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Produktentwicklung Simulation für alle dank freier FEM-Lösung

Ein Gastbeitrag von Florian Hüter und Johannes Wittmann 4 min Lesedauer

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Der Druck auf Konstruktion und Entwicklung wächst und stärkt die Rolle der Simulation als Schlüsselfaktor für mehr Wettbewerbsfähigkeit. Um den Einstieg zu erleichtern, entwickelt die Universität Bayreuth mit Z88 Aurora seit vielen Jahren ein frei verfügbares FEM-Analysetool. Die aktuelle Version V6 bietet neue Simulationsmöglichkeiten und nützliche Features.

Mit Aurora Z88 stellt die Uni Bayreuth bereits seit 2010 ein frei verfügbares FEM-Tool zur Verfügung. Ziel ist es, den Einstieg in die Simulation zu erleichtern.(Bild: Universität Bayreuth)
Mit Aurora Z88 stellt die Uni Bayreuth bereits seit 2010 ein frei verfügbares FEM-Tool zur Verfügung. Ziel ist es, den Einstieg in die Simulation zu erleichtern.
(Bild: Universität Bayreuth)

Im Zeitalter der Globalisierung steht die Produktentwicklung stets unter großem Termin- und Kostendruck, um im internationalen Konkurrenzkampf einen Vorteil gegenüber den Wettbewerbern zu erarbeiten. Dies gilt sowohl für große Unternehmen als auch zunehmend für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) des Maschinenbaus. Numerische Simulationsmethoden zählen dabei zu den zentralen Bausteinen des modernen Ingenieurwesens.

Im Zuge der Digitalisierung und des anhaltenden Trends immer kürzer werdender Produktentwicklungszeiten hat sich insbesondere die Finite-Elemente-Analyse (FEA oder FEM) als wertvolles Werkzeug im Konstruktionsprozess herauskristallisiert. Der Einsatz der FEA ist notwendig, wenn analytische Ansätze an ihre Grenzen geraten und experimentelle Versuche zu kostspielig oder zeitaufwändig werden.

Warum Z88 Aurora?

Doch der Einstieg in die Simulationswelt ist nicht immer barrierefrei. Hohe Lizenzkosten und komplexe, übermächtige Programmoberflächen erschweren die Integration der FEA in den Auslegungsprozess, insbesondere auch für KMU. Kostenfreie, spezialisierte und auf den konkreten Anwendungsfall zugeschnittene Softwarelösungen können dabei helfen, diese Einstiegshürde zu nehmen. Aus diesem Grund stellt der Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth mit der kostenfreien Software Z88 Aurora eine Unterstützung bereit, die kontinuierlich erweitert und verbessert wird.

Das Z88-Paket findet daneben auch in Forschungseinrichtungen und Instituten Anwendung (Forschungsvereinigung für Antriebstechnik FVA), um Ingenieuren bei komplexen Auslegungsprozessen zu helfen. In der Lehre dient Z88 an zahlreichen Universitäten schon seit vielen Jahren für die Ausbildung von Studierenden via Vorlesung, Übung und Seminararbeiten.

Bildergalerie

Was ist Z88 Aurora?

Z88 Aurora bezeichnet die grafische Benutzeroberfläche für das freie Finite-Elemente-Analyse Programm Z88, dessen Rechenkerne erstmalig 1986 entwickelt wurden. Oberstes Entwicklungsziel war und ist die kontinuierliche Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit und die Bereitstellung eines vollständigen FE-Systems, das von CAD-Import aus über die Aufgabe von Randbedingungen bis zur Darstellung und dem Export der Berechnungsergebnisse alle wichtigen Schritte der Finite-Elemente-Analyse umfasst.

Seit 2010 gibt es die interaktive Benutzeroberfläche Z88 Aurora, welche unter der damaligen Leitung des Chefentwicklers Prof. Frank Rieg ins Leben gerufen wurde. Durch die Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD wird es fortlaufend weiterentwickelt und steht zum freien Download zur Verfügung, aktuell in der Version V6.

In Z88 Aurora sind verschiedene Z88-Berechnungsmodule integriert:

  • linear statische Tragfestigkeitsberechnung (mit reibungsfreien bzw. Verbund-Kontakt),
  • für geometrisch- oder materialnichtlineare FE-Analysen,
  • thermische bzw. thermomechanische FE-Analysen und
  • Eigenschwingungsberechnungen.

Zur Z88-Familie zählen außerdem ein Programm für die Topologieoptimierung (Z88Arion seit 2016) sowie zwei Apps, zum Beispiel für Smartphones, um Finite-Elemente-Analysen bequem unterwegs durchführen zu können.

Was ist neu in Z88 Aurora V6?

Wie im Beitrag „Auf Knopfdruck zum FE-Modell von Leichtbaustrukturen“ gezeigt wurde, konnte der Projektinhalt für die nutzerfreundliche Simulationslösung im Technologietransfervorhaben „ESSBe - Easy Sandwich Berechner für KMU“ (gefördert durch den Europäischen Förderfonds für regionale Entwicklung (EFRE) und die Oberfrankenstiftung) in der aktuellen Benutzeroberfläche Z88 Aurora V6 integriert werden und einem breiten Anwenderumfeld als Schlüsseltechnologie mit der Veröffentlichung auf der Hannover Messe 2023 zur Verfügung gestellt werden.

Zu den Highlights der neuen Version gehören

  • ein innovatives Modul für die nichtlineare Simulation von Sandwichbauteilen, welches die automatisierte Hexaeder-Netzgenerierung für Sandwichstrukturen ermöglicht, neue Materialgesetze, wie beispielsweise das anisotrope Hookesche Materialgesetz für die Modellierung von Faserverbundwerkstoffen, Hyperfoam als nichtlineares, hyperelastisches Materialmodell für Weichschäume, Simplefoam als nichtlineares, elastisch-plastisches Materialmodell für Hartschäume und von Mises als nichtlineares, elastisch-plastisches Materialmodell für Metalle und
  • die Integration von nichtlinearem Materialverhalten mit Kontaktbedingungen sowie Kriterien zur Bewertung von Versagensfällen.
  • Um die Auswertung der Simulationen noch effizienter zu gestalten, wurde zudem die automatisierte Erstellung von Ergebnisberichten bereitgestellt.

Was ist geplant für Z88 Aurora?

Die Entwicklung von Z88 Aurora und der Z88-Rechenkerne wird stetig vorangetrieben mit dem Ziel, die Ergebnisse aus der Forschung kontinuierlich einfließen zu lassen und frei zur Verfügung zu stellen.

Der Aspekt Leichtbau spielt abgesehen von Sandwichbauteilen auch für Anwendungen in der Antriebstechnik eine große Rolle. Exemplarisch sei hier der zunehmende Trend von Kunststoffzahnrädern in Leistungsgetrieben genannt. Für deren umfassende Simulation sollen zukünftig spezielle nichtlineare, viskoplastische Materialmodelle entwickelt werden. Weiterhin soll perspektivisch eine durchgehende Berechnungskette für die Modal- und Frequenzganganalyse im Betriebszustand bereitgestellt werden.

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* Florian Hüter und Johannes Wittmann, wissenschaftliche Mitarbeiter, Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD, Universität Bayreuth

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