Simulation Wie CFD-Simulation die Entwicklung hydraulischer Steuerblöcke vereinfacht

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Der Einsatz von Simulationssoftware für mittelständische Unternehmen wird immer interessanter: Die Schnupp GmbH & Co. Hydraulik KG hat bereits positive Erfahrungen mit Ansys Mechanical gemacht. Aber auch für CFD-Simulationen hat Schnupp den Einstieg mit Ansys Discovery gewagt.

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Dank Simulation zu mehr Energieeffizienz: Schnupp Hydraulik setzt für die Entwicklung seiner Steuerblöcke u.a. auf Live-Simulation mit Ansys Discovery.
Dank Simulation zu mehr Energieeffizienz: Schnupp Hydraulik setzt für die Entwicklung seiner Steuerblöcke u.a. auf Live-Simulation mit Ansys Discovery.
(Bild: Schnupp Hydraulik)

Eine Produktauslegung hinsichtlich Langlebigkeit der Komponenten und insbesondere Energieeffizienz ist seit einiger Zeit für Hersteller unerlässlich. Den Handlungszwang dazu liefern globales Klima und Konkurrenzfähigkeit. Ist diese Denkweise tatsächlich erst die letzten Jahre aufgekommen oder war es nicht schon immer im Interesse von Anlagenbetreibern, die benötigte Energie zu minimieren und damit bares Geld zu sparen?

Auswirkungen von Geometrieänderungen abschätzen

Für eine effiziente Auslegung von Steuerblöcken ist Simulationssoftware von großem Vorteil:

  • Dadurch können u.a. kritische Betriebsbedingungen wie Kaltstart, hohe Öltemperatur oder Auftreten von Kavitation bereits im frühen Entwicklungsstadium kostengünstig beurteilt werden.
  • Auch kann die Erfüllung von Produktanforderungen schon im Vorfeld geklärt werden.

Diesen Schritt hin zu Simulationstechniken ist nun auch der Steuerblock-Spezialist Schnupp Hydraulik gegangen. Mithilfe von CFD-Simulation erlangen die Entwickler ein detailliertes Bild der Strömungssituation durch einen hydraulischen Steuerblock. Jede Abzweigung und Querschnittsänderung verursacht im Steuerblock Druckverluste, welche im Dauereinsatz (z.B. in einem Prüfstand) zu erhöhten Kosten führen. Ziel bei Schnupp ist es, Auswirkungen von Geometrieänderungen auf die Strömung abzuschätzen und somit Druckverluste über den Steuerblock zu vermindern.

Mit Live-Simulation schnell zu Ergebnissen

Um geeignete Software auszuwählen wurde auf Beratung durch die Cadfem GmbH zurückgegriffen. Bereits in der Vergangenheit wurde Schnupp durch Cadfem in anderen Simulationsbereichen erfolgreich unterstützt. Man entschied sich für Ansys Discovery – überzeugend waren die Einfachheit, Robustheit und vor allem die Schnelligkeit des Systems.

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Ansys Discovery bietet ein Konstruktionstool und strukturmechanische und strömungsmechanische Simulation unter einer gemeinsamen Benutzeroberfläche. Die grafische Auswertung der Simulationsergebnisse ist direkt eingebunden, wodurch es optimal zum Experimentieren geeignet ist. Gerade im Bereich der Steuerblockkonstruktion können fluiddynamische Trends durch Geometrieänderungen schnell qualitativ abgeschätzt werden. Vor allem der eingebundene Explore-Modus erlaubt bei stationärer Berechnung Auswertungen innerhalb von Sekunden bis Minuten. Für detailliertere CFD-Berechnungen stehen der Analyze-Modus sowie für einen tieferen Einstieg Schnittstellen zu etablierter Ansys-Simulationssoftware zu Verfügung.

Konstruktionspraxis-Podcast

Folge 8: Simulation

Der konstruktionspraxis-Podcast, das Fachmagazin zum Hören, informiert schnell und unterhaltsam über spannende Technikthemen. In dieser Folge reden wir mit Marc Vidal von Cadfem über die aktuelle Version der Software Ansys Discovery, die unter dem Motto Model.Explore.Analyze steht und den Funktionsumfang der Echtzeit-Simulation deutlich erweitert.

So läuft die Simulation eines Steuerblocks ab

Die Vorgehensweise bei der Strömungs-Berechnung im Explore-Modus läuft grundsätzlich wie die Simulation mit anderen CFD-Tools ab:

  • Beim Steuerblock muss zuerst das Fluidvolumen extrahiert werden.
  • An diesem Volumen können später Geometrie-Anpassungen vorgenommen werden.
  • Anschließend erfolgt die Definition von Randbedingungen (z.B. Volumenstrom, Einlass- und Auslassöffnungen) und Eingabe von einigen (wenigen) Berechnungsparametern (z.B. Viskosität, Dichte).
  • Direkt nach abgeschlossener Berechnung können die Ergebnisse, z.B. der Druckverlust zwischen Ein- und Auslassseite, grafisch dargestellt oder definierte Messpunkte ausgewertet werden.

In einem Steuerblock können an verschiedenen Stellen Verbesserungen hinsichtlich des Druckverlusts vorgenommen werden. Beispielsweise gilt es, Bohrungsdurchmesser so groß wie möglich zu wählen, Übergänge, wo möglich, fließend zu gestalten oder Rezirkulationsgebiete zu vermeiden. Ein Steuerblock ist immer ein Kompromiss zwischen Anforderungen und Funktion, verfügbarem Bauraum und strömungstechnisch optimaler Gestaltung, d.h. möglichst geringem Druckverlust und kavitationsfreier Fluidführung. Strömungsmechanische Optimierungen können bei Schnupp wegen der hohen Fertigungstiefe schnell und zuverlässig umgesetzt werden.

Ein Werkzeug für Konstrukteure

Den größten Vorteil bei Discovery sehen die Verantwortlichen darin, dass die Konstrukteure eigenständig Trends in kurzer Zeit erkennen können. Der Einsatz der Simulationssoftware kann dabei in zwei Teilbereiche gegliedert werden: Verbesserung bestehender Produkte und Verkürzung der Entwicklungszeit bei Neuentwicklungen. In Zukunft will das Unternehmen weiterhin auf CFD-Simulation setzen, vor allem, weil dadurch neue Ideen schnell bewertet und umgesetzt werden können. Als weiteren positiven Nebeneffekt kann das firmeninterne Blockfachwissen sowohl für Mobil- als auch für Stationärhydraulik gesteigert werden.

Rechnergestützte Berechnungen zur Effizienzerhöhung

Um auf die eingangs gestellte Frage zurückzukommen: Energie einzusparen war immer schon im Fokus von Maschinenherstellern und -betreibern. Jedoch rückte diese Denkweise in letzter Zeit vermehrt in den Vordergrund, nicht zuletzt wegen den genannten Gründen Klimaschutz und Konkurrenz, sondern auch durch (software-)technischen Fortschritt. Durch verbesserte Berechnungsmethoden gekoppelt an leistungsstärkere Computer wurde es überhaupt erst möglich, die Energieeffizienz von Produkten derart zu steigern, wie es heute möglich ist.

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Früh im Konstruktionsprozess an den Stellschrauben drehen

Im Bereich der Steuerblockkonstruktion können durchaus signifikante Verbesserungen hinsichtlich der Energieeinsparung erwartet werden. Mithilfe von aktueller Simulationssoftware kann man sich ein gutes Bild von der gegebenen Strömungssituation machen. Ansys Discovery stellt dazu das optimale Tool dar, um bereits im Konstruktionsprozess Einfluss auf die Druckverluste zu nehmen oder sich mit strömungstechnischen Reaktionen auf Geometrieänderungen vertraut zu machen. Zudem steigert die interaktive und intuitive Benutzeroberfläche die Anwenderfreundlichkeit, was durch die unmittelbare grafische Auswertungsmöglichkeit zusätzlich ergänzt wird.

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