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Live-Simulation Entwerfen, experimentieren und validieren

Von Gerhard Friederici

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CADFEM Germany GmbH
invenio AG
GWJ Technology GmbH

Für den Hydraulik-Experten Hawe spielt Simulation im Produktentstehungsprozess eine wesentliche Rolle: Sie trägt dazu bei, dass die Entwicklungszeiten verkürzt und neue Ideen schnell umgesetzt werden können. Mit Ansys Discovery wird jetzt eine Lösung eingesetzt, die auch den zukünftigen Anforderungen gewachsen sein wird.

Bei Hawe Hydraulik ist Simulation schon fest im Produktentstehungsprozess verankert. Mit der Echtzeitsimulation Ansys Discovery geht das Unternehmen jetzt noch einen Schritt weiter. (Bild: Hawe Hydraulik SE)
Bei Hawe Hydraulik ist Simulation schon fest im Produktentstehungsprozess verankert. Mit der Echtzeitsimulation Ansys Discovery geht das Unternehmen jetzt noch einen Schritt weiter.
(Bild: Hawe Hydraulik SE)

Wenn Stefan Macho, Leiter der Simulation bei Hawe, unterwegs ist, Traktoren und Mähdrescher auf den Feldern sieht, Holztransporter am Waldesrand, die gerade beladen werden, aber auch Müllfahrzeuge am Stadtrand, Kranwagen auf Baustellen, Gabelstapler auf Firmengeländen und die Schneeräumfahrzeuge vor sich auf der Straße, dann ist ihm bewusst, dass viele dieser Fahrzeuge nur deshalb ihre Funktion erfüllen können, weil sie mit Hydraulikkomponenten von Hawe ausgestattet sind.

Hawe ist einer der führenden Hersteller von Hydraulikkomponenten und -systemen mit 2.500 Mitarbeitern weltweit. Durch eine konsequente Stahlbauweise sind die Hydraulikkomponenten auf hohe Drücke ausgelegt.

Die hohe Fertigungstiefe gewährleistet die Herstellung von nahezu leckagefreien Ventilen und ermöglicht auch kurzfristige Anpassungen an Kundenwünsche. Die Hydraulikventile, die in großer Vielfalt aus einem Baukasten wählbar sind, werden mit mechatronischen Steuerungen zu einer energieeffizienten und intelligenten Einheit kombiniert.

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Wie lässt sich der Entwicklungszyklus verkürzen?

Die Simulation spielt im Produktentstehungsprozess bei Hawe eine wesentliche Rolle. Sie trägt dazu bei, dass zum einen die Entwicklungszeiten verkürzt und zum anderen immer wieder neue Ideen und Entwicklungsansätze entstehen und schnell umgesetzt werden. Typische Simulationsanwendungen im CFD-Bereich sind die Optimierung von Druckverlusten in Hydraulikblöcken und Ventilen sowie die Analyse der Strömungskräfte auf die Struktur.

Die hydraulischen Anregungsmechanismen sind ein wesentlicher Bestandteil der Geräuscherzeugung von hydraulischen Anlagen. Das Verständnis für diese Mechanismen zu erhöhen, liegt im Untersuchungsfokus der Entwicklungsingenieure, um die Geräusche anhand verschiedener Optimierungsmöglichkeiten zu minimieren.

„Unser Entwicklungsprozess ist zeitlich von vielen Faktoren abhängig wie Lieferzeit, Kapazitäten, Prüfständen“, erklärt M.Eng. Stefan Macho, Leiter R&D Simulation und stellvertretender Bereichsleiter Simulation & Testing Center. „Deshalb ist es nicht ungewöhnlich, wenn eine klassische Entwicklungsschleife mit physikalischen Prototypen in der Hydraulikentwicklung mehrere Monate in Anspruch nimmt. Wir sind natürlich daran interessiert, den Entwicklungszyklus zu verkürzen.“

Eine Maßnahme dazu ist die Zusammenführung der bisherigen Abteilungen Simulation und Versuch in den Bereich „Simulation & Testing Center“. Damit lassen sich Synergieeffekte bei der Zusammenarbeit von Simulation und Versuch verstärken und Zeit und Kosten senken, die bei der Untersuchung von Erstprototypen auf den Prüfständen entstehen.

In den letzten Jahren haben wir die Simulation erfolgreich in unseren Entwicklungsprozess integriert“, berichtet Stefan Macho. „Eine Entwicklungsschleife mit virtuellen Prototypen ist jetzt in wenigen Wochen realisierbar. Mit diesem Erfolg stiegen nun die Anfragen aus unserer Konstruktion nach Simulationen.

Stefan Macho, Leiter R&D Simulation, Hawe Hydraulik SE

Tipp: Erfolgsfaktoren für den Einsatz von Live-Simulation

Das Whitepaper „7 plus 1 Gründe, warum Sie live simulieren sollten“ von Cadfem zeigt die Vorteile von Simulation für die Konstruktions- und Entwicklungspraxis auf.

Hier geht's zum Whitepaper.

Simulationslösungen für Konstrukteure

Ziel war es deshalb, Konstrukteure und Entwickler mit geeigneten Simulationslösungen auszustatten, damit sie Simulationen schnell selbst durchführen können. Die dafür notwendige Qualifizierung bringen die jüngeren Ingenieure bereits aus ihrer Ausbildung mit. Das heißt, sie können und wollen auch selbst simulieren. Gegenüber einer Erhöhung der Anzahl der Simulationsexperten bringt das nachhaltige Vorteile, denn einerseits können mehr Mitarbeiter simulieren und andererseits wird die höhere Eigenverantwortung von allen Seiten positiv beurteilt.

Folglich wurde 2019 nach einem Simulationswerkzeug gesucht, mit dessen Hilfe die Konstrukteure ihre Standardaufgaben im CFD-Bereich (Computational Fluid Dynamics – Strömungsanalyse) selbständig lösen können. Nach ausführlicher Evaluierung ist Anfang 2020 die Wahl auf die Ansys-Software Discovery gefallen.

Zusätzlich zum CFD-Paket sind in Discovery auch noch die Funktionen für die Mechanik-Simulation enthalten. Damit können unsere Konstrukteure effizienter simulieren als bisher mit den Berechnungsmöglichkeiten in ihren CAD-Systemen.

Stefan Macho, Leiter R&D Simulation, Hawe Hydraulik SE

„Entscheidend war sicherlich einerseits die Einfachheit und Schnelligkeit des Systems beim Experimentieren, aber andererseits auch die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit“, betont Stefan Macho. „Und natürlich auch der Preis hat gestimmt. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass zusätzlich zum CFD-Paket auch noch die Funktionen für die Mechanik-Simulation enthalten sind. Damit können unsere Konstrukteure effizienter simulieren als bisher mit den Berechnungsmöglichkeiten in ihren CAD-Systemen.“

Experten konzentrieren sich auf komplexe Aufgaben

Ziel ist es, die bisherigen Iterationsschleifen zwischen Konstruktion und Simulation den Konstrukteuren zum großen Teil selbst zu überlassen. Die Simulationsexperten können sich so durch gezielte Nutzung von Simulation und Versuch auf die Verifizierung der „Produktanforderungen“ fokussieren, sie virtuell prüfen und freigeben. Somit werden Zeitfenster frei, die eine genaue Abbildung auch komplexer Phänomene in der Simulation ermöglichen.

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Als Stefan Macho und seine Kollegen von den erweiterten Möglichkeiten der neuen Discovery-Version hörten, waren sie gerne bereit, die Software vorab zu testen. Besonders interessant war für sie, dass Discovery ein Werkzeug ist, dass alle notwendigen Funktionen im Produktentwicklungsprozess vereint:

  • Der Konstrukteur kann durch die Echtzeitsimulation direkt mit neuen Ideen spielen und experimentieren.
  • Fragestellungen, die mehr Funktionalität benötigen und die bis hin zur Validierung analysiert werden müssen, lassen sich mit Discovery nahtlos im Detail untersuchen.
  • Zusätzlich konnten auch die Schnittstellen zu den Tools für die Simulationsexperten die Hawe-Ingenieure überzeugen.

„Wir freuen uns darauf, dass Discovery uns in den nächsten Versionen noch viele weitere Funktionen bereitstellen wird“, erklärt Stefan Macho. „Aber wir sehen schon klar das jetzt vorhandene Potenzial und sind überzeugt, dass das Konzept sehr gut zu unseren Zielen passt. Explore mit seiner enormen Rechengeschwindigkeit ist wirklich cool. Da Discovery genau, schnell, zuverlässig, robust und nachvollziehbar arbeitet, wird es uns helfen, bei unseren Konstrukteuren die selbständige Variantenuntersuchung als Standard zu etablieren“

Besseres Verständnis für das physikalische Verhalten

Offenkundig ist, dass sich die Hawe-Ingenieure insgesamt gesehen durch die Simulation ein besseres Verständnis für das physikalische Verhalten ihrer Produkte erarbeitet haben. Das führt zu mehr Leistungsfähigkeit und Qualität, aber auch zu höherer Effektivität in der Produktentwicklung und kürzeren Entwicklungszeiten. Die höhere Produktqualität schlägt sich auch in Effizienzsteigerungen beim Einsatz beim Kunden nieder. Zusätzlich lassen sich Unsicherheiten ausschalten, weil der Konstrukteur schon im frühen Entwicklungsprozess das physikalische Produktverhalten untersuchen und bewerten kann.

Simulation und Versuch gehen Hand in Hand

„In unserem Test hat sich die Discovery Software als interessante Ergänzung zum Versuch erwiesen“, betont Stefan Macho. „Jeder Ingenieur aus dem Versuchsbereich kann mit Discovery parallel auch eine Plausibilitätsprüfung durchführen. Die geschickte Kombination von Geometriemodifikationen und simultaner Berechnung von Strömung und Struktur ist für uns sehr hilfreich, da der Versuchsingenieur so die Prüfmethodik im Vorfeld verbessern kann. Damit gehen Simulation und Versuch Hand in Hand und überprüfen sich gegenseitig. Wenn beide die gleiche Richtung aufzeigen, wird die Sicherheit – auf dem richtigen Weg zu sein – extrem erhöht.“

Mit dem neuen Discovery haben die Konstrukteure bei Hawe alles in einer modernen Oberfläche, fasst Stefan Macho zusammen und zählt auf:

  • In der Simulationsumgebung kann auch die Geometrie schnell und einfach geändert werden.
  • CFD- und Mechanik-Simulation, um Ideen selbst auszutesten.
  • Discovery bietet mehr Funktionalität als typische CAD-integrierte Simulationswerkzeuge.
  • Wichtig ist auch die Zuverlässigkeit und Nachvollziehbarkeit der Solver-Ergebnisse in Analyze. Da bewährte Ansys-Technologie eingesetzt wird, können die Simulationsexperten beruhigt Standardaufgaben abgeben.
  • Aber das wirklich sensationelle ist die hohe Berechnungsgeschwindigkeit von Explore.

Das sagen Anwender bei Hawe zu Ansys Discovery

Thomas Eiblmeier, CAE-Experte Strömungssimulation:
„Bei Konstrukteuren wird mit Discovery das Verständnis für CFD geweckt. Die einfache Bedienung und die schnellen Ergebnisse erleichtern die Visualisierung des physikalischen Verhaltens. Und die Genauigkeit der Ergebnisse kann sich sehen lassen. Bei Standardaufgaben haben meine Vergleiche eine Abweichung von 10 Prozent gezeigt. Das sind für Vorabschätzungen gute Ergebnisse.“

Eva Greisel, Entwicklungsingenieurin:
„Als Konstrukteurin verstehe ich mein Produkt und seine Anforderungen am besten. Ich weiß, welches Verhalten ich erwarte und wo gegebenenfalls kritische Stellen liegen. Somit kann ich in der Simulation gezielt meinen Fokus legen. Anstatt dem Simulationsexperten mein Modell und meine Idee zu erklären – er muss sich in meine Konstruktion ja auch erst einmal hineinversetzen – kann ich mit Discovery selbst ausprobieren, welche Modifikationen zu besseren Ergebnissen führen. Das spart uns allen viel Zeit. Zudem entwickeln wir durch die Simulation ein besseres Verständnis für die Strömung im Ventil und somit auch für das Produktverhalten. Das hilft uns, noch schneller eine bessere Funktionalität, nicht nur für das aktuelle, sondern auch für zukünftige Produkte, zu erreichen. So stärken wir unsere Position und helfen unseren Kunden.“

Florian Weber, Entwicklungsingenieur:
„Ich finde Discovery sehr wertvoll. Es ist einfach, intuitiv und modern. Ich war überrascht, wie schnell und einfach ich mir das Bedienkonzept angeeignet habe und wie viel ich in meinen Modellen sehen kann. Die visuelle Aufbereitung ist fantastisch!“

* Gerhard Friederici, Cadfem GmbH

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