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Simulation Rechnen lohnt sich

| Autor / Redakteur: Karl Obermann / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Viele Unternehmen setzen schon auf Simulation, von mehr als 50 % wird ausgegangen. Weitere werden folgen, sobald ihnen klar wird, dass der Betrieb einer CAx-Umgebung ohne Simulation teurer ist als mit. Zudem haben sich die Simulationsmöglichkeiten in den letzten Jahren stark verbessert.

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Mit Simulation kann dem steigenden Zeit- und Kostendruck in der Produktentwicklung begegnet werden. Dieser Artikel gibt einen Überblick, was heute in Solidworks Simulation möglich ist.
Mit Simulation kann dem steigenden Zeit- und Kostendruck in der Produktentwicklung begegnet werden. Dieser Artikel gibt einen Überblick, was heute in Solidworks Simulation möglich ist.
(Bild: DPS)

Produkte sind heute schon sehr komplex und dabei ist kein Ende abzusehen. Mit Simulation steht Entwicklern und Konstrukteuren ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem sie schon in frühen Phasen Entscheidungshilfen und Wissen über eine Neuentwicklung erhalten. Wolfgang Müller, Leiter des Competence Center CAE bei DPS Software Stuttgart, sagt sinngemäß: „Rechne und lerne Dein Teil kennen.“

CAE bietet heute eine Vielzahl an Möglichkeiten, um ein Teil gründlich kennen zu lernen und Erkenntnisse zu gewinnen, die selbst mit Versuchen nicht immer zu erlangen sind. Kenntnisse über die inneren Vorgänge eines Teils unter Last kann man mit äußeren Versuchen kaum gewinnen.

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Dazu kommt ein Geschwindigkeitsgewinn. Tests, die sehr zeitaufwendig sind oder zahlreiche Fehlversuche verursachen oder auch spezielle Messtechnik und Testumgebungen bedingen, können in Forschungseinrichtungen und Instituten gemacht werden. Der mittelständische Maschinenbauer benötigt aber doch eher eine pragmatische, zeitnahe Lösung, um Verbesserungspotentiale zu erkennen. So hilft hier der Ansatz mit Simulation, wo die Ergebnisse in kurzer Zeit vorliegen.

Was Solidworks Simulation kann

Diese und andere Vorteile stützen die Aussage: Simulation ist wirtschaftlich - auch wenn der Aufbau des Wissens auch mit Simulation zunächst einmal Geld kostet und Zeit in Anspruch nimmt. Hier folgt ein Überblick zu den Möglichkeiten, die die Software Solidworks Simulation bietet. Zudem werden die Vor- und Nachteile verschiedener Methoden beleuchtet.

Die Tabelle zeigt den Funktionsumfang von Solidworks.
Die Tabelle zeigt den Funktionsumfang von Solidworks.
(Bild: DPS)

Linear oder nichtlinear rechnen?

„Lineare Berechnungen haben zwei große Vorteile“, wie Wolfgang Müller sagt, „nämlich die einfache Bedienung und Beherrschbarkeit sowie die hohe Rechengeschwindigkeit„. Dagegen steht die Tatsache, dass extremes Produktverhalten mit linearen Ansätzen nicht immer realistisch ermittelt werden kann.

  • Mit einer linear-statischen Studie können Anwender allgemeine strukturelle Konstruktionsprobleme auf einfache Art bewältigen. Eine stationäre, ausgeglichene Lastsituation unter der Maßgabe, dass alle Bauteile elastisch ausgelegt werden müssen, wird meist mit Sicherheitsfaktor beaufschlagt. Es können so z. B. Spannungen in den Komponenten, Dehnungen und Verschiebungen berechnet werden. Die Anforderungen werden bei Solidworks Simulation sowohl für lineare Statik aber auch bis hin zu nicht-linearen und dynamischen Effekten abgedeckt.
  • Ferner ist es möglich, die Temperaturverteilungen aus einer stationären oder transienten thermischen Analyse in die linear statische Berechnung mit einzubeziehen. Somit werden die Auswirkungen der Wärmeausdehnungen des Materials bei Spannungsberechnungen berücksichtigt.
  • Nichtlinear zu simulieren ist tiefergehend und realistischer: „Eigentlich müsste heute alles nichtlinear gerechnet werden„, so Müller. Das trifft besonders auf Kunststoffe und Elastomerwerkstoffe sowie Kontaktanalysen zu. In dem Moment, wo es einen Kontakt gibt, ist die Physik nichtlinear und sollte auch so abgebildet werden.
  • Bei der nichtlinearen Analyse lässt sich komplexes Materialverhalten analysieren. Zudem lassen sich auch große Verformungen und sich ändernde Kontaktbedingungen zwischen den Komponenten berücksichtigen.
  • Man unterscheidet bei nichtlinearen Betrachtungen noch weiter in „nichtlinear statisch„ und „nichtlinear dynamisch„. Bei ersterem wird von statischen Lasten ausgegangen, bei der zweiten Variante sind die Auswirkungen von zeitlich veränderlichen Lasten einbezogen und die Ergebnisse sind pro Zeitstufe abrufbar. Außerdem: Nichtlineare dynamische Analysen können auch zum Lösen von Aufprallproblemen eingesetzt werden.

Frequenzen und Ermüdungen in Solidworks Simulation

Wenn Produkte in einer Betriebsumgebung Schwingungen ausgesetzt sind, können anhand einer Frequenzanalyse in Solidworks Simulation die natürlichen Eigenfrequenzen/Eigenmodes eines Produkts bestimmt werden, erläutert Müller. So lässt sich sicher jede Resonanz vermeiden, durch die sonst die Funktion beeinträchtigt und/oder die Lebensdauer der Komponenten drastisch verkürzt werden würde.

Vor dem Bruch kommt es aber zur Ermüdung und auch zu deren Bestimmung lassen sich die digitalen Methoden einsetzen. Man geht dabei von unterschiedlichen Lasten aus, bei deren die Spitzenspannung innerhalb der Fließspannung liegt. Durch eine enthaltene Schadensakkumulationshypothese werden kritische Bereiche und die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen vorhergesagt. Müller bezeichnet dieses Verfahren als sicher und zuverlässig.

Betriebsfestigkeitsberechnung in Solidworks Simulation

An der Stelle könnte man auch etwas zur Betriebsfestigkeitsberechnung sagen, die aber laut Müller von Konstrukteuren nicht so oft angefragt wird, wie zu vermuten wäre. Doch auch diese Fragestellung deckt Solidworks Simulation ab, und zwar für statische und dynamische Lastfälle. „Die Ergebnisse haben eine gewisse Unschärfe, denn viele Aspekte einer realen Betriebsumgebung (Alterungsprozesse, Kriechen, Verletzungen an der Oberfläche, Korrosion) lassen sich sehr schwer prognostizieren. Auf jeden Fall aber gibt es wertvolle Aussagen mit Solidworks Simulation“, so Müller.

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Topologieoptimierung in Solidworks Simulation

Die Topologische Optimierung steht im Engineering noch ziemlich am Anfang. Gleichwohl sind die Pakete dafür schon seit Jahren entwickelt worden und dürfen als ausgereift gelten. In Solidworks kommt die Software mit dem ursprünglichen Namen Tosca zum Einsatz, entwickelt in Karlsruhe und von Dassault Systèmes übernommen.

Die Tosca-Optimierungs-Suite besteht aus zwei Produkten: Tosca Structure liefert optimierte Strukturdesigns und Tosca Fluid bietet optimierte Konstruktionskonzepte für Strömungen.

  • Tosca Structure umfasst leistungsstarke Optimierungslösungen für die Konstruktion leichter, steifer und langlebiger Teile und Baugruppen in kürzeren Entwicklungszyklen, um die Leistung zu maximieren, Material und Gewicht zu minimieren und neue Konstruktionsmöglichkeiten zu entdecken. Tosca Structure bietet Funktionalitäten für die Topologie-, Gestalt- (Shape), Sicken- (Bead) und Dickenoptimierung (Sizing).
  • Tosca Fluid ermöglicht topologieoptimierte Konstruktionskonzepte für Fluid-Flow-Systeme und -Komponenten.

Ein Szenario für den Einsatz könnte so aussehen, dass man z. B. schon zwei Komponenten einer Maschine hat (A+B) und dazwischen ein Bauteil benötigt wird, welches noch „völlig frei“ ist. Nach der Definition eines maximalen Bauraumes, der Kräfte und Lager, ermittelt und optimiert das System automatisch etwas, was einem Knochen sehr ähnlichsieht: Minimaler Materialeinsatz, bei gegebenen Kräften und Randbedingungen oder maximale Lastaufnahme bei bestimmtem Bauraum.

Dieser „Knochen“ kann dann in Solidworks sofort in ein Flächen- oder Volumenmodell umgewandelt werden - alle Konstruktionsfunktionen stehen zur Verfügung. Die Flächen können geglättet und ggf. sogar in analytische Geometrien umgewandelt werden.

Der Anwender hat dann die Wahl, das Bauteil original, wie es ist, in Metall oder Kunststoff zu drucken, oder aber mit geglätteten Oberflächen oder einer klassischen CAD-Modellierung auf Basis der gerechneten Form weiter zu arbeiten und diese konventionell zu bearbeiten.

Bei dem Optimierungsprozess können auch Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, oder es kann von vornherein bestimmt werden, welche Eigenfrequenzen mindestens erreicht werden müssen, etc.

An der Stelle sei erwähnt, dass die Materialdatenbank „Total Materia“, welche ebenfalls von DPS vertreten wird, bereits über 1000 Materialien für den 3D-Druck enthält.

Composites in Solidworks Simulation

Composites, also Werkstoffe aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, haben viele Vorteile:

  • geringes Gewicht
  • hohe mögliche Lastaufnahme
  • sie sind feuchtigkeitsunempfindlich
  • sie haben eine geringe Energieaufnahme
  • sie können Geschwindigkeitsgrenzen überwinden, wo z. B. Stahlteile nicht mehr weiter zu treiben sind.

All das macht Composites attraktiv, nicht nur für die Formel 1 oder Fluggeräte, sondern auch für den Maschinenbau. Darum ist ihre Anwendung in den letzten Jahren stark gestiegen.

Natürlich müssen auch solche Teile sorgfältig ausgelegt werden - entsprechendes Fachwissen ist nötig. Dabei ist es wichtig, CAD und CAE praktisch gemeinsam zu nutzen. Solidworks hilft dabei, weil beide Seiten integriert zur Verfügung stehen.

„Wir haben die entsprechenden Materialmodelle im System, und ich kann beispielsweise so beginnen, dass ich ein Teil als Schale (CAD-Dicke = 0 mm) nehme, und dieser setze ich den entsprechenden Parametersatz auf“, wie Müller erklärt.

Die CAD-Schale bekommt eine entsprechende Anzahl Schichten zugewiesen. Für jede Schicht kann eine individuelle Dicke und ein spezielles Material definiert werden. Außerdem werden die Matten in ihrer Faserausrichtung (Pfeilung) festgelegt.

Seminartipp

Das Seminar Leichtbauwerkstoffe in der Konstruktion vermittelt Methoden, Gestaltungsprinzipien und Bauweisen für Leichtbaukonstruktionen. Die Teilnehmer erhalten einen Überblick zu verschiedenen Leichtbauwerkstoffen, lernen Kriterien für die Werkstoffauswahl kennen und erfahren, welche Vor- und Nachteile sowie Risiken die verschiedenen Werkstoffe mit sich bringen.

Dann kann dieser Composite-Aufbau als Ganzes berechnet werden. Müller: „Ich kann die maximale Gesamtspannung ermitteln, ich kann das aber auch pro Lage abrufen, um beispielsweise die Winkelausrichtung zu optimieren. Zusätzlich wird auch die Interlaminatspannung ermittelt (da wo die Matrix ist). Das alles schaffe ich mit Solidworks Simulation.“

Versagensverfahren, die bei Composites eingesetzt werden können, gibt es beispielsweise nach Hypothesen von Tsai-Wu und Tsai- Hill. Somit ist konstruktive Arbeit mit Composites auch für mittelständische Maschinenbau-Unternehmen möglich.

DPS erweitert die Möglichkeiten

DPS vermarktet als Solidworks-Händler auch Solidworks Simulation, seit 15 Jahren im Rahmen eines eigenen Competence Centers. Das CAE-Paket ist vollkommen in Solidworks integriert mit gleicher Benutzeroberfläche, gleicher eindeutiger Datenspeicherung und gleichem CAD-Kern, sodass kein Datenaustausch nötig ist.

DPS hat für viele Applikationsbereiche eine Reihe von eigenen Erweiterungen entwickelt, was dank einer eigenen großen Software-Entwicklungsabteilung möglich war. Dazu zählen:

  • ein spezieller Workflow, um Leiterplatten inklusive der Durchkontaktierungen in die Wärmeberechnung einzubeziehen. Es gibt dafür grundsätzlich schon Lösungen am Markt, offenbar jedoch bietet es keiner in dieser Geometrieauflösung und mit direkter Verbindung mit dem frei definierbaren Gehäuse. Basis dafür war, dass PCB-Layout, 3D-CAD-Modell und Thermische Simulation (Solidworks Flowsimulation) auf einer Plattform zur Verfügung stehen.
  • die Anbindung der Material-Datenbank Total Materia mit mehr als 20 Mio. Datensätzen, an Solidworks Simulation. Der Berechner, der ein Material sucht, landet sofort auf der Total Materia Datenbank. Dort kann er nach dem passenden Werkstoff suchen, Vergleiche anstellen, hat Zugriff auf Wöhlerkurven, Spannungs-Dehnungs-Kurven etc., gerade auch verifizierbare Daten inkl. Quellennachweis. Wenn der Nutzer ein bestimmtes Material haben will, genügt ein 'Klick' darauf und das Material wird sofort auf das Solidworks-Teil geschrieben. Ein Riesensprung gegenüber demjenigen, der seine Werkstoffe im CAD-System noch lokal von Hand pflegt.

Weitere Möglichkeiten stehen zur Verfügung, wenn Anwender in Zukunft die 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes nutzen. Dort stehen weitere Apps und auch der Solver von Abacus bereit. DPS kann entsprechende Angebote heute schon offerieren.

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* Karl Obermann, freier Autor

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