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Simulation Mehr Effizienz durch automatische Erzeugung von FEM-Mittelflächen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Tecosim, Spezialist für Computer Aided Engineering, und die Hochschule Rhein-Main haben ihr gemeinsames Forschungsprojekt Automex – Automatische Extraktion von Mittelflächenbeschreibungen aus 3D-CAD-Volumenmodellen – erfolgreich abgeschlossen. Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Software, die bei der Simulation von komplexen, dünnwandigen Komponenten eine Lücke schließen soll.

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Dünnwandige, stark strukturierte Bauteile wie ein Kühlergrill stellen in der Simulation eine Herausforderung dar.
Dünnwandige, stark strukturierte Bauteile wie ein Kühlergrill stellen in der Simulation eine Herausforderung dar.
(Bild: Tecosim )

Bei fünf bis zehn Prozent aller Bauteile konnten bisher verfügbare Programme die so genannte Mittelfläche nicht berechnen. Bei diesen meist hochkomplexen Komponenten mussten Ingenieure die Mittelfläche manuell erzeugen. Der Aufwand für diese manuelle Bearbeitung lag jedoch bei 70 bis 90 Prozent der gesamten Vernetzungszeit. Mit der neuen Software Automex, die das Ergebnis einer Forschungskooperation zwischen Tecosim und der Hochschule Rhein-Main ist, wird die Arbeitszeit deutlich verkürzt: Je nach Komplexität kann dies ein Einsparpotenzial von einigen Stunden bis Tagen bedeuten.

Mittelfläche enthält Bauteilmerkmale

Ein Kühlergrill ist für einen Laien ein scheinbar einfaches Bauteil. Entwicklungsingenieure wissen jedoch, dass die dünnwandige, gerippte Struktur von Kunststoff- oder Metallgussteilen bei einer Crash-Simulation oder NVH-Analyse eine Herausforderung darstellt. Um den Aufwand bei der Berechnung solch komplexer Geometrien im Projektalltag gering zu halten, greift man auf so genannte Flächenmodelle zurück: Das Bauteil wird durch eine in der Mitte liegenden Fläche – die Mittelfläche – repräsentiert. Sie wird als zweidimensionales Netz dargestellt, hier sind alle wesentlichen Bauteil- und Materialmerkmale enthalten.

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Doch auch die Erstellung der Mittelfläche hat ihre Tücken, denn bisher konnten bestehende kommerzielle Software-Lösungen nur für 90 bis 95 Prozent aller Bauteile eine Mittelfläche erzeugen. Die Berechnung der Mittelfläche für die restlichen fünf bis zehn Prozent – dies sind vor allem dünnwandige, stark strukturierte Komponenten – bedeutet für Ingenieure eine zeitintensive Arbeit: Sie kann mehrere Stunden, je nach Komplexität sogar Tage dauern. Die Software Automex setzt an dieser Stelle an und erstellt automatisch ein vollständiges Mittelflächenmodell.

Ein Knopfdruck statt fünf Schritte

Das Forschungsteam hatte sich zu Beginn des Projekts intensiv mit dem Stand der bestehenden kommerziellen Software-Lösungen auseinander gesetzt und die Schwachstellen identifiziert. Auf dieser Grundlage entwickelte das Team ein effizienteres Verfahren.

Nach der Integration in die IT-Umgebung von Tecosim sollen fünf Schritte künftig automatisch mit Automex erfolgen: Ausgehend von der vorhandenen CAD-Geometrie erzeugt die Software eine Bauteiloberfläche mit Polygonnetz. Anschließend wird über eine Annäherung (Scale Axis) die so genannte mediale Achse berechnet, aus der sich die Mittelfläche bestimmen lässt. Im dritten Schritt folgt eine Glättung der Fläche, bei der vor allem Zerfaserungen an den Bauteilenden entfernt werden. Danach wird die gefilterte Fläche der eigentlichen Objektgeometrie angepasst. Im letzten Schritt wird die Fläche neu vernetzt und damit eine technische Mittelfläche erzeugt, die eine für die FEM-Simulation (Finite Element Methode) gewünschte Qualität besitzt.

Entlastung und Wettbewerbsvorteil

Beide Partner sehen in der entwickelten Software einen vollen Erfolg, die sich nun im Alltag bewähren muss. „Der Einsatz der Software entlastet die Ingenieure von Tecosim besonders in den Fällen, in denen sie bisher die Mittelfläche manuell nachbearbeitet mussten“, erklärt Professor Christian Glockner von der Hochschule Rhein-Main. „Wir erwarten von der Automatisierung der Mittelflächenerzeugung wichtige Wettbewerbsvorteile, da wir Aufträge schneller bearbeiten können und das mögliche Fehlerpotential durch manuellen Eingriff sinkt“, ergänzt Udo Jankowski, Vorstand der Tecosim Gruppe. Die Software wird ab März bei Tecosim in die bestehende IT-Umgebung und Prozessabläufe integriert. Im Laufe des ersten Halbjahres 2014 soll sie dann erstmals im Projektgeschäft zum Einsatz kommen. (mz)

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