Simulation im Liebherr-Werk Ehingen, Teil 1 Hohe Anforderungen im Kranbau mit Simulation stemmen

Ein Gastbeitrag von Thomas Löffler

Wie Giraffenhälse in einem Zoo ragen die Masten und Ausleger der Mobilkräne in den Himmel. Seit der Gründung 1969 entwickelte sich Liebherr stetig weiter, ein Erfolgsfaktor ist der Einsatz von Simulation mit Ansys und Cadfem. Wir zeigen außergewöhnliche Projekte und wie Simulation in der Liebherr-Entwicklung eingesetzt wird.

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Im Liebherr-Werk Ehingen hat man sich auf mobile Krane spezialisiert – und baut auf Simulation für deren Entwicklung, wie unsere dreiteilige Serie zeigt.
Im Liebherr-Werk Ehingen hat man sich auf mobile Krane spezialisiert – und baut auf Simulation für deren Entwicklung, wie unsere dreiteilige Serie zeigt.
(Bild: Liebherr-Werk Ehingen)

Die Faszination packt einen sofort beim Anblick eines Kranes: Die Größe und die Wirkung der Kräfte beim Bewegen der enormen Lasten zieht einen unweigerlich in seinen Bann. Seit der ersten Anwendung von Hebezeugen im antiken Griechenland ist der Kran von keinem Großbauprojekt mehr wegzudenken. Findige Menschen haben seither die Krankonstruktion immer mehr verfeinert. Der typische Turmdrehkran, den heute jeder zuerst mit dem Wort „Kran“ assoziiert, ist 1949 von Hans Liebherr als „fahrbarer Turmdrehkran“ erfunden worden. Mit dieser Innovation legte er den Grundstein für den Erfolg seiner Firmengruppe.

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Im Liebherr-Werk Ehingen, kurz LWE, hat man sich auf mobile Krane spezialisiert. Hans Liebherr persönlich hat den Standort 1969 gegründet. Bis heute sind dort alle zugehörigen Kompetenzen vereinigt. Bei LWE werden vor allem zwei Arten von mobilen Kranen entwickelt und hergestellt: „All-Terrain-Krane“ und „Gittermast-Raupenkrane“.

  • All-Terrain-Krane sind bereift, geländegängig und haben zumeist eine Straßenzulassung.
  • Bei einem Gittermast-Raupenkran erfolgt die Montage der Kranbaugruppen erst auf der Baustelle, bevor sich die Giganten mittels Raupenantrieb bewegen.

Auf einen Blick

Das Produktsegment Mobil- und Raupenkrane gehört zu den umsatzstärksten der Liebherr-Gruppe. Über 3.500 Beschäftigte aus Forschung und Entwicklung, der Produktion sowie dem globalen Vertrieb und Service orientieren sich dort an den Bedürfnissen der Kunden. Die modernen Teleskop- und Gittermastkrane sind auf Mobil- und Raupenfahrwerken montiert. Schon seit der Gründung legt Liebherr auf einen hohen technologischen Standard Wert. Deshalb wird intensiv in Forschung und Entwicklung investiert.

Außergewöhnliche Projekte bei Liebherr

Das ausgeprägte Wissen um bewegliche Tragwerkskonstruktionen von LWE ist international anerkannt, weshalb immer wieder Sonderprojekte durchgeführt werden.

  • So konstruierte LWE für den Bau der Kurushima-Hängebrücken in Japan die dieselhydraulischen Schwerlastwinden zum Anheben der 30 m breiten und 540 t schweren Brückensegmente.
  • Ein anderes ungewöhnliches Projekt war die Realisierung von 250 Großflächenschirmen für die Piazza der Prophetenmoschee im saudi-arabischen Medina. Sie bilden das größte wandelbare Dach der Welt. Unter jedem der 20 m hohen Schirme finden 800 Pilger Platz. Obwohl ein Schirm 45 t wiegt, wirken diese grazil und fügen sich mit ihrer vergoldeten Spitze und Krone nahtlos in die Architektur der Moschee ein. In weniger als 15 Minuten lassen sie sich elektromechanisch öffnen oder schließen und gleichen geschlossen in ihrem Umriss kleinen Minaretten.
  • Krane von LWE sind auch gefragt beim Aufbau von gigantischen Windkraftanlagen wie im Windpark Holzhausen bei Paderborn. Souverän stellte der neue LR 1700-1.0 den vorgefertigten 96 Meter hohen Betonturm zur Anlage mit einer Nabenhöhe von 164 Metern auf. Die schwersten Komponenten dabei waren Maschinenhaus und Antriebsstrang mit Bruttolasten von 72 und 75 Tonnen.

Darum simulieren Liebherr-Ingenieure mit Ansys und Cadfem

Der Name Liebherr steht für eine Firmengruppe, die mit unterschiedlichsten Produkten und Systemen erfolgreich ist, an über 140 Standorten. Eine Konstante in vielen Werken, Produktsegmenten, Ländern: Liebherr-Ingenieure simulieren mit Ansys und Cadfem.

Gründe, Einblicke und weitere Erfolgsgeschichten.

Simulation in der Kranentwicklung elementar

Für die Umsetzung der vielseitigen Anforderungen ist die Verwendung von Simulationssoftware elementar. Viel zu langwierig und zu kostspielig gestalten sich Prototypen und Laboraufbauten. LWE nutzt die heute verfügbare Rechenleistung und moderne Simulationssoftware von Ansys für die digitale Transformation im Versuch.

Für LWE geht es prinzipiell um die zwei großen Themenfelder der Simulation: Strukturmechanische Berechnungen (FEM) und Strömungsmechanik (CFD). Generell ist das Ziel bei der Entwicklung eines mobilen Krans, ein möglichst geringes Transportgewicht mit einer hohen Tragfähigkeit zu kombinieren. Dies führt unweigerlich zu Leichtbau, denn ein großes Verhältnis von Nutzlast zu Eigenlast ist das beste Verkaufsargument. Bei den Motoren, Fahrzeugführerkabinen und Hydraulik sind die Strömungsdaten für optimale Leistung und Komfort von Bedeutung.

Beispiel: Simulation bei der Entwicklung von Seilrollen

Ein gutes Beispiel für den Vorteil von Simulation in der Entwicklung ist die Seilrolle.·Eine Seilrolle unterliegt im Betrieb einer hohen Belastung in Verbindung mit einer hohen Lastwechselzahl. Es muss sichergestellt sein, dass sie dem standhält. Da es sich um eine geschweißte Seilrolle handelt, wäre zur Ermittlung der optimalen Variante eine Vielzahl an aufwändigen und kostenintensiven Versuchen notwendig.

Uns bringt Simulation ein riesiges Einsparpotenzial an Kosten, Zeit und Arbeitsleistung und das schon in einer frühen Phase der Produktentwicklung.

Niels Finkbeiner, Berechnungsingenieur, LWE

Berechnungsingenieur Niels Finkbeiner erbrachte den Betriebsfestigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie mit einer FE-Simulation in Ansys Workbench. Die kritischen Stellen wurden schnell ermittelt, trotz komplexer Vorgänge. Es zeigte sich, dass Querkräfte die Kerbe belasten. Ein Hinweis an die Konstruktion zur Änderung des Winkels der Ronde und eine Anpassung der Blechdicke genügte, noch bevor irgendetwas physikalisch in Erscheinung treten musste.

Erfolgreiche Partnerschaft

Die Produktvielfalt von Ansys und das breite Anwendungsspektrum erfordert einen erfahrenen Partner. LWE setzt hier seit vielen Jahren auf Cadfem, sowohl in der Anwendungsberatung als auch bei der Lösungsfindung und Ausbildung.
Joachim Henkel leitet die Statik-Abteilung und schätzt neben der Softwarelieferung den professionellen Austausch. „Sollten wir bei der Berechnung einmal nicht weiterkommen, greift für uns die nächste wichtige Säule der Zusammenarbeit: der Support. Hier sind kompetente und schnelle Hilfen gefragt. Beides erhalten wir bei unserem Ansys-Partner Cadfem. Selbstverständlich müssen unsere Leute geschult sein im Umgang mit der Software, damit wir möglichst effizient arbeiten können. Hier kommt uns Cadfem mit einer Liebherr-Flatrate für Seminare entgegen.“

Demokratisierung der Simulation

Noch immer ist die Meinung verbreitet, Simulationssoftware sei kompliziert und nur etwas für Spezialisten. Dabei hat sich die Benutzerführung deutlich vereinfacht. Je früher von allen am Entwicklungsprozess beteiligten Personen die Erkenntnisse aus der Simulation verwendet werden können, desto besser sind die Produkte, desto schneller erreichen sie Marktreife und desto höher ist die Akzeptanz beim Kunden.

Cadfem spricht hier von der „Demokratisierung der Simulation“, also dem Verfügbarmachen von Simulation für möglichst viele Entwicklungsbeteiligte. Ansys Discovery ist ein solches Simulationswerkzeug, das genau dafür geschaffen wurde und sich intuitiv und ohne große Vorkenntnisse bedienen lässt.

Im Liebherr-Werk Ehingen wird Ansys Discovery von den Konstrukteuren genutzt, um per Live-Simulation schnelle Erkenntnisse zu gewinnen und eine Erstbeurteilung vornehmen zu können.

Hohe Rechenleistung nötig

Umfangreichere Berechnungen, wie sie bei LWE häufiger vorkommen, benötigen entsprechende Rechenleistung und Simulationsexpertise. Thomas Lerner, Senior Simulation Engineer FE-Infrastructure, beschreibt die Anforderung: „Der fortschreitende Detaillierungsgrad heutiger Modelle verlangt eine performante Simulationsumgebung mit leistungsfähiger Infrastruktur. Die Parallelisierung von Vorgängen, z. B. der Vernetzung oder der Berechnung, führt zu einer deutlichen Zeitersparnis. Der Simulationsingenieur kann in gleicher Zeit mehr Modellvarianten berechnen.“

  • So wurde bei LWE ein leistungsfähiger und skalierbarer Rechencluster auf ausfallsicherer Basis installiert.
  • Für strukturmechanische Berechnungen stehen 144 Kerne für bis zu 12 parallele Berechnungen bereit.

„Der Umzug der lokalen Workstations ins Rechenzentrum hat den Prozess weiter beschleunigt. Beispielsweise sind dadurch die Transferzeiten von Rechenmodellen zwischen Workstation und Rechencluster um 30 bis 50 Prozent geringer, führt Thomas Lerner aus.

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Schneller, höher, weiter – gerüstet mit Simulation

Der technologische Fortschritt im produzierenden Gewerbe und in der Logistik erlaubt die Vorfertigung immer größerer und schwererer Komponenten von Bauteilen und Maschinen in der Fabrikhalle. Anschließend steht der Transport „am Stück“ an den Einsatzort an. Jeder kennt die Schwertransporte mit ganzen Brücken oder kompletten Flügeln von Windenergieanlagen. Dieser Entwicklung wird das Liebherr-Werk Ehingen mit Simulation gerecht. Nur so ist die wirtschaftliche Entstehung immer leistungsfähigerer Krane möglich, die in der Lage sind, die gewaltigen Bauteile an Ort und Stelle für die Montage anzuheben.

Ausblick

Mit Simulation Hürden überwinden

Lesen Sie im zweiten Teil, wie LWE es mit strukturmechanischen Berechnungen schafft, scheinbare Gegensätze zu überwinden und erfahren Sie im dritten und letzten Teil unserer LWE-Serie, wie CFD-Simulation die Zeitspanne bis zur Marktreife entscheidend verkürzt.

* Thomas Löffler, freier Redakteur

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