Einfach Weitermachen ist keine Option – Vorteile der technischen Simulation

Veränderte Klimaziele, Nachhaltigkeitserwartungen der Kunden und der Zwang zur Reduzierung der Abfallmengen fordern die Industrie, zukunftsweisende energieeffiziente Innovationen zu realisieren. Weitermachen mit der vorhandenen Technologie ist hierbei keine Option. Deshalb nutzt die Industrie – vom Startup bis zum multinationalen Unternehmen – die technische Simulation, um die erhöhte Komplexität in den Griff zu bekommen. Außerdem werden wichtige technische Anwendungen in den Bereichen Elektrifizierung, Maschinen- und Treibstoffeffizienz, Aerodynamikdesign, Leichtbauweise sowie thermische Optimierung angegangen.

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Ansys

Nachhaltigkeitsinitiativen mit dem Ziel, die Mission und die Werte eines Unternehmens in Einklang zu bringen, sind gut für‘s Geschäft. Branchenführer streben heute ganzheitlich nach Wachstum durch Produktinnovation zur Erfüllung gesetzlicher Anforderungen und der „grünen“ Erwartungen der Kunden. Prozessinnovation minimiert zudem die Abfallmengen und beschleunigt die Markteinführung. Die technische Simulation ist die einzige praktikable Möglichkeit, den hohen Zeit- und Kostenaufwand für physische Tests der immer komplexeren und zunehmend softwarebasierten Systeme zu reduzieren und die erforderlichen Innovationen zu realisieren.

Unternehmen setzen in diesem Zuge auf die Unterstützung durch eine Simulationsplattform, die komplette virtuelle Prototypen und ein erweiterbares Ökosystem ermöglicht. Kunden haben steigende Erwartungen an „umweltfreundliche“ Produkte. Diese Bewegung, ehemals eine Nischenerscheinung, entwickelt sich schnell zum Mainstream. Außerdem sind Investoren eher bereit in Unternehmen zu investieren, bei denen Nachhaltigkeit Bestandteil der Geschäftsstrategie ist.

Unternehmen, in denen die technische Simulation bereits genutzt wird, können das Verhalten eines Produktes – beispielsweise das Zusammenwirken verschiedener physikalischer Effekte oder das Verhalten eines softwaregesteuerten Systems – in einer einzigen Simulation auf einer gemeinsamen Plattform umfassender beurteilen. Außerdem sind sie besser in der Lage, die Herausforderungen der Produktkomplexität und Systemabhängigkeiten zu meistern.

Der verstärkte Einsatz der technischen Simulation verringert die Zahl der erforderlichen physischen Prototypen sowie Abfall und Kosten und verkürzt den Produktentwicklungszyklus insgesamt. Für Anbieter von zukunftsweisenden energieeffizienten Innovationen ist die Integration der technischen Simulation von der Bauteil- bis zur Systemebene eines der wichtigsten Mittel für die Wertschöpfung.

Hochentwickelte Elektrifizierung

Die Bestrebungen für eine hochentwickelte Elektrifizierung zur Ablösung herkömmlicher mechanischer Steuerungsfunktionen durch elektromechanische Systeme werden durch die weltweite Nachfrage nach höherer Treibstoffeffizienz und durch die Suche nach leistungsfähigeren Produkten forciert. Elektrisch angetriebene Produkte sind komfortabler, einfacher zu warten, leichter und kompakter. In der Automobilindustrie erleben wir die Zunahme von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und in der Luftfahrtindustrie die Entstehung stärker elektrifizierter Flugzeuge.

Maschinen- und Kraftstoffeffizienz

Zur Verbesserung der Maschinen- und Treibstoffeffizienz müssen die Entwickler nicht nur die Leistung jeder Komponente für sich gesehen optimieren, sondern auch, wie die Komponenten mit vielen anderen im System zusammenarbeiten. So müssen die Pumpe, der Motor und die Last aufeinander abgestimmt sein, um beim Starten und im gesamten Betriebszyklus mit maximaler Effizienz zu arbeiten. Die technische Herausforderung besteht darin, die sich hieraus ergebenden komplexen – und oft kollidierenden – Alternativen miteinander in Einklang zu bringen. So steigern beispielsweise höhere Zündtemperaturen für Verbrennungsturbomaschinen oder Motoren die Effizienz, führen jedoch auch zu Emissionsproblemen, die gelöst werden müssen. Es gibt viele weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz. Die Schwierigkeit dabei ist, dies zu erreichen, ohne wesentliche Eigenschaften des Gesamtsystems zu gefährden, wie z. B. Haltbarkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Kosten, Nachhaltigkeit oder Performance.

Pratt and Whitney verringern CO2-Emissionen um 3.000 Tonnen pro Flugzeug

Das Pure Power-Triebwerksdesign von Pratt and Whitney verkörpert einen der größten Fortschritte, der in den vergangenen 50 Jahren bei Strahltriebwerken erzielt wurde. Durch die Einführung eines innovativen Geared Turbofan (GTF)-Triebwerks konnte das Unternehmen Verbesserungen von über 15 Prozent beim Treibstoffverbrauch erzielen und die jährlichen CO2-Emissionen um über 3.000 Tonnen pro Flugzeug verringern. Nach Angaben von Al Brockett, des früheren Vice President of Engineering Module Centers, hätte das Unternehmen dieses Produkt ohne die Einbeziehung der technischen Simulation nicht entwickeln können. Die Simulation stellt sicher, dass Tausende von Ingenieuren und Mitarbeitern in aller Welt effizient arbeiten können, da sie Funktionen nach Bedarf integrieren und kostspielige Nacharbeiten vermeiden.

Aerodynamik

Im Luftfahrtsektor arbeiten die Fluggesellschaften mit sehr geringen Gewinnmargen. Gleichzeitig hat sich die Luftfahrtindustrie zu anspruchsvollen Umweltzielen verpflichtet, z. B. einer Reduzierung der CO2-Emissionen um 50 Prozent und einer Minderung der NOx-Emissionen um 80 Prozent bis 2020 im Rahmen der ClearSky-Initiative. Daher fordert die Luftfahrtindustrie von den Flugzeugherstellern und ihren Zulieferern Flugzeuge mit maximaler Treibstoffeffizienz. Verbesserungen der Aerodynamik haben erhebliche Auswirkungen auf den weltweiten Energieverbrauch im Verkehrswesen und ermöglichen Kosteneinsparungen für die Betreiber.

Genaue Vorhersage der Aerodynamik von Flugzeugen

Während der Lebensdauer eines Flugzeugs können auch geringe Verbesserungen beim Luftwiderstand große Auswirkungen haben. Daher benötigt die Luftfahrtindustrie in der Designphase genaue Vorhersagen zum Luftwiderstand. Diese Informationen können in physischen Tests nur sehr schwer, zeitaufwendig und kostspielig gewonnen werden. Damit aerodynamische Simulationen mit den Anforderungen der Industrie Schritt halten können, führt das American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) in seinem „Drag Prediction Workshop“ regelmäßige und kontinuierliche Benchmark-Tests durch. Die mit Computational Fluid Dynamic-Tools von ANSYS erhaltenen Resultate zeigen durchgehend eine hohe Übereinstimmung mit den im Workshop experimentell bestimmten Testdaten und erfüllen die Leistungsanforderungen der Industrie.

Piaggio Aero verbessert die Gleitzahl um ein Prozent in einem Zehntel der Zeit

Bei Piaggio Aero Industries war es erforderlich, neue Tragflächendesigns wesentlich schneller als mit den bisherigen monatelangen Verfahren zu beurteilen. Mit Hilfe von ANSYS CFD und DesignXplorer konnte das Unternehmen innerhalb weniger Wochen eine optimale Konstruktion finden, die eine um 1 Prozent verbesserte Gleitzahl (das Verhältnis zwischen Auftriebs- und Luftwiderstandsbeiwert) aufweist, und deren Robustheit überprüfen. Mit herkömmlichen Methoden war der Zeitaufwand zehnmal höher.

Effektive Leichtbauweise

Je schwerer ein Objekt ist, desto mehr Energie ist erforderlich, es von einem Ort zum anderen zu bewegen. Der Verkehrssektor ist daher richtungsweisend, wenn es darum geht, Flugzeuge, Züge und Kraftfahrzeuge leichter zu machen, um die Treibstoffkosten zu senken und die Umweltauswirkungen der Verkehrsmittel zu verringern, ohne die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Dies wird in der Konstruktionstechnik als effektive Leichtbauweise bezeichnet.

Es gibt zwei grundlegende Ansätze, Konstruktionen leichter zu machen – und beide erfordern umfassende technische Analysen: Zum einen können die Konstrukteure herkömmliche Werkstoffe wie Stahl oder Aluminium durch leichtere Alternativen wie Verbundmaterialien (Composites), Keramik oder Kunststoff ersetzen. Zum anderen können die Konstruktionsteams die Form eines Bauteils verändern, um Material einzusparen. Einfache Veränderungen der Geometrie, z. B. der Breite, Dicke, Größe oder der Anzahl der Löcher, sind eine attraktive Lösung, da sie nur minimale Auswirkungen auf die Fertigung haben. Mit der Einführung der additiven Fertigung und des 3D-Drucks können die Konstrukteure Designs produzieren, die mit traditionellen Fertigungsverfahren bisher nicht möglich waren und damit neue Möglichkeiten für die Gewichtsreduzierung realisieren.

Vorteile einer Simulationsplattform vom Bauteil bis zum System

Die vorgestellten Anwendungsbeispiele belegen, dass führende Unternehmen den Einsatz der Simulation von der Produkt-Komponente bis zum Produkt-Teilsystem und zur Systemebene ausweiten. Um dies effektiv zu tun, sind sowohl Simulationstechnologien wie auch eine Simulationsplattform erforderlich. Übrigens: Untersuchungen haben gezeigt, dass Unternehmen durch die Konsolidierung auf einer Simulationsplattform eine um 20 Prozent verbesserte Einhaltung der geplanten Produktkosten, eine Verkürzung der Entwicklungszeit um 22 Prozent und eine Reduzierung der Software-Gesamtkosten um 7 Prozent über 12 Monate erzielen können. (mz)

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