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Simulation im Mittelstand Was schnelle Simulation heute leistet

Simulation ist heute nicht mehr nur für Berechnungsexperten geeignet, sondern steht vielen Anwendern für eine schnelle und frühe Designfindung zur Verfügung. Eine besondere Rolle spielt dabei die Live-Simulation, bei der Änderungen quasi in Echtzeit berechnet werden.

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Live-Simulationen, wie Altair Simsolid und Ansys Discovery sie ermöglichen, ersetzen durch schnelles Feedback Bauchentscheidungen.
Live-Simulationen, wie Altair Simsolid und Ansys Discovery sie ermöglichen, ersetzen durch schnelles Feedback Bauchentscheidungen.
(Bild: Ansys)

Produkte sind heute teilweise 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 erhalten. Besonders Live-Simulationen können hier entscheidend zu mehr Effizienz im Produktentstehungsprozess beitragen. Aktuell gibt es zwei Lösungen am Markt - Altair Simsolid und Ansys Discovery Live.

Beide Simulationslösungen sind Analysetools für den Konstrukteur, die schnelle Ergebnisse liefern. Sie ermöglichen es, die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen in Echtzeit zu bewerten und sollen dazu früh im Produktentstehungsprozess eingesetzt werden. Dabei sind beide Tools benutzerfreundlich.

Schnell zu Simulationsergebnissen

  • Um schnell zu Ergebnissen zu kommen, arbeitet Simsolid netzfrei mit einer adaptiven Multi-Pass-Analyse. Auf diese Weise macht Simsolid Geometrievereinfachung und Vernetzung überflüssig, die beiden Zeit- und Know-how-intensivsten Aufgaben im traditionellen FEM-Prozess. Dr. Uwe Schramm, CTO Solver-Technologie bei Altair: "Mit Simsolid können Analysen komplexer Bauteile sowie sehr großer Baugruppen durchgeführt werden, die in der traditionellen FEM ohne Vereinfachung nicht simulierbar wären – und das sehr effizient auf normalen Standard-PCs.
  • Die Lösung Ansys Discovery Live setzt zur schnellen Berechnung auf parallele Verarbeitung mit Grafikkarten auf CUDA-Basis. Mark Hindsbo, Vice President & General Manager bei Ansys vergleicht die Arbeit mit dem Entwurfsanalyse-Tool mit Autofahren: "Genauso, wie wir Auto fahren können ohne Mechaniker zu sein, kann der Ingenieur mit Discovery Live jetzt experimentieren, ohne die Besonderheiten der Solver-Technologie oder die Mathematik des Meshings kennen zu müssen."

Bildergalerie

konstruktionspraxis hat bei den beiden Herstellern Altair und Ansys nach den

  • Features,
  • Voraussetzungen und
  • Kosten

der Lösungen für die Live-Simulation gefragt.

1. Simsolid: Möglichkeiten und Voraussetzungen

Konstruktionspraxis hat bei Dr. Uwe Schramm, CTO für die Solver-Technologie bei Altair, über die Vorteile der Simulationslöung Simsolid gesprochen.

Welche Geometrie wird für die Simulation verwendet?

Es bedarf keiner Vorbereitung - Konstruktionsstand speichern und in Simsolid einlesen. Dabei funtkioniert Simsolid mit allen gängigen CAD-Programmen. Simsolid hat eine direkte Datenintegration zu allen gängigen Desktop- und Cloudbasierten CAD-Systemen. Darüber hinaus kann es CAD- und Schnittstellenformate lesen (Autodesk Fusion 360, Solidworks, Onshape, STL, Acis, Catia, CGR, Inventor, JT, NX, Parasolid, PLMXML, Creo, Solid Edge, VDA, Step).

Wie ist der Übergang von CAD zu Simulation gestaltet?

In Simsolid wird der zu simulierende Konstruktionsstand als vollständige Baugruppe eingelesen. Das Tool erkennt Verbindungen wie Schrauben, Schweißnähte und Verklebungen automatisch. In einem Browser können diese geprüft und ggf. angepasst werden. Danach erfolgt die Definition der Lagerung und Lastfälle. Alle getroffenen Definitionen werden gespeichert und können beim Variantenupdate komplett automatisiert wieder aufgebracht werden:

  • das jeweilige CAD-Modell wird in Simsolid importiert
  • Kontrolle der Vollständigkeit und der Materialien
  • Erstellung der Lagerung (Loslager, Festlager)
  • Anbringung der Lasten (Kräfte, Druck, Gravitation ...)
  • Starten des Berechnungslaufs
  • Ergebnisse und Ergebnisauswertung

Welches Vorwissen benötigt der Konstrukteur?

Ein Grundverständnis von Strukturmechanik und FEM ist sicherlich sinnvoll, um das Simulationsmodell inklusive aller Aspekte, wie Kontrolle der Materialien, Erstellung der Auflagen (Loslager, Festlager) und Anbringung der Lasten (Kräfte, Druck, Gravitation ...) zu definieren und die Ergebnisse zu bewerten.

Für welche Anwendungen ist Simsolid geeignet?

  • Lösungen: Modalanalyse, Lineare Statik, Nichtlineare Statik, Frequenzgang, Wärmeleitung, Thermische Spannungsanalyse, Massenträgheitsbelastung, Schraubenvorspannung
  • Materialien: Isotrop, elastoplastisch, Starrkörper, und weitere individuell erweiterbar
  • Verbindungen: Auto-Verbindungen, Klebekontakt, gleitender Kontakt, Kontaktöffnung mit Reibung, Schrauben, Schweißpunkte, Schweißnähte, Virtuelle Verbindungen
  • Ergebnisse: Kontourplots und Animationen, Verschiebungen, Spannungen/Dehnungen, Frequenzen und Schwingformen, XY-Plots, Modalpartizipationsfaktoren, Kräfte: Reaktion, Kontakt, Schrauben und Schweißverbindungen, Min/Max-Labels, Sicherheitsfaktoren, Bookmarks

Gibt es auch Aufgabenstellungen, die Simsolid nicht lösen kann - wo liegen die Grenzen?

Aktuell, wenn wir das Feld der Strukturmechanik verlassen.

Ergänzendes zum Thema
Wie Simsolid funktioniert

Die Simsolid-Berechnungsengine basiert auf Erweiterungen der externen Approximationstheorie. Externe Approximationen stellen eine Verallgemeinerung der Finite-Elemente-Methode dar, so dass absolut beliebige geometrische Formen als „finite Elemente“ verwendet werden können. Basisfunktionen zur Näherung des Berechnungsfeldes im Bauteilvolumen können dabei von beliebiger Klasse sein und sind unabhängig von der Form des Volumens. Simsolid verwendet nicht die punktweisen Freiheitsgrade, die der traditionellen Finite-Elemente-Analyse anhaften. Freiheitsgrade in Simsolid sind Funktionen mit Geometrieunterstützung in Form von Volumen, Bereichen sowie Geraden- und Punktewolken. Das ermöglicht es, geometrische Ungenauigkeiten ebenso zu behandeln wie Baugruppen-Kontaktfehler z. B. Spalte, Durchdringungen und zerklüftete Kontaktflächen. Simsolid steuert die Lösungsgenauigkeit mithilfe adaptiver Multi-Pass-Analyse. Die Adaptivität kann auf globaler Basis oder lokaler Bauteil-Basis definiert werden und ist immer aktiv.

Wie schnell ist die Simulation?

Die Simsolid-Methodik ist schnell und effizient. Sie bietet eine überlegene Performance-Metrik und Speichernutzung, die es ermöglicht, sehr große und/oder komplexe Baugruppen in kürzester Zeit auf normalen Standard-PCs zu lösen; je nach Modell in Sekunden oder innerhalb weniger Minuten.

Wie sieht es mit den Hardwareanforderungen aus?

Normaler Standard-PC/Laptop.

Welche Kosten sind damit verbunden?

ab 6900€ Subscription 1 Jahr

2. Discovery Live: Möglichkeiten und Voraussetzungen

konstruktionspraxis hat mit Mark Hindsbo, Vice President & General Manager bei Ansys, über die Vorteile der Simulationslösung Ansys Discovery Live gesprochen.

Herr Hindsbo, welche Geometrie wird für die Simulation in Discovery Live verwendet?

Wir sind CAD-neutral und können auch mit schlechter Geometrie umgehen. Sie können auf Grundlage jeder existierenden CAD-Konstruktion beginnen, in fast jedem denkbaren Format, einschließlich Auto-CAD Inventor, PTC Creo, Solidedge, Siemens NX, Solidworks und neutralen Formaten wie Step und Iges.

Wie ist der Übergang von CAD zu Simulation gestaltet?

Sie können in Discovery Live auch mit einem leeren Blatt Papier beginnen und einen komplett neuen Entwurf starten. Unabhängig davon, wo Sie beginnen, können Sie bearbeiten, verändern und neue Funktionen hinzufügen. Der Clou ist, das Sie währenddessen ihren Entwurf gleich simulieren und somit Echtzeit-Feedback zu Ihren Ideen erhalten. Sobald Sie fertig sind, bringen Sie das Ergebnis wieder in Ihr CAD System.

Welches Vorwissen benötigt der Konstrukteur?

Unser Tool macht aus einem guten Ingenieur einen großartigen Ingenieur. Dennoch sollte der Anwender natürlich eine grundsätzliche technische Vorstellung z.B. von Materialien, Mechanik oder auch Strömung haben. Denn die Physik ist immer gleich, aber der Ingenieur kann jetzt experimentieren, ohne sich Gedanken um Geometrieaufbereitung, Vernetzung oder Solver-Technologie machen zu müssen. Genauso, wie wir Auto fahren können ohne Mechaniker zu sein. Ein gutes Werkzeug steht dem Nutzer nicht im Weg, sondern ermöglicht ihm, kreativer zu sein.

Für welche Anwendungen/Fragestellungen ist Discovery Live geeignet?

Discovery Live eignet sich für grundlegende Berechnungen im Bereich Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Schwingverhalten, thermische Analysen und elektrisch-thermisches Verhalten, bei denen der Ingenieur sein Design vor der Validierung in Sekunden prüfen will. Ziel des Tools ist eine schnelle Einsicht und Orientierungshilfe und keine endgültige Zertifizierung oder Validierung. Hierzu verzahnt sich Discovery Live bei Bedarf mit den für die Validierung geeigneten Werkzeugen von Ansys. Wir erweitern ständig die Anwendungsmöglichkeiten von Discovery Live. So haben wir beispielsweise gerade einen Prozess für die Topologieoptimierung in kürzester Zeit bis hin zur Rückführung ins CAD System eingeführt.

Gibt es auch Aufgabenstellungen, die Discovery Live nicht lösen kann?

Die Struktursimulation beispielsweise beschränkt sich aktuell auf den linearen Bereich, der keine großen Verformungen in Kunststoffen umfasst. Für den schnellen produktiven Einsatz erweist sich gerade diese geringe Komplexität als Vorteil. Durch die enge Verzahnung mit den weiterführenden Werkzeugen steht jederzeit die Türe offen, die gefundenen Ideen auch einer detaillierten Berechnung mit aller von Ansys bekannten Genauigkeit und Umfang durchzuführen. Discovery Live entwickelt sich sehr schnell weiter. Um sich daher ein seriöses Bild zu machen empfehlen wir sich einfach die Version zum kostenlosen Test zu holen. Unsere Partner unterstützen Interessenten gerne auch hinsichtlich der fachlichen Fragen.

Wie schnell ist die Simulation?

Unser Durchbruch, einen nativen Löser auf massiv-parallelen GPUs zu programmieren, hat die Lösungsgeschwindigkeit für Simulationsaufgaben um etwa das Tausendfache erhöht. In Discovery Live laufen viele Simulationen in Sekundenschnelle ab. Die eigentliche Berechnung geht schneller als das Setup. Und weil die Bedienung bewusst einfach gehalten ist kommt der Anwender in wenigen Minuten von der Idee zur Erkenntnis. Dies ist eine entscheidende Komponente, um ein wirklich interaktives Erlebnis zu bieten.

Wie sieht es mit den Hardwareanforderungen aus?

Ein moderner Windows-PC mit einer Nvidia-Grafikkarte, die CUDA unterstützt, ist ausreichend. Insbesondere unterstützen wir Windows 7, 8 und 10 (64 Bit) und empfehlen eine Grafikauflösung von 1024x768 oder höher sowie eine Grafikkarte auf Basis der Kepler-, Maxwell- oder Pascal-Architektur mit mindestens 4 GB dediziertem Grafikkartenspeicher.

Und welche Kosten sind damit verbunden?

Discovery Live kostet viel weniger als herkömmliche High-End-Simulationsprodukte. Es soll von jedem Ingenieur genutzt werden und daher auch für jeden Ingenieur erschwinglich sein. Lizenzen beginnen bei einem Preis von wenigen tausend Euro. Es gibt für jeden Anspruch unterschiedliche Lizenzkonzepte, sodass z.B. auch ein Kauf mit Wartung möglich ist. Interessierte sollten sich an uns oder einen unserer Partner vor Ort wenden. Eine kostenlose Testversion ist unter www.ansys.com/discovery herunterladbar.

Smart Engineering Day

Die Digitalisierung der Produktion erfordert ein Umdenken in der Produktentwicklung. Der Smart Engineering Day bietet Entscheidungshilfen für die Auswahl der am besten geeigneten Methoden für Konzeption, Entwurf und Ausarbeitung von smarten Produkten und Maschinen.

Mehr Infos

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht