Formoptimierung mit CAD und Simulation: ein praxisorientierter Leitfaden

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2. Vernetzung und Simulation automatisieren

Sobald die Geometrie für die Automatisierung vorbereitet ist, muss die Vernetzungs- und Simulationsstrategie festgelegt werden. In den meisten Fällen verfügen die Simulationsingenieure bereits über Simulations-Setups, die lediglich automatisiert werden.

Einfache Simulation zu Beginn der Entwicklung

Typischerweise kann in einer ersten Phase (Exploration) oft mit einfacheren Simulationsansätzen gearbeitet werden, z.B. Potentiallösern oder anderen Vorauslegungstools. Diese Berechnungen sind viel schneller als die deutlich genaueren RANS-Codes (Reynolds-gemittelte Navier-Stokes) und helfen, eine vielversprechende Richtung im Designprozess zu finden. Dabei muss sichergestellt werden, dass die erste „einfache“ Lösung wirklich die Informationen liefert, die benötigt werden – d.h. ausreichend Genauigkeit für grobe Prognosen vorhanden ist. Da spielt die Erfahrung des Ingenieurs in dem Aufsetzen des Setups und der Bewertung eine entscheidende Rolle.

Automatisierung der Simulation

Egal für welchen Ansatz oder welche Software man sich entscheidet: Alle diese Simulationswerkzeuge müssen automatisiert werden, was für die meisten CAE-Lösungen auf dem Markt immer einfacher wird. Normalerweise bieten diese auch einen Batch-Modus. In der Regel muss eine Art Aufzeichnung (Script Recording) einmalig durchgeführt werden, das dann automatisiert erlaubt, die Baseline-Geometrie durch neue Design-Kandidaten zu ersetzen. Beispiele für Vernetzungs- und Simulationswerkzeuge, die automatisiert werden können, sind z.B. Ansys-Software, Star-CCM+, Numenca-Werkzeuge, TCFD, Grid-Pro, Pointwise.

Effizient durch Adjoint CFD

Neben Potentiallösern und Standard-RANS-Lösern existieren auch weitere clevere Ansätze im Simulationsbereich, etwa das Nutzen von Adjungierten Lösungen (Adjoint CFD). Diese finden immer mehr Einzug in Ingenieursanwendungen aufgrund ihrer effizienten Einsatzmöglichkeiten in der Optimierung. Tools wie Caeses können das parametrische Modell auch mit der adjungierten CFD-Lösung verknüpfen, um nur die wichtigsten Geometrieparameter für die Optimierung zu nutzen. Die Automatisierung von Adjoint CFD ist ebenfalls recht einfach. In den meisten Fällen wird nur eine zusätzliche Ergebnisdatei berücksichtigt.

Festigkeitsanalyse

Wenn nicht nur die Strömungseigenschaften einer Komponente, sondern auch das strukturelle Verhalten berücksichtigt werden soll, so müssen diese zusätzlichen Berechnungen ebenfalls integriert werden (hier ein Beispiel für eine Turbomaschine). Da Festigkeitsanalysen andere Anforderungen als die CFD haben, sind ggf. andere Schritte z.B. in der Geometrieaufbereitung nötig, um sie in die vollständige Optimierungsschleife zu integrieren. Erfahrungsgemäß können Firmen oft mehrere Monate Entwicklungszeit einsparen, wenn die Abteilungen der Strömungssimulation und der Festigkeitsanalyse eng bei Formoptimierungsaufgaben zusammenarbeiten, d.h. es schaffen, ihre Setups zusammenzubringen und zu automatisieren.

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