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Aerodynamik

Formoptimierung mit CAD und Simulation: ein praxisorientierter Leitfaden

| Autor/ Redakteur: Jörg Palluch / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Optimale Konstruktionen mit verbesserter Leistung bei hoher Robustheit – so die Ziele der vermutlich meisten Neuentwicklungen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über das Vorgehen bei der aerodynamischen Formoptimierung.

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Formoptimierungen gehören zum Tagesgeschäft von Konstrukteuren und Simulationsingenieuren.
Formoptimierungen gehören zum Tagesgeschäft von Konstrukteuren und Simulationsingenieuren.
(Bild: Friendship Systems)

Strömungs- und aerodynamische Formoptimierungen gehören mittlerweile zum Tagesgeschäft von Ingenieuren im Simulationsbereich. Simulationsingenieure aus der Luftfahrt-, Automobil- oder Turbomaschinenbranche sind daran interessiert, optimale Konstruktionen mit verbesserter Leistung, aber auch mit einer hohen Robustheit in Bezug auf verschiedene Betriebspunkte zu finden.

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Sie untersuchen Größen wie Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten, Wirbelstrukturen, Druck-, Schubspannungs- und Geschwindigkeitsverteilungen und versuchen, die Strömungs- und Struktureigenschaften ihrer Produkte so zu verbessern, dass diese optimal sind. Dank der mittlerweile erschwinglichen Hardware-Ressourcen können Ingenieure ihren Konstruktionsprozess jetzt mit wenigen Klicks skalieren, um hunderte oder sogar tausende von Konstruktionsvarianten auf HPC-Clustern zu untersuchen.

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Anleitung zur Formoptimierung

Dieser Artikel konzentriert sich darauf, eine erste schnelle und praktische Anleitung zur Formoptimierung mit CFD (Computational Fluid Dynamics) und anderen Simulationswerkzeugen zu geben. Untersucht werden die Anforderungen an die Geometriemodelle, die Vernetzung und den Simulationsaufbau, aber auch Optimierungsstrategien und die Verteilung von Simulationen auf HPC-Systemen.

1. Parametrische Modelle zur aerodynamischen Formoptimierung

In vielen Organisationen sind die vorhandenen CAD-Modelle ihrer Produkte (z. B. Flugzeugaufbauten und -flügel, Turbinen, Fahrzeugkomponenten usw.) typischerweise vollparametrisch aufgesetzt. Wenn es jedoch um variable Geometrie geht, die robust und direkt bereit ist für eine Optimierungsschleife, tun sich viele der traditionellen CAD-Systeme im Markt irgendwann schwer. Die wiederholte und automatisierte Erzeugung der Geometrie wird dabei oft unerwartet unterbrochen und gibt einen Fehler zurück, oder zeigt irgendwelche Probleme im Ergebnis.

Manuelle Eingriffe häufig erforderlich

Gründe könnten beispielsweise eine fehlgeschlagene Schnittoperation (Boolean Operation) oder eine kritische Verrundung sein. Ferner ist oft auch das automatische Einhalten von Geometrie-Constraints überhaupt nicht zu automatisieren und erfordert manuelle Eingriffe. Für die 3D-Vernetzung neuer Designkandidaten müssen am Ende zusätzlich alle Flächen-IDs, z.B. über Namen, für jedes Design gleich sein, da die IDs häufig in Vernetzungswerkzeugen referenziert werden.

Anforderungen an die CAD-Software

Deshalb benötigt es für Optimierungsprozesse spezielle Geometrie und ein parametrisches Modell, das für die Automatisierung vorbereitet ist. Die Auswahl der hierfür eingesetzten CAD-Software sollte idealerweise folgende Aspekte berücksichtigen:

  • Der Automatisierung gewidmet: Das CAD-Werkzeug muss sicherstellen, dass flexible parametrische Technologien angeboten werden, die entweder zusätzlich oder sogar ausschließlich auf Automatisierung ausgerichtet sind. Ein Batch-Modus des Tools (d.h. das Ausführen und Exportieren von Geometrie ohne grafische Benutzeroberfläche) ist ein Muss. Einige der auf dem Markt befindlichen CAD-Werkzeuge wurden ursprünglich nicht für diese Aufgabe entwickelt, und zielen auch nicht auf einen solchen Konstruktions- bzw. Optimierungsprozess ab.
  • Robustheit: Die Geometrie sollte immer zu 100% robust sein, d.h. das Regenerieren neuer Geometriekandidaten sollte niemals fehlschlagen, damit eine Optimierung effizient arbeiten kann.
  • Innovation: Als Aerodynamiker muss man in der Lage sein, neue Ideen (z. B. strömungsrelevante Merkmale) sehr schnell in das Geometriemodell einzupflegen, entweder zusammen mit der CAD-Abteilung oder selbständig über spezielle auf Simulation ausgerichtete CAD-Tools. Nur so kann umfassend experimentiert und zügig Innovation geschaffen werden, was wiederum zu Wettbewerbsvorteilen führt.
  • Parameter-Reduktion: Das CAD-Tool sollte intelligente Techniken zur Parameter-Reduktion anbieten, um die Gesamtsimulationszeit bei der Optimierung zu minimieren. Dies können entweder effiziente parametrische Modellierungstechniken oder integrierte Methoden wie PCA (Principal Component Analysis) sein.
  • Bezeichner/IDs: Eine wichtige Anforderung an die Geometrie ist häufig, dass die Face-IDs und -Namen für alle generierten Designs beibehalten werden, um die Vernetzung und die Simulation zu automatisieren. Dies ist für einige Vernetzungstools zwingend erforderlich, um ein vorab aufgezeichnetes Skript wiederholt ausführen zu können. Diese IDs müssen im Geometriemodell aber auch in der exportieren Geometrie (Parasolid, Step, Iges, STL etc) zu finden sein.
  • Einschränkungen: Vorteilhaft ist, wenn die Geometrieeinschränkungen (Constraints) automatisch für jedes Design eingehalten werden. Dazu gehören Querschnittsflächen, Volumen, Dicken und Mindestabstände (Verpackung) usw. Für diese Aufgaben muss das CAD-Werkzeug integrierte Optimierungsmethoden anbieten, die zum Definieren der Geometrie verwendet werden können. Dadurch wird auch das Erzeugen unnötiger (invalider) Designs vermieden, was wiederum massiv Zeit einsparen kann.
  • Automatisiertes Pre-Processing: Meist fordern CAE-Tools zur Vernetzung von z.B. STL-Geometrie eine hohe Geometrie-Qualität. Die Geometrie muss geschlossen sein, und einzelne Patches müssen in der Oberflächenauflösung steuerbar sein. Das CAD-Werkzeug sollte in der Lage sein, die exportieren Geometrien entsprechend bereitzustellen.

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