Simulation im Liebherr-Werk Ehingen, Teil 3 Wie CFD-Simulation Konstrukteure im Kranbau unterstützt

Ein Gastbeitrag von Thomas Löffler

In unserer Serie „Simulation bei Liebherr“ zeigen wir, wie das Unternehmen vom Einsatz von CAE bei der Entwicklung seiner Produkte profitiert. Der dritte Teil fokussiert Strömungssimulation, die im Kranbau aufgrund der Motoren und hydraulischen Antriebe mit einer Fülle von Strömungsaufgaben und zahlreichen temperatursensiblen Steuerungen und Sensoren eine wichtige Rolle spielt.

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Dass bei der Entwicklung von Kränen auf strukturmechanische Berechnungen gesetzt wird, ist nicht verwunderlich. Doch auch Strömungssimulation kommt häufig zum Einsatz, wie unser Artikel über die Entwicklung bei Liebherr zeigt.
Dass bei der Entwicklung von Kränen auf strukturmechanische Berechnungen gesetzt wird, ist nicht verwunderlich. Doch auch Strömungssimulation kommt häufig zum Einsatz, wie unser Artikel über die Entwicklung bei Liebherr zeigt.
(Bild: Liebherr-Werk Ehingen)

Das Liebherr-Werk Ehingen wurde 1969 von Hans Liebherr gegründet und ist auf Mobilkräne spezialisiert. Simulationen sind dort seit Jahrzehnten gesetzt. Natürlich sind strukturmechanische Simulationen (Teil 2) seit jeher das dominierende Anwendungsgebiet – aber nicht das einzige: Die Konstrukteure in Ehnigen wurden auch mit Ansys-Werkzeugen zur Live-Simulation ausgerüstet (Teil 1), über die sie im Konstruktionsprozess selbständig Trendaussagen für ihre Modelle durchführen können. Darüber hinaus spielen Strömungssimulationen eine wichtige Rolle im Produktentstehungsprozess, wie dieser dritte und letzte Teil unserer Simulations-Serie zeigt.

Strömungssimulation im Kranbau?

FEM- und Statik-Berechnungen in Verbindung mit einer Krankonstruktion leuchten sofort ein; für das Liebherr-Werk Ehingen ist aber gerade auch die Strömungssimulation ein entscheidender Faktor, wenn es um die Optimierung von Prozessen und die Verbesserung von Qualität geht: Jeder Mobilkran verfügt über einen Motor und einen hydraulischen Antrieb mit einer Fülle von Strömungsaufgaben und zahlreichen temperatursensiblen Steuerungen und Sensoren. Die weltweite Verwendung in zum Teil extremen Klimazonen muss dennoch gewährleistet bleiben. Das betrifft ebenfalls Fragen zum Komfort in der Fahrerkabine, auf die CFD-Analysen eine Antwort haben.

Unser Ziel in der CFD-Simulation ist es, dem Konstrukteur so schnell wie möglich eine Antwort auf seine Fragen zu geben. Diese betreffen z. B. das Verhalten bei bestimmten Temperaturen, Drücken und Luftgeschwindigkeiten und die Wahl der dazu passenden optimalen Konstruktionsvariante aus der Vielzahl der Möglichkeiten.

Helmut Späth, Verantwortlicher für CFD-Simulation, Liebherr

Was sich bei Mobilkranen tut

Der Markttrend bei Mobilkranen geht in Richtung immer leistungsfähigere, kompaktere Modelle mit mehr Traglast. Gleichzeitig sind kraftstoffsparsamere und umweltfreundlichere Geräte gefordert, die selbstverständlich aktuelle Vorgaben zur Abgasreinhaltung erfüllen. Jedes Aggregat, das beispielsweise für die Klimatisierung genutzt wird, sollte in puncto Platz und Gewicht optimiert sein. Parallel verkürzt sich die Zeitspanne von der ersten Idee bis zur Übergabe eines neuen Kranmodells immer mehr (Time-to-Market). Die Entwicklung neuer Krantypen hat oftmals direkte Auswirkungen auf die begleitenden CFD-Themen. Versuchs- und Simulationsergebnisse eines Vorgängermodells helfen nur bedingt. Meist sind Neuberechnungen notwendig, da neue Leistungshorizonte erreicht werden.

Welche Vorteile CFD-Simulation mit sich bringt

LWE reagiert auf diese Marktentwicklungen mit strategischen Maßnahmen, die mit Ansys-Simulationssoftware angegangen werden. Das Ziel ist, einen hohen Wissenstand über das Geräteverhalten zu einem frühen Entwicklungszeitpunkt zu erhalten. Es gilt, Zeit einzusparen, die wiederum genutzt wird, um neue Modelle früher auf Messen zu präsentieren bzw. an Kunden auszuliefern. CFD-Simulation trägt aber auch dazu bei, Herstell- und Betriebskosten zu senken und Gerätefunktionen zu optimieren:

  • Das können andersartige Kühlerformen bzw. -anordnungen sein,
  • schwächere Rohrdurchmesser,
  • kleinere Hydrauliktanks sowie
  • weitere Anpassungen zur Einsparung von Platz und Gewicht.

Durch die CFD-Strömungssimulation gelingt es LWE, die Fragen zum Strömungs-, Heiz- und Kühlverhalten des Gerätes im Vorfeld zu beantworten und aus mehreren möglichen Varianten schnell das Optimum fundiert zu ermitteln.

Konstruktive Fragestellungen schnell beantworten

Helmut Späth ist im Liebherr-Werk Ehingen für CFD-Simulation verantwortlich. Er schildert die Herausforderungen: „Es gab und gibt bei den aktuell in der Neuentwicklung befindlichen Krantypen eine ganze Reihe von Anfragen aus den Konstruktionsabteilungen zu den Themen Motorluftansaugung, Motorkühlung, Abgasströmung, Kühleranordnung, Hydraulikansaugung und -tankströmung. Idealerweise werden die 3D-CAD-Modelle dafür in der Konstruktionsabteilung für die CFD-Simulation vorbereitet.“

Ziel sei es, dem Konstrukteur so schnell wie möglich eine Antwort auf seine Fragen zu geben. Diese betreffen z. B. das Verhalten bei bestimmten Temperaturen, Drücken und Luftgeschwindigkeiten und die Wahl der dazu passenden optimalen Konstruktionsvariante aus der Vielzahl der Möglichkeiten.

Generell geht es um die Frage, wie eine Baugruppe weiter optimiert werden kann. Der Geschwindigkeitsfaktor bei der Beantwortung der Fragen ist der Schlüssel zur erfolgreichen Anwendung der Simulation, da sich die Entwicklungszeit durch die Simulation nicht verlängern soll.

Helmut Späth, Verantwortlicher für CFD-Simulation, Liebherr

Nur ein zügiger Simulationsprozess, mit einer sehr schnellen Durchführung von CAD-Modell-Aufbereitung, Vernetzung und Simulation, erlaube das virtuelle Testen mehrerer Varianten zur Optimierung des Systems. Ist dieser Prozess zu langsam, hat die Simulation nur die Funktion einer Bestätigungsrechnung an freigegebenen Baugruppen. Der Aufwand, eine einmal freigegebene Baugruppe zu ändern, ist laut Helmut Späth wesentlich höher, als eine untaugliche Variante im Vorfeld zu verwerfen, weil dann der Gesamtentwicklungsprozess schon wieder viel weiter fortgeschritten ist. „Deshalb versuchen wir dies mit CFD-Simulation zu vermeiden,“ erklärt Helmut Späth.

Ansys Fluent wird in mehreren Werken der Liebherr-Gruppe verwendet. Ich erhalte von dort ebenfalls positive Rückmeldungen, sodass wir uns in der Entscheidung bestärkt sehen. Darüber hinaus verwenden etliche unserer Dienstleister und Zulieferer Ansys Fluent. Die Gründe für den starken Zuspruch sehe ich im beeindruckenden Funktionsumfang und der gelungenen Unterstützung von Cadfem. Wir wissen genau, sollten wir einmal nicht weiterkommen, greift der bewährte Support.

Helmut Späth, Verantwortlicher für CFD-Simulation, Liebherr

Wie CFD bei Liebherr im Einsatz ist:

  • Beim Fahrzeugmotor interessieren die Fragen rund um das Strömungsverhalten von Luftansaugung, Abgasreinigung und Abgasabführung.
  • Bei der Hydraulik steht die Optimierung von Druckverlusten, das Ansaugverhalten und die Luftabscheidung im Tank im Mittelpunkt.
  • Weiterhin gilt es, das Aggregat und die Hydraulik, sowie Kühlwasser, Ladeluft, Getriebeöl und temperatursensible Steuergeräte und Sensoren insbesondere in heißen Klimazonen mit Luftströmung zuverlässig zu kühlen bzw. vor Überhitzung zu schützen. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber extremem Klima, erhöht den regionalen Einsatzbereich und beschleunigt die Einsatzbereitschaft auch bei Tiefsttemperaturen, da Funktionen wie Vorheizen optimiert werden können.
  • Außerdem sind Komfortfragen sowohl für das Fahrerhaus des Krans beim Fahren auf der Straße als auch in der Krankabine im Oberwagen bei Heben von Lasten zu klären. Beide brauchen je nach Umgebungstemperatur einen angenehm geheizten bzw. gut gekühlten Arbeitsplatz, um die Schwerlastaufgabe hoch konzentriert und sicher durchführen zu können.
  • Hinzu kommt die Vermeidung von Lärm und das Beschlagen oder Vereisen von Scheiben. Als vertiefende Beispiele für CFD-Verwendung haben wir nachfolgend zwei Anwendungsfälle herausgegriffen, die einen Einblick in die Analysen geben.

Zwei Beispiele für CFD-Anwendungen bei Liebherr

  • Anwendungsfall Ölkühler:
    In einem der in der Entwicklung befindlichen Krane wurde eine optimale Position für den Ölkühler gesucht und gefunden. Zuerst ist der Ölkühler zuzüglich Umhüllung in Ansys Spaceclaim nachmodelliert und in die drei Volumenelemente Gehäuse, Kühlerbereich und Lüfter unterteilt worden. Anschließend erfolgte die Abbildung des Kühlers als poröse Zone mit Heizleistung entsprechend den Herstellerangaben. Dann kam die Modellierung des Lüfters als „3D-Fan-Zone“ gemäß der Lüfterkennlinie des Zulieferers. Gesucht wurde die Einbauvariante mit der größten Kühlleistung, weil damit ein Kran in heißer Umgebung am längsten voll arbeiten kann.
    Mittels Simulation folgte nun die Prüfung einer ganzen Reihe von verschiedensten Einbauorten und -varianten. Die optimale Position ist mit Ansys schnell und zuverlässig gefunden worden. In manchen Fällen war der Durchfluss Q kleiner, weil die Umgebung mehr Widerstand ergab. In anderen Fällen war der Durchfluss hoch, aber die Temperaturdifferenz war geringer, weil sich ein Teil der Kühlerluft von hinter dem Kühler wieder vor den Kühler bewegte. Die optimale Anordnung ohne die Hilfe von Simulation zu ermitteln, wäre schon deshalb unmöglich, weil die Luftdruckverhältnisse am Fahrzeug bei den unterschiedlichsten Positionen und Fahrgeschwindigkeiten sehr verschieden sind. Die schiere Menge an Varianten erfordert Software-Unterstützung.
  • Anwendungsfall Dieseloxidationskatalysator:
    Eine weitere Aufgabe war die Erbringung des Nachweises, dass die Gleichverteilung der Strömungsgeschwindigkeit über dem Strömungsquerschnitt bei der Durchströmung des DOC (Dieseloxidationskatalysator, engl.: diesel oxidation catalytic converter) über dem geforderten Uniformity-Index von UI = 94 Prozent liegt. Ansys CFD löste auch diese Aufgabe souverän, wie die Abbildung zeigt.

Darum simulieren Liebherr-Ingenieure mit Ansys und Cadfem

Der Name Liebherr steht für eine Firmengruppe, die mit unterschiedlichsten Produkten und Systemen erfolgreich ist, an über 140 Standorten. Eine Konstante in vielen Werken, Produktsegmenten, Ländern: Liebherr-Ingenieure simulieren mit Ansys und Cadfem.

Gründe, Einblicke und weitere Erfolgsgeschichten.

Simulation ermöglicht frühzeitige Konstruktionsänderungen

Helmut Späth sieht die Vorteile in der Vielfältigkeit der Simulationssoftware Ansys Fluent:

Geschwindigkeit, Druck und Temperatur, Richtungsvektoren der Strömungsgeschwindigkeit, Strömungslinien, Wanddarstellungen mit Oberflächennetz und natürlich beliebige Kombinationen daraus lassen sich leicht ermitteln. Mit den Ansys-Simulationswerkzeugen können wir den Kollegen aus der Konstruktion schnell und anschaulich darstellen, wie sich die Strömungsverhältnisse auf das jeweilige Modell in der Realität auswirken werden.

Weitere Vorteile von Ansys Fluent liegen für Helmut Späth auf der Hand: „Ohne CFD-Simulation gibt es in der Konstruktionsphase auf viele Fragen keine Antwort. Als wir noch keine hauseigene Strömungssimulation durchführen konnten, sind komplexe CFD-Fragen extern vergeben worden. Einfachere Fragen wurden bis zur Prototypeninbetriebnahme zurückgestellt und erst dann offenbar. Dies kostete Zeit und Geld. Wir wollen einfach keine bösen Überraschungen mehr beim Prototypentest erleben. Beginnen dann erst die Änderungskonstruktionen bedeutet das Zusatzaufwand und Projektverzug. Ansys bewahrt uns davor. Bereits schon bei mittelfristiger Betrachtung der Nutzung von Ansys-CFD-Analysesoftware ergibt sich eine Nutzensteigerung bei den Produkten und eine Kostensenkung. Durch den Aufbau eines eigenen CFD-Analysebereichs sind wir in der Lage, werkseigenes Know-how zu entwickeln.“

Die Konstruktionsabteilungen fragen nun häufiger nach CFD-Simulationen an und wir können diese einfacher, schneller und unbürokratischer abwickeln, als es bei externen Dienstleistern möglich wäre. Das verbessert die Qualität und macht uns flexibler und unabhängiger. Eigene, schnell ermittelte CFD-Simulationsergebnisse stellen für das Liebherr-Werk Ehingen einen hohen Wert dar.

Helmut Späth, Verantwortlicher für CFD-Simulation, Liebherr

Lesen Sie hier die beiden ersten Teile unserer Serie zur Simulation im Liebherr-Werk Ehingen:

* Thomas Löffler, freier Redakteur

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