Advertorial - Siemens Industry Software AG Belastungen besser verstehen

Autor / Redakteur: Siemens Industry Software AG / Benza Banjac

Zahlreiche produzierende Unternehmen nutzen Werkzeuge für Computer Aided Engineering (CAE) und insbesondere für die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um Konstruktionen vor dem praktischen Einsatz zu testen. Damit stellen sie sicher, dass die Produkte ihren Zweck erfüllen und auch mit den anspruchsvollen Belastungen zurechtkommen. Es gibt allerdings Konstruktionen, die aus verschiedenen Gründen bereits im ersten Anlauf perfekt sein müssen. Bei Produkten für die Raumfahrt gibt es beispielsweise keine Möglichkeit für einen zweiten Versuch, wenn unterwegs ein Fehler auftritt. Hier sind extrem leistungsfähige und präzise Simulationen gefragt, denen hoch entwickelte Analysen in Femap vorausgehen.

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(Bild: Siemens Industry Software AG)

Die Herausforderung

Produkte zu testen, die weit jenseits der Bedingungen und Normen des gewöhnlichen Alltags eingesetzt werden, ist besonders schwierig. Darüber hinaus ist der Aufwand, die entsprechenden Bedingungen und Szenarien nachzustellen, sehr komplex. Trotzdem gibt es in solchen Einsatzfeldern nur eine Chance, die richtige Lösung zu finden. Platz für Fehler gibt es nicht.

Um diese neuen Herausforderungen zu meistern, versuchen Hersteller fortlaufend die Leistungsgrenzen ihrer Strukturen auszudehnen. Dadurch werden leichtere und belastbarere Konstruktionen möglich. Gleichzeitig sollen die Kosten für Produzenten und Endanwender sinken. Bei Vorhaben dieser Art ist es ausschlaggebend, die Auswirkungen realer Ereignisse auf die Konstruktion zu simulieren. Mithilfe dieser Technologie lassen sich verschiedene Konstruktionsvarianten und Materialien ausprobieren, um zu einer optimalen Konstruktion zu gelangen. Ingenieure können dadurch zuverlässig vorhersagen, wann diese Konstruktionen versagen. So werden die strengen Sicherheitsanforderungen erfüllt.

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Femap im Einsatz bei hochkomplexen Konstruktionen

Wenn Perfektion höchste Priorität hat

Femap ermöglicht es, Komponenten, Baugruppen und Systeme virtuell zu modellieren. So lässt sich ihr Verhalten unter bestimmten Rahmenbedingungen ermitteln. Diese Technologie dient im Konstruktionsprozess dazu, den Bedarf an kostspieligen Prototypen und Tests zu reduzieren, unterschiedliche Designs und Materialien zu bewerten und durch Strukturoptimierung Gewicht zu reduzieren. Femap kann bei geschäftskritischen Projekten als Pre- oder als Post-Processor eingesetzt werden. Es erzeugt auf Basis des CAD-Modells Gitternetze für ein mathematisches Modell. Die Anwendung extrahiert nach der Finite-Elemente-Analyse die Ergebnisse und betrachtet die Bedingungen und den Zustand der Struktur unter verschiedenen Belastungszuständen. Femap unterstützt verschiedenste Laminat- und Verbundkonstruktionen, Balkenmodellierungen oder Finite-Elemente-Vernetzung. Dazu kommt ein umfangreiches und leistungsfähiges Visualisierungs-Tool.

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( Bild: Siemens Industry Software AG )

Femap mit NX Nastran wird für die Optimierung und Überprüfung der Konstruktion des ersten Flugzeuges verwendet, das die Erde ausschliesslich mit Sonnenenergie umrundet.

Anspruchsvolle Umgebungen

Seien es das Vakuum und die Temperaturen, die im All nahe dem absoluten Nullpunkt liegen, oder die Hitze und die Reibung beim Wiedereintritt in die Atmosphäre, sowie der immense Druck am Grund des Ozeans – Projekte dieser Art setzen 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.

Komplexe Konstruktionen

Produkte, die in so extremen Szenarien zum Einsatz kommen, sind meist komplex aufgebaut. Geräten wie Satelliten, Raumfahrzeugen, Tiefseetauchapparaten oder High-End-Forschungsausrüstungen liegt meist eine sehr aufwendige 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.

Tausende dieser einzelnen Komponenten sind Bestandteil einer Einheit. Jede dieser Einheiten muss innerhalb eines gewissen Toleranzrahmens tadellos funktionieren und mit anderen im Einklang bleiben.

Ingenieure sollten deshalb in der Lage sein, die Belastungsverhältnisse bei solchen Produkten besser zu verstehen. Dafür müssen sie Strukturen schaffen, Analysen durchführen und feststellen, wo Schwachstellen auftreten. Genauer gesagt soll es Konstrukteuren möglich sein, Geometrien aus jedem 3D-Format zu importieren. Das beschleunigt den Wechsel vom virtuellen Prototyp zum FE-Modell und stellt einen durchgängig korrekten Importprozess sicher. Die virtuelle Prototypenphase ist ausschlaggebend für strukturelle und thermische Analyse sowie für die digitale Simulation.

Ingenieure müssen CAE-Solver mit den richtigen Werkzeugen kombinieren können. Dann sind Simulationen möglich, die sicherstellen, dass alle Teile störungsfrei zusammenspielen. Ausserdem lässt sich so feststellen, ob sämtliche Teile und Baugruppen stark genug sind, um extremen Temperaturunterschieden und Vibrationen standzuhalten, und zwar sowohl unter Belastung als auch unter normalen Betriebsbedingungen.

Neue Materialien

In den vergangenen Jahren ist der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Konstruktionen deutlich angestiegen. Das gilt besonders für die bereits beschriebenen, massgeschneiderten Konstruktionen. Dort können exotischere Materialkombinationen nötig sein, um Schutz vor rauen Gegebenheiten zu bieten. Tests und Simulationen sollten die speziellen Eigenschaften dieser Verbundstrukturen daher einbeziehen. Nur so ist der Erfolg geschäftskritischer Projekte wirklich sicherzustellen. Auf Basis von Simulationen lassen sich mit Femap Verbundstrukturen modellieren und Ergebnisse weiterverarbeiten. Darüber hinaus ist es mit einem Verbund-Editor und -Viewer möglich, die Eigenschaften interaktiv zu aktualisieren, noch während Gewebelagen im Verbund erstellt und geändert werden.

Ein visueller Ansatz mit Femap

Bei komplexen, geschäftskritischen Konstruktionen gibt es noch einen weiteren entscheidenden Punkt: Die Möglichkeit, Ergebnisse visuell darzustellen, gewinnt zunehmend an Bedeutung, um Probleme bei der Analyse schnell und effektiv zu lösen. Ingenieure sind dadurch in der Lage, zu identifizieren, wo die Belastungsgrenzen liegen und wie die Konstruktion auf Temperaturen und Drücke reagiert. Ingenieure können die mathematischen Ergebnisse einer Analyse, die mit einem Solver durchgeführt wurde, nicht immer eindeutig verstehen. Werden die Analyseergebnisse aber mittels Femap visuell dargestellt, wird das Verständnis noch einmal deutlich erleichtert. Visualisierung im Nachbearbeitungsprozess ist deshalb ein wichtiger Vorteil.

Solche Funktionen in Femap ermöglichen es, die Ausgangsdaten einzusehen und zuverlässig zu interpretieren. Dazu zählen die grafische Darstellung von Fabplots, die Animation von Modellverformungen, Diagramme, dynamische Schnittebenen und ISO-Flächen.

Mit einer Fülle von Visualisierungsfunktionen zur Hand können Anwender Ergebnisse auswerten und das Modellverhalten möglichst schnell analysieren. Um auch in komplexen Konstruktionen die volle Wirksamkeit zu entfalten, sollten dabei komplizierte Konstruktionsfunktionen wie Balkenmodellierung und -vernetzung integriert sein. Die Modell-Visualisierung ist der Schlüssel für die Balkenmodellierung: Femap Anwender können Elemente als feste Komponenten anzeigen lassen und dabei Offsets und Anzeigeoptionen einschliessen, wie beispielsweise Diagramme für Scherkraft- und Biegemomente.

Parallelverarbeitung

Angesichts der Komplexität nicht nur der Konstruktion selbst, sondern vor allem auch der Konstruktionsumgebung und möglicher Szenarien ist noch ein weiterer Punkt zu beachten: Simulation und Analyse sollten rechtzeitig so viele Anwendungsfälle testen können wie möglich.

Eine wirksame Parallelverarbeitung hat zur Folge, dass auch die numerische Simulation des Finite-Elemente-Modells effizienter durchgeführt werden kann: Sie setzt das Potenzial von Multi-Core- und Multi-Prozessor-Rechnern effizient ein und erzielt damit ultra-schnelle Lösungen. Bearbeitungszeiten lassen sich dadurch im Vergleich zur Verwendung von Einprozessorsystemen um bis zu 30 Prozent kürzen.

Fazit

Die Finite-Elemente-Analyse in Femap von kritischen Konstruktionskomponenten in der frühen Planungsphase und bei Änderungen stellt sicher, dass die Konstruktion Verformungen, Spannungen, Vibrationen oder Temperatureinflüssen für festgelegte Konfigurationen standhalten kann. So wird die Produktqualität besser. Das ist in Situationen, in denen es keinen Raum für Fehler gibt, unbedingt notwendig.

Analyseergebnisse identifizieren kritische Bereiche, die den Grossteil der Belastungen durch Verformung oder Vibration tragen müssen. Darüber hinaus spüren sie weniger wichtige Bereiche auf, bei denen Materialreduzierung möglich ist. So lassen sich die Anzahl erforderlicher Prototypen und die Kosten minimieren, ohne das Projekt zu gefährden.

Mit automatisierten und massgeschneiderten Simulationsprozessen lässt sich absichern, dass die Konstruktionen perfekt funktionieren und dass alles nach Plan läuft. Kurz gesagt: Wenn es auf Perfektion ankommt, sorgt Femap für effizienten Erfolg.

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