Simulation macht den Unterschied Von der Software für Spezialisten zum Werkzeug für jeden Ingenieur

Autor / Redakteur: Gerhard Friederici / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Das 25-jährige Jubiläum der konstruktionspraxis fällt zusammen mit dem 30-jährigen Jubiläum der Cadfem GmbH. Deshalb ist der Blick zurück auf die Simulationsanwendungen Ende der 1980er Jahre und Anfang der 1990er Jahre für Cadfem auch ein Blick zurück in die ersten Jahren der eigenen Geschäftstätigkeit.

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In den letzten 25 Jahren haben sich die Anwendungsgebiete der numerischen Simulation stark erweitert. Heute ist sie in fast allen Industriebereichen etabliert.
In den letzten 25 Jahren haben sich die Anwendungsgebiete der numerischen Simulation stark erweitert. Heute ist sie in fast allen Industriebereichen etabliert.
(Bild: Audi E-Bike Wörthersee)

Vor mehr als 25 Jahren wurde Simulationssoftware, egal ob FEM-System (Finite-Elemente-Methode) für die Strukturmechanik oder CFD-Programm (Computational Fluid Dynamics) für die Strömungsanalyse, zumeist im Stapel-Betrieb auf Großrechnern ausgeführt. Später lief sie dann auch auf Minicomputern. Cadfem setzte in den Anfängen der Unternehmensgeschichte einen solchen Minicomputer mit 2 MByte-RAM und einer 150-MByte-Festplatte ein; Speicherkapazitäten, die heute selbst für ein Smartphone unattraktiv sind.

Simulations-gesteuerte Produktentwicklung

Betrachtet man die Zielsetzung des Software-Einsatzes zur numerischen Simulation, so kann man feststellen, dass sich dieses Ziel in den letzten 25 Jahren immer mehr von der nachträglichen Überprüfung von Konstruktionen hin zur frühzeitigen Entwurfsoptimierung entwickelt hat. Die Simulation wird immer häufiger während des gesamten Produktentstehungsprozesses – beginnend beim sogenannten Frontloading zur Analyse erster Konzeptideen – parallel zur 3D-CAD-Modellierung genutzt. Dadurch erfolgt eine kontinuierliche Überprüfung und Verbesserung von Produkteigenschaften in den verschiedenen Entwicklungsstadien. Zusätzlich dienen Simulationslösungen zur Optimierung von Bearbeitungsprozessen wie etwa dem Induktionshärten und zur Unterstützung von Herstellungsverfahren zum Beispiel bei Faserverbundwerkstoffen.

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In den letzten 25 Jahren haben sich die Anwendungsgebiete der numerischen Simulation stark erweitert. Anfangs erfolgte die Nutzung hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie im Bauwesen (Statik) und hat sich dann Schritt für Schritt in fast allen Industriebereichen etabliert. Aber auch in Biomechanik und Medizin wurden schon vor einigen Jahren die Vorteile der Simulation erkannt, um beispielsweise Ergonomie-Untersuchungen durchzuführen, patientenspezifische Prothesen auszulegen und Operationsvorbereitungen zu unterstützen.

Ganzheitliche Sicht mit Multiphysik

Bezogen auf das physikalische Verhalten hat sich die numerische Simulation von linearen Berechnungen immer mehr auch auf nichtlineares Verhalten ausgeweitet, um die real auftretenden Effekte möglichst gut abzubilden. Ebenso werden die Strukturmechanik und Strömungsanalyse durch Temperaturuntersuchungen und Berechnungen von elektromagnetischen Feldern ergänzt. Neben der Betrachtung dieser physikalischen Domänen in einzelnen, separierten Analysen ermöglicht die Kopplung dieser verschiedenen Domänen eine größere Realitätstreue im Falle von physikalischen Wechselwirkungen (Multiphysik).

Systemsimulation wird wichtiger

Darüber hinaus rückt die Systemsimulation zunehmend ins Interesse der Produktentwicklung, bei der nicht nur das Verhalten von Komponenten und Baugruppen, sondern von kompletten Produkten in realitätsnahen Belastungsszenarien im Voraus untersucht und die Funktionalität entsprechend den Anforderungen überprüft wird, um beispielsweise spätere Rückrufaktionen zu vermeiden. Die Systemsimulation zielt darauf ab, ein ganzheitliches Produktverständnis zu erlangen und soll außerdem die Frage beantworten: Kann das Produktversprechen, das man dem Kunden gibt, erfüllt werden?

Fehler frühzeitig lokalisieren

Beim Verzicht auf die Simulation, werden eventuelle Fehler oftmals erst bei den Tests mit dem realen Prototypen entdeckt und sind dann meist nur kosten- und zeitaufwändig zu beheben. Mit Simulationen lassen sich diese Fehler meist schon in frühen Entwicklungsphasen lokalisieren und folglich einfach beheben. Zusätzlich vermitteln Simulationen mehr Wissen über kritische Bereiche oder eventuell vorhandene Überdimensionierungen. Damit werden Produkteigenschaften – wie Leistung, Qualität und Lebensdauer – virtuell abgesichert, wobei ein robust funktionierendes Produkt auch in Grenzbereichen der vordefinierten Toleranzen noch voll funktionsfähig sein muss.

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