umgekehrt etwa auch die Temperatur des Wärmeabgebenden oder –aufnehmenden umgebenden Mediums nachhaltig mit,  dann muss  dieser Effekt in der Simulation mitberücksichtigt werden. Denken Sie etwa an das Luftvolumen im Innern eines Computergehäuses, das zwar mithilft die CPU zu kühlen, sich dabei aber gleichzeitig miterwärmt.

Bei solchen oder vergleichbaren Aufgabenstellungen ist eine Kopplung von Strömungsanalyse (CFD) mit Temperaturfeldberechnung erforderlich. Bei diesen Programmen kommt mittlerweile meist ein enger Verwandter der FEM zum Einsatz,  die so genannte Finite Volumen Methode (FVM). Äußerlich oft leicht erkennbar durch die andersartige Elementgeometrie und –Struktur: auf der einen Seite Netze aus Tetraeder, Schalen und Stabelementen (FEM) und auf der anderen Seite die relativ sperrigen und unflexibel wirkenden Hexaeder-Netze (FVM).

Bei thermischen Analysen können stationäre Zustände, also sich ausbildende Temperaturprofile nach theoretisch unendlich langer Einwirkzeit (eingefahrener Zustand) betrachtet werden. Man denke etwa an die Wärmeentwicklung in elektronischen Bauteilen oder die Leistungsfähigkeit von isolierenden Schichten. Aber genauso gut kann die Temperaturentwicklung etwa beim Aufheizen oder Abkühlen von Interesse sein. Die liefert dann eine instationäre oder transiente Studie, wie etwa die Abkühlgeschwindigkeit einer heiß gelaufenen Bremsscheibe oder die Aufheizdauer eines Ofens.

Koppelt man die so ermittelten Ergebnisse mit mechanischen Belastungen, lassen sich auch die resultierenden Wärmespannungen ermitteln.

Frequenz- oder Schwingungsanalyse
Rhythmisch bewegte oder wechselnder Beanspruchung unterworfene Bauteile können ungewollt zu Schwingungen angeregt werden. Bleibt der Lastangriff längere Zeit bestehen und wird nicht gedämpft,  können im Bereich der so genannten Eigenfrequenzen des Bauteils enorme  Amplituden oder Spannungsüberhöhungen entstehen, die schließlich zum Kollaps führen können. Daher ist es notwendig, die Eigenfrequenzen einer Konstruktion zu kennen und Anregungen in diesen Frequenzbereichen tunlichst zu vermeiden. Ist dies nicht möglich, muss der Entwurf gegebenenfalls geändert oder die Konstruktion anderweitig gesichert werden. Es gibt aber auch technische Anwendungen, wo bewusst Anregungen im Bereich der Eigenfrequenzen erfolgen; etwa bei Ultraschall angeregten Werkzeugen zum Verschweißen, den Sonotroden.
Mit FEM lassen sich Eigenfrequenzen und Eigenformen von virtuellen Bauteilen relativ problemlos ermitteln.

Einen deutlichen Schritt weiter geht man mit einer dynamischen Analyse, die wiederum linear aber auch nicht linear erfolgen kann.
Eine linear dynamische Studie ist dann sinnvoll, wenn die Bedingungen für eine statische Betrachtung nicht mehr gegeben sind, weil die Belastungen relativ schnell erfolgen und/oder variieren.  Als Faustregel gilt, dass die Lastfrequenz etwa 1/3 so groß ist wie die niedrigste Eigenfrequenz (Grundfrequenz) des Bauteils.
Eine dynamische Analyse geht immer einher mit einer vorgeschalteten Schwingungsanalyse. Dabei können die aufgebrachten Lasten harmonisch, periodisch, impulsartig oder zufällig (mit einem willkürlichen Frequenzspektrum) sein.
Einsatzbereiche wären etwa Verformungsuntersuchungen bei stoßartiger Belastung von Gehäusen, Art und Dauer der Nachschwingungen, Vibrationsanalysen von Baugruppen etc.

Simulationsgestützte Optimierung
Gerade bei der Entwicklung mit Parameter gestützten Konstruktionswerkzeugen wie SolidWorks bietet sich virtuelles Prototyping in Verbindung mit Simulationsmodellen geradezu an. Durch eine manuelle oder teilautomatische Variation der Modellparameter während einer strukturmechanischen Analyse mit FEM kann frühzeitig eine optimierte Modellgeometrie gefunden werden.

Die Zielvorgaben können dabei ganz unterschiedlich sein:
- Verringerung der Massen
- Reduzierung von Spannungen und Verzerrungen
- Entwicklung funktionsgerechterer Modellgeometrien
- Vermeidung von Überdimensionierung u.v.m.

Strömungssimulation
Steht bei strukturmechanischen Analysen meist das Verhalten des Festkörper-Bauteils selbst im Vordergrund, ist es bei Strömungssimulationen das fluide Medium. Genau genommen das Bewegungsverhalten von Flüssigkeiten oder Gasen, das durch die bloße Existenz von Festkörperelementen in seinem Strömungsraum maßgeblich in seinem physischen Verhalten beeinflusst wird. Hierbei kann es zudem insbesondere bei Betrachtung der thermischen Situation zu einer signifikanten Wechselwirkung kommen. Bei der Strömungsanalyse (CFD, Computational Fluid Dynamics) handelt es sich hingegen ebenso wie etwa bei der Festigkeitsberechnung von Bauteilen um ein numerisches Analyseverfahren. Allerdings seltener um die bekannte Finite Elemente Methode, sondern kommt vielmehr aufgrund ihrer mathematisch begründbaren besseren Eignung eher die Finite Volumen Methode (FVM) zum Einsatz. Man erkennt dies meist schon an der geometrischen Form der verwendeten Diskretisierungselemente (Hexaeder mit orthogonalen Flächen, vergleichbar einem Würfel).

Die Programme und die Methodik selbst sind von Hause aus zwar deutlich anspruchsvoller, schließlich ist Hydrodynamik auch kein ganz triviales Gebiet; da sich aber sowohl Umströmungs- als auch Durchströmungsuntersuchungen durchführen lassen, gibt es mittlerweile eine stetig steigende Anzahl von Anwendungsbereichen und bleibt nicht, wie man womöglich vordergründig denken mag, auf Luft- und Raumfahrttechnik oder die aerodynamische Optimierung von Automobilkarosserien beschränkt.

Allerdings wird im Gegensatz zur Strukturmechanik deutlich höhere CPU-Leistung mit mehr Hauptspeicher benötigt und man braucht auch etwas mehr Zeit und Geduld, da auch die reinen Rechenzeiten wesentlich höher sein können. Die Genauigkeit und Aussagekraft der erzielten Ergebnisse und ihr Nutzwert bei der Designoptimierung machen das allemal wett. Sie sparen nicht nur Geld, sondern vor allem auch Zeit, da ihnen aufwendige und langwierige Versuchsreihen komplett oder zumindest größtenteils erspart bleiben.

Das bestätigen alle unsere Kunden, die unsere Berechnungs-Dienstleitungen in Anspruch genommen haben.

Eine Simulation liefert alle relevanten Daten des Strömungsverhaltens sowohl bei Umströmungs- als auch bei Durchströmungsprojekten. Seien Druck-, Geschwindigkeitsverteilung, Massen- und Volumenbilanz, Dichte- und Mischungsverhältnisse, Stromlinien und vieles mehr. Damit können technisch wichtige Daten wie Druckverlust, Strömungswiderstand (Cw-Wert) und Durchflusskoeffizient (kv-Wert) abgeleitet werden. Zudem können die auf die Festkörper wirkenden Flächendrücke in eine Festigkeitsberechnung übertragen werden, um die resultierenden Verformungen und Spannungen zu bestimmen. Etwa wenn es darum geht die mechanischen Beanspruchungen infolge von Wirkung von Windlasten zu ermitteln.

Da auch durch rotierende Bewegung erzeugte Strömungen simuliert werden können, lassen sich auch Geometrie und Leistung von Lüftern oder Ventilatoren untersuchen und gegebenenfalls optimieren.

In Verbindung mit einer integrierten thermischen Analyse lassen sich Aufheiz- oder Abkühlungseffekte bei aktiv (mit Lüfter) oder passiv gekühlten Systemen wie etwa bei elektronischen Baugruppen, Wärmetauschern, in Industrieöfen, Motorkomponenten etc. ermitteln. Oder es kann die Wirkungsweise von Klimaanlagen für Gebäude einschließlich des Effekts auf das physiologische Wohlbefinden der Raumnutzer simuliert werden.

Kinetik / Kinematik
Eine ganz eigene Klasse numerischer Simulationen stellen Bewegungsanalysen dar. Hier können etwa die zeitliche Veränderung der räumlichen Lage, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung von gelenkig miteinander verbundenen (also im Vergleich zu einer freien Bewegung unter eingeschränkten Freiheitsgraden agierenden) Bauteilen berechnet werden, so genannte Kinematische Analyse. Sie behandelt die kräftefreie Bewegung. So lassen sich etwa Bahnkurven von signifikanten Punkten auf den bewegten Teilen errechnen und darstellen. Etwa um Kollisionsbetrachtungen zu machen, aber ebenso gut lassen sich so die Konturen von Kurven- und Steuerscheiben für Antriebe (Nockenwellenkonturen) gewinnen.

Kommen zusätzlich Kräfte und Momente mit ins Spiel, spricht man von kinetischer oder dynamischer Analyse. Hier lassen sich zudem noch Antriebsleistungen und -momente, Reibungseffekte in Gelenken oder zwischen Bauteilen, Lagerreaktionen, Stoßwechselwirkungen, sowie lineare, progressive oder degressive Feder und entsprechende Dämpfersysteme in die Analyse mit ein beziehen.

SolidWorks Motion, das auf der seit mehr als 20 Jahren etablierten und branchenbekannten ADAMS®-Technologie basiert, erlaubt zudem die Analyse so genannter Ereignis gesteuerter Bewegungsszenarien. Damit gemeint sind Abläufe, bei denen sich die Zustände des Systems zu bestimmten (diskreten) Zeitpunkten ändern, diese aber eher zufällig sind. So arbeiten etwa Produktionssysteme, wo der nächste Prozessschritt erst dann beginnen kann, wenn ein oder mehrere andere zuvor fertig gestellt  wurden oder eine bestimmte Position erreicht haben, also ein Ereignis eingetroffen ist. Hier kann anders als bei den einfacher zu behandelnden, kontinuierlichen Prozessen, der Zeitpunkt nicht exakt vorher bestimmt werden, zu dem ein Geschehen eintritt. Man spricht hier daher auch von asynchroner Simulation.

Geben Sie uns Ihr Modell und die Aufgabenstellung. Fragen Sie uns nach den detaillierten Möglichkeiten!

 

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