Siemens A&D setzt RecurDyn und RecurDyn/MFBD weltweit zur Simulation erfolgreich ein

21.09.2006 | Autor / Redakteur: Evelyn Gebhardt freie Autorin / Karl-Ullrich Höltkemeier

Abb.1: Siemens Niederspannungsschaltgeräte

Als Produktlieferant, Systemintegrator, Komplettlösungsanbieter und Dienstleister gewährleistet Siemens sowohl Energieversorgern als auch Industriekunden zuverlässigen und wirtschaftlichen Transport und die Verteilung elektrischer Energie – vom Mittelspannungstransformator bis zum Verbraucher. Seit 2004 setzt Siemens in der Abteilung Vorfeldentwicklung für die Entwicklung und Optimierung so genannter Schaltschlösser die Simulationssoftware RecurDyn ein.

In der Entwicklung von Niederspannungs-Schaltgeräten werden in Vorfeldentwicklung und Simulation neue Konzepte für Leistungsschalter erarbeitet und getestet. Um die Neuentwicklung der Schaltgeräte zu beschleunigen, werden möglichst viele Tests virtuell mit der Hilfe verschiedener Simulationstools durchgeführt.

„Vorfeldentwicklung und Simulation sind sehr eng verknüpft“, sagt Dr.-Ing. Michael Anheuser, Leitung Vorfeldentwicklung und Simulation bei Siemens AG Automation and Drives, Low-Voltage Controls and Distribution. „Es kommen äußerst unterschiedliche Tools, von einfachen Werkzeugen wie z.B. Excelmakros oder die Durchbiegungsformel bis hin zu komplexen CAE-Programmen, zum Einsatz. Für uns in der Vorfeldentwicklung liegt der größte Nutzen der Simulation in den Bereichen der frühzeitigen Modellgenerierung, Modellerstellung und Konzeptbewertung.“

Systemsimulation mit VorteilenDas Vorfeldteam um Dr. Anheuser macht sich Simulationswerkzeuge – unter anderem für Magnetfelduntersuchungen, in der Mehrkörpersimulation, bei der Strukturanalyse und für Strömungsberechnungen – intensiv zunutze.

Darüber hinaus ermöglicht die Methode der Systemsimulation es, das Zusammenspiel unterschiedlicher Subsysteme zu betrachten, um somit zu einer aussagekräftigen Beurteilung des Gesamtverhaltens eines Schalters zu gelangen. So können neue Konzepte für zukünftige Produktentwicklungen hinsichtlich Chancen, Möglichkeiten, Risiken und Einflussparametern effektiv und schnell bewertet werden.

Seit 2004 setzt Siemens in der Abteilung Vorfeldentwicklung für die Entwicklung und Optimierung so genannter Schaltschlösser – es handelt sich hierbei um komplexe kinematische Baugruppen – auch die Simulationssoftware RecurDyn ein. Mit Hilfe dieser Software können die Ingenieure ohne aufwändige Prototypen hochdynamische Bewegungsabläufe in den Schaltern schnell und zielführend untersuchen.

Um auch verstärkt interdisziplinär zu arbeiten, werden zur Zeit insbesondere die Module RecurDyn/Flex und RecurDyn/MFBD (Multi Flexible Body Dynamics) eingesetzt und getestet, da es mit diesen Tools möglich ist, FE-Untersuchungen im Rahmen der MKS-Analyse innerhalb der gleichen Softwareoberfläche durchzuführen. „Für den kombinierten Ansatz ist RecurDyn/MFBD das geeignete Tool“, bekräftigt Dr. Anheuser.

Auf der Suche nach einer langfristigen Lösung ...

... für die Siemens-spezifischen Aufgabenstellungen boten sich dem Unternehmen zunächst die Klassiker unter den MKS-Tools an, aber es wurden auch neue Softwareprodukte in Erwägung gezogen. „Zusammen mit RecurDyn kamen schließlich noch zwei weitere MKS-Tools in die engere Wahl und es wurden alle drei Tools ausführlich getestet“, erklärt Dr. Anheuser. RecurDyn wurde im Rahmen der Diplomarbeit des heutigen Siemens-Mitarbeiters Johannes Greiner betrachtet.

Schnell stellte sich für die Ingenieure in der Abteilung Vorentwicklung heraus, dass sich RecurDyn für die angestrebte Anwendung sehr gut eignet da es mit seinen umfangreichen Simulationsmöglichkeiten, seinem schnellen Solver, seiner Anwenderfreundlichkeit und seinem flexiblen Aufbau gleich mehrere Vorteile bietet.

„RecurDyn war eindeutig das beste Tool für unsere Anwendung. Darüber hinaus erfuhren wir durch die Firma FunctionBay eine gute technische Betreuung. Die Mitarbeiter von FunctionBay reagieren schnell und flexibel auf unsere Anfragen und leisten beachtliche Arbeit mit ihrem Support“, betont Dr. Anheuser.

Vom Konzept zum Produkt – mit virtuellem Prototyping immer auf dem richtigen Weg

Die virtuellen Modelle von Leistungsschaltern und Schaltschlössern werden bei Siemens sowohl innerhalb der CAD-Tools als auch – vor allem bei komplizierten Aufgaben und in der Neuentwicklung – direkt in den eingesetzten CAE-Werkzeugen erstellt. Auf diese Art und Weise wurde z.B. im Zuge einer Neuentwicklung mit Hilfe von RecurDyn in einer speziellen Studie untersucht, wie sich die Veränderung bestimmter Schlossparameter auf das Schaltverhalten auswirken.

„Dank der Simulation haben wir schnell festgestellt, dass zwei der verwendeten Parameter für die Toleranzkette des Schlosses kritisch werden könnten. Indem wir mehrere Parameter änderten, konnten wir die optimale Konfiguration ermitteln und die sehr kritischen Bereiche ausfindig machen und definieren. Diese gilt es dann in der Konstruktion zu vermeiden. Für die Entwicklung eines optimalen Schlosses ist gerade der zweite Punkt wichtig, denn bei der späteren Fertigung des Schalters kann es im Rahmen der zulässigen Toleranzen zur Abweichung von den Soll-Werten kommen.“ erklärt Dipl.-Ing. (FH) Johannes Greiner, Entwicklungsingenieur bei Siemens Automation and Drives, Low-Voltage Controls and Distribution.

Fokus Neuentwicklung

Auch wenn der Fokus der Abteilung Vorfeldentwicklung auf Neuentwicklungen liegt, unterstützt die Abteilung Konstrukteure und Entwickler anderer Abteilungen auch dabei, Veränderungen und Optimierungen von bereits bestehenden Schaltern durchzuführen. Vor allem hierbei werden die Modelle für die Simulation auch aus CAD-Tools übernommen und die Modelldaten in die zu verwendende Simulationssoftware geladen.

Dank der Simulation kann eine neue Idee bei bereits entwickelten Geräten hinsichtlich neuer Funktionen schnell und einfach überprüft und die Ursache von eventuell auftretenden Fehlfunktionen frühzeitig erkannt werden. Mit einer solchen Möglichkeit kann z.B. der Einfluss der Toleranz der Schlossfeder auf das Einschalten analysiert werden. Damit wird schnell bewiesen, dass bei gegebener Toleranz der Schlossfeder beim 4-poligen Schalter genügend Reserven vorhanden sind um das Schaltschloss in seine Endposition zu bringen und somit die volle Funktionstüchtigkeit erhalten werden kann.

Darüber hinaus bietet das Toolkit RecurDyn/MFBD, welches die Kopplung zwischen Strukturanalyse und MKS realisiert, die Möglichkeit, die Spannungen relevanter Bauteile in Abhängigkeit der Zeit und Toleranz der Schlossfeder zu analysieren.

Return on Investment – Simulation zahlt sich aus

In der Vorfeldentwicklung müssen sich die Ingenieure per Definition mit neuen Konzepten, Materialien, Techniken, Wechselwirkungen, Kundenanforderungen und Ansätzen beschäftigen und so das Know-how erst generieren, mit dem neue Ideen in Produkte umgesetzt werden können.

„Bei der Umsetzung neuer Ideen können wir uns nicht auf jahrelange Erfahrung berufen oder auf bereits bestehende Geräte zurückgreifen. Wir stützen uns auf die Simulation, um Zusammenhänge frühzeitig zu erkennen und die richtigen Entscheidungen zu treffen“, führt Dr. Anheuser weiter aus.

„Unser Ziel ist es, die Konstruktionen und Konzepte so zu gestalten, dass wir die Kosten in einem Gesamtoptimum sehen können. Dank Simulation können wir in einem frühen Entwicklungsstadium sehr viele verschiedene Ansätze und Konzepte betrachten, ohne reale Modelle zu erstellen oder uns überlegen zu müssen, wie diese technisch umzusetzen wären. So können wir uns frühzeitig für einen Weg entscheiden und beurteilen, welches das beste Konzept für unser neues Produkt ist“, erklärt Herr Dr. Anheuser.

Dieser Ansatz führt zu einer erheblichen Reduktion von Iterationsschleifen im Entwicklungsprozess und bietet somit deutliche Zeitgewinne. „Im Extremfall kann eine gravierende Iterationsschleife in unserem Entwicklungsprozess einen Zeitverlust von ca. sechs Monaten bedeuten, da unsere Produkte sehr komplex in ihrer Umsetzung sind und wir hohe Anforderungen an die Schnittstellen und Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Subsystemen haben.

Nicht nur Zeit, sondern auch Material einsparen

Darüber hinaus können wir heute mit der Simulation nicht nur Zeit, sondern auch Material einsparen. In zahlreichen Beispielen aus der Vergangenheit hätten wir mit den heute verfügbaren Simulationstools Einsparungen von bis zu 50% der Materialkosten erreichen können. Verbunden mit der Strukturanalyse hilft auch die Mehrkörpersimulation dabei, Zeit und Material einzusparen und damit Kosten einzudämmen. Diesen Bereich möchten wir in Zukunft mit dem Toolkit RecurDyn/MFBD vor allem für unsere hochdynamisch beanspruchten Bauteile, noch weiter ausbauen, um weitere Optimierungen zu erzielen“, sagt Dr. Anheuser.

FunctionBay

Tel. +49(0) 89-322 098 27

 

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