Konstruktionsbegleitende FEM Was man noch wissen sollte

konstruktionspraxis-Serie für Konstrukteure, mit Fallbeispielen aus der Praxis der konstruktionsbegleitenden Berechnung. Teil 6 - Implementierung

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CADFEM Germany GmbH

MDESIGN group

KISSsoft AG

Der Nutzen der konstruktionsgeleitenden FEM ist heute unbestritten (siehe Folge 2 dieser Serie). Der Konstrukteur erhält durch die eigene Anwendung der FEM ein tiefgreifendes Verständnis für das physikalische Verhalten seiner Bauteile. Er erkennt beispielsweise, wo kritische Spannungen auftreten, welche Eigenfrequenzen zum Schwingen angeregt werden oder ob ein thermischer Verzug zu Festigkeitsproblemen oder Kollisionen führen kann.

Komplexe Kunststoff- oder Guss-Bauteile kann er in ihrer Gestalt so verändern, dass sich die Formgebung nicht nur nach funktionalen Flächen ausrichtet, sondern auch die Aspekte Festigkeit und Steifigkeit mit berücksichtigt (siehe Folge 3).

Dünnwandige Blech-Strukturen werden durch spezielle Rechenverfahren beschleunigt, so dass darüber hinaus das Knicken und Beulen, aber auch der Herstellungsprozess wie das Tiefziehen oder Innenhochdruckumformen (IHU) untersucht werden können (Folge 4; Bild 1).

Komplexe Verbindungs-Elemente wie Schrauben (Folge 5), Schweißverbindungen oder Presspassungen können per FEM sehr viel realitätsnaher und verständlicher die Zusammenhänge im realen Bauteil vermitteln, weil der Anwender nicht nur beobachten kann, was passiert, sondern durch Variation der relevanten Parameter die richtigen Stellschrauben ermitteln kann. Damit die Vorteile der konstruktionsbegleitenden FEM richtig genutzt werden können müssen andererseits auch einige Voraussetzungen erfüllt sein.

Von herausragender Bedeutung ist eine gute Ingenieur-Ausbildung der Anwender

Die Grundlagen der technischen Mechanik wurden im Studium erarbeitet; die Begriffe Vergleichsspannung, Kerbfaktor, Fließgrenze, Eigenfrequenz sollten bekannt sein. Diese Grundlagen werden in einem Einführungstraining in die FEM-Software falls nötig wieder aufgefrischt, das Verständnis für die Größen und Begriffe sollte allerdings zumindest latent vorhanden sein.

Fehlen die entsprechenden Grundlagen, besteht die Gefahr, dass Berechnungsergebnisse kritiklos verwendet werden und somit keine Sicherheit bei den Aussagen erreicht werden kann. Neben der Ausbildung, ist der zweite mindestens ebenso wichtige Faktor, die persönliche Motivation des Konstrukteurs. Bei der Einführung eines konstruktionsbegleitenden FEM-Paketes ist es deshalb entscheidend, gut ausgebildete und motivierte Pilotanwender einzubinden und beim Training der Anwender auf einen in der Ausbildung erfahrenen Anbieter setzen zu können.

Eine gute Ergänzung kann auch ein berufsbegleitendes Seminar sein, wie es beispielsweise die European School of Computer Aided Engineering Technology (esocaet) mit ihrem Seminar „eFEM für Praktiker“ anbietet. Innerhalb von 6 Monaten werden die Teilnehmer in einem ausgewogenen Mix von Präsenztraining und eLearning mit den Grundlagen der Mechanik, der FEM-Modellbildung und Ergebnisbewertung vertraut gemacht. (Bild 2)

Die konstruktionsbegleitende Berechnung erfordert eine gewisse Investition von Zeit

Damit die Motivation erhalten bleibt und der Nutzen möglichst erreichbar ist, kann das Management diesen Prozess unterstützen, indem es geeignete Rahmenbedingungen schafft. Dazu gehört die geeignete Software, ein Anbieter mit einem Schulungsprogramm, das nicht nur Software-Schulungen sondern auch Technologie-Schulungen („Schrauben, Schweißnähte, Pressverbindungen“…) enthält, aber auch organisatorische Unterstützung.

Die konstruktionsbegleitende Berechnung erfordert eine gewisse Investition von Zeit (für die Simulation) um im späteren Verlauf der Produktentstehung Zeit für Prototypen und Versuche einzusparen. Gerade in der Anfangsphase ist daher ein Zeitpuffer hilfreich, um dem Konstrukteur die Chance zu geben, sich mit der neuen Thematik auseinanderzusetzen.

Es ist entscheidend, dass die Produktverantwortlichen den Gesamtprozess betrachten, vom Entwurf bis zum funktionsfähigen Produkt, da die Vorteile nicht unmittelbar während der Konstruktion realisierbar sind, sondern sich erst im Laufe der Produktentwicklung z. B. im Versuch oder im Einsatz zeigen.

Weitere Voraussetzungen sind eine geeignete Software-Umgebung

3D-Modelle sind sozusagen die Eintrittskarte in die FEM-Simulation. Die früher recht hohen Aufwände für die FEM-Simulation waren unter anderem auch darauf zurückzuführen, dass in Ermangelung von 3D-Modellen solche Geometrien ausgehend von 2D-Zeichnungen im FE-System neu erstellt werden mussten. Nachdem 3D-Daten heute in vielen Bereichen der Produktentwicklung schon vorhanden sind, werden sie auch für die FEM-Simulation verwendet.

In vielen CAD-Systemen werden heute unter der für den Konstrukteur gewohnten Oberfläche grundlegende Berechnungsfunktionen zur Verfügung gestellt, welche die ersten Schritte in die FEM-Simulation abdecken können, deren Funktionalität aber meist bewusst limitiert ist und regelkonforme Berechnungen wie z. B. im Behälterbau (Bild 3) oft nicht zulässt.

Der Einsatz von CAD-integrierten FEM-Tools stellt trotzdem einen wichtigen Schritt dar, sich mit der Arbeitstechnik von FEM-Tools vertraut zu machen, erste Erfahrungen zu sammeln und ein Gefühl für den Wert der Methode zu erarbeiten. Wer schon selbst einfache, lineare Berechnungsaufgaben erfolgreich gemeistert hat, ist auch besser in der Lage, Aufwand und Arbeitsqualität von Berechnungsdienstleistungen zu beurteilen.

Da aber meist erst weitergehende Funktionalität die geforderte Ergebnisqualität liefert (z. B. lokal angepasste Vernetzung, Spannungen oberhalb der Fließgrenze, Kraftübertragung durch Reibung), kommt der ambitionierte Anwender früher oder später an den Punkt, sich mit weitergehender FEM-Software zu befassen.

Lösungsmöglichkeit: ANSYS Workbench

Dieser Herausforderung – effiziente Handhabung auch für sporadische Anwender und große Funktionsvielfalt – hat sich ANSYS, der inzwischen größte, eigenständige Anbieter von FEM-Technologie angenommen und ein neues Softwarekonzept entwickelt.

Unter dem Namen ANSYS Workbench (Bild 4) wurde eine neue Technologie für die gesamte Produktpalette eingeführt, welche die Arbeitsweise deutlich verändert hat.

ANSYS Workbench steht für

• eine einheitliche Plattform für alle Simulationsaufgaben: Von der Geometrie-Erzeugung, Vernetzung, Berechnung, Visualisierung, Optimierung und Datenverwaltung
• eine Umgebung für alle physikalischen Disziplinen
• logische, robuste Abläufe und physikalisch orientierte Handhabung
• höhere Produktivität durch Automatisierung
• eine gemeinsame Basis für Konstrukteure und Berechnungsspezialisten
• eine assoziative CAD-Anbindung für schnellen Variantenvergleich

Unter einer strukturierten Oberfläche steht dem Konstrukteur mit dem Modul ANSYS DesignSpace ein Funktionsumfang zur Verfügung, mit dem er die in der Konstruktion anfallenden Aufgaben effektiv bearbeiten kann. Durch eine logische Baumstruktur und die Reduktion auf das Wesentliche ist die Handhabung einfach und schnell erlernt; ein Wiedereinstieg nach Projektphasen anderer Tätigkeiten unkompliziert.

Wird im Laufe der Zeit mehr Funktionalität benötigt, stehen weitergehende Lizenzstufen zur Verfügung, die in der gewohnten Oberfläche zusätzliche Einstellungen ermöglichen und damit einen geringen Aufwand beim Übergang zu anspruchsvolleren Simulationsaufgaben sicherstellen.

Von der konstruktionsbegleitenden FEM-Berechnung mit ANSYS DesignSpace bis hin zu komplexen Analysen mit weiterführenden ANSYS-Paketen durch Berechnungsspezialisten wird ein durchgängiges Produktdatenmodell verwendet. Doppelarbeit wird so vermieden, weil bestehende Analysen aus der Konstruktion für weitergehende Berechnungen von den Berechnungsspezialisten lediglich um die zusätzlichen Optionen (z. B. nichtlineares Materialverhalten) ergänzt zu werden brauchen.

Dieser fließende Übergang von der konstruktionsbegleitenden Berechnung mit ANSYS DesignSpace hin zu komplexen, bei Bedarf auch gekoppelten Analysen durch Berechnungsexperten bietet darüber hinaus aus den Vorteil einer besseren Anwender-Unterstützung durch interne oder externe Berechnungsingenieure und damit einen Baustein zur Qualitätssicherung der konstruktionsbegleitenden Berechnung.

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