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Simulation Mit netzfreier Simulation zu besseren Maschinengestellen

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

Dank Simulation, die ohne Geometrievereinfachung und Vernetzung rechnet, wird der Aufwand für die Optimierung von komplexen Maschinengestellen deutlich reduziert.

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Die Entwicklung neuer Fertigungsanlagen stellt die Industrie vor Herausforderungen, da die Systeme komplex sind und verschiedeneste Bauteile und Subsysteme umfassen.
Die Entwicklung neuer Fertigungsanlagen stellt die Industrie vor Herausforderungen, da die Systeme komplex sind und verschiedeneste Bauteile und Subsysteme umfassen.
(Bild: Minda Industrieanlagen GmbH)

Die Entwicklung neuer Fertigungs- und Montageanlagen stellt die Industrie immer wieder vor große Herausforderungen, da diese Systeme äußerst komplex sind und viele verschiedene Bauteile und zahlreiche Subsysteme umfassen. Bei der Entwicklung einer solchen Anlage greifen Ingenieure heute daher meist auf Softwarelösungen wie CAD und CAE zurück, um die einzelnen Komponenten strukturell auszulegen und aufeinander abstimmen zu können. Bei der Strukturoptimierung und der Simulation von komplexen Maschinenanlagen kommt in der Regel die lineare Finite Elemente Analyse (FEA) ins Spiel.

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Simsolid verzichtet auf Vernetzung

Der Markt hält eine Vielzahl solcher Softwarewerkzeuge zur Berücksichtigung und Analyse von physikalischen Effekten für unterschiedlichste Anwendungsbereiche und Branchen bereit. Dabei bieten die traditionellen FEA-Lösungen eine hohe Ergebnisgenauigkeit für eine ganze Reihe an Anwendungen, erfordern allerdings aufgrund der Größe der Anlagen einen erheblichen Arbeitsaufwand sowie ein umfangreiches Fachwissen, um die Modelle für die Analyse vorzubereiten. Insbesondere bei der Vorbereitung der eigentlichen Analyse fällt bei den traditionellen Werkzeugen eine aufwendige Bereinigung, Vereinfachung und anschließende Vernetzung der Geometrie an. Das CAE-Werkzeug Altair Simsolid verfolgt hier einen neuen Ansatz, der ohne diese mühevollen Vorbereitungen auskommt und den Gesamtprozess dadurch erheblich beschleunigen kann.

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Simsolid im Einsatz

Als Hersteller von automatischen Ablagesystemen für die Wellpappen- und Vollkartonagenindustrie bietet die zur Minda-Gruppe gehörige und in den Niederlanden ansässige Universal Corrugated B.V. (UC) Lösungen für das den Verarbeitungsmaschinen nachgeschaltete Trockenende. In einem kürzlich durchgeführten Projekt hatten die Ingenieure die Aufgabe, eine ihrer Anlagen zu analysieren und zu simulieren. Zur Unterstützung ihres Projektes wandte sich das Team an den Ingenieurdienstleister Vierhout Engineering (VE) mit Sitz in Hengelo, Niederlande.

Vierhout Engineering konnte bei der Anfrage nach einer Analyse und Simulation der Anlage sehr schnell feststellen, dass es neuer Lösungen bedarf, um den Entwicklungsprozess für diese großen Anlagen zu verbessern. Vierhout Engineering erkannte auch, dass in Anbetracht der extremen Komplexität der zu analysierenden Maschine die traditionelle FEA bei diesem Projekt an ihre Grenzen kommen könnte. Bei der Suche nach einer Lösung entdeckten sie die mechanische Strukturanalysesoftware Altair Simsolid, die speziell für die vorausschauende strukturelle Bewertung entwickelt wurde. VE war von Simsolid binnen kurzem überzeugt, denn das neue Tool machte gleich zwei der aufwendigsten und anspruchsvollsten Aufgaben der traditionellen FEA überflüssig: die Vereinfachung der Geometrie sowie die Vernetzung.

Simulation ohne Grenzen

Zu Beginn von Projekten wie dem von Universal Corrugated führen die VE Ingenieure in der Regel einen Basis-Check durch, um festzustellen, ob die Konstruktion die entsprechenden Normen erfüllt. Diese Analysen wurden in der Vergangenheit mit einer traditionellen FEA-Software ausgeführt. Dabei bietet die FEA zwar eine hohe Ergebnisgenauigkeit für eine ganze Bandbreite an Anwendungen, stößt aber an ihre Grenzen, wenn es darum geht, sehr große und komplexe Systeme zu simulieren. Um diese großen Systeme mit vertretbarem Aufwand zu berechnen, musste bisher die Geometrie vereinfacht und in Untergruppen unterteilt werden. Dafür mussten die Ingenieure für jede einzelne Untergruppe ein vereinfachtes 3D-FE-Modell erstellen. Das ist nicht nur zeitaufwendig, sondern bringt auch die Computerhardware, je nach Modellgröße, schnell an ihre Grenzen. Kommen dann auch noch besonders große Gestellrahmen ins Spiel, müssen diese durch Balken- und Schalenelemente vereinfacht werden – ein sehr mühseliger, fehleranfälliger und dazu äußerst zeitintensiver Prozess.

Komplette Stahlbaugruppe als Ganzes simulieren

In dem speziellen Anwendungsfall von Universal Corrugated sollte Vierhout Engineering ein Maschinengestell aus Stahl detailliert analysieren. Die Stahlkonstruktion hatte eine Masse von insgesamt 20 Tonnen und war etwa 32 Meter lang. Im Mittelpunkt der Simulation stand die Analyse verschiedener Lastfälle unter detaillierter Berücksichtigung der im Gestell vorherrschenden Kräfte und Kontakte. Darüber hinaus musste überprüft werden, ob das maßgeschneiderte Gestell ausreichende Festigkeit und Stabilität bieten würde, um alle relevanten Anforderungen der Eurocodes zu erfüllen.

Der Einsatz von Simsolid verschaffte dem Team den entscheidenden Vorteil: Die Ingenieure konnten das vollständige, detaillierte 3D-Modell der kompletten Stahlbaugruppe als Ganzes analysieren – inklusive der Schrauben und Muttern mit Anzugsdrehmomenten und Vorspannungen. Dazu wurden Bauteile einschließlich Kontakten und Flanschverbindungen geometrisch nichtlinear analysiert. Die 3D-Analyseergebnisse waren sehr detailliert und die resultierenden Materialspannungen, die Verschiebungen, die Eigenfrequenzen sowie die Reaktionskräfte an den Auflagern konnten übersichtlich dargestellt und ausgewertet werden.

Konzentration auf die Entwicklung

Auf Grundlage dieses erfolgreichen Projektes wird Vierhout Engineering die Simsolid-Software nun für sämtliche komplexen Analysen und Simulationen einsetzen. Die Vorteile liegen für den Ingenieurdienstleister klar auf der Hand: Die Simsolid-Analysen sind detailliert und können vollständig auf 3D-Volumenkörpern ausgeführt werden. Zudem können die VE-Ingenieure in Simsolid die komplexen 3D-CAD-Detailmodelle der Strukturen direkt nutzen und dabei alle wichtigen Details wie z. B. Schweiß- und Schraubverbindungen berücksichtigen. Dank der netzfreien Simulationsmethode mit Simsolid kann im Designprozess auf die Vernetzungsphase vollständig verzichtet werden, so dass das Ingenieurteam mehr Aufmerksamkeit auf zahlreiche Details wie Kontakte, Lasten und Vorspannungen verwenden kann. Nicht zuletzt führt es dazu, dass deutlich mehr Entwicklungszeit zur Verfügung steht, um verschiedene Designvarianten zu testen.

Simulation ebnet den Weg

Vierhout Engineering sieht in Altair Simsolid mit seiner effizienten und detaillierten Analyse viel Potenzial und wird die Software in zukünftigen 3D-CAD-Projekten auch weiterhin einsetzen. „Simsolid übertrifft die traditionellen FEA Systeme in puncto Effizienz und Detailgenauigkeit und bietet dadurch einen großen Vorteil. Die Zeit, die wir dadurch sparen, die Geometrie nicht vereinfachen und bereinigen zu müssen, sowie die netzfreie Analyse bieten uns die Möglichkeit, mehr Varianten und Lastfälle zu untersuchen als zuvor mit den traditionellen FE Werkzeugen“, sagte Evert Vierhout, Eigentümer von VE. „Wir sind mit den Ergebnissen sehr zufrieden und freuen uns darauf, unsere Kunden mit dieser effizienten Lösung zu unterstützen.“

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