Simultaneous Engineering Wie Konstruktion und Berechnung Hand in Hand geht

Autor / Redakteur: Peter Straetemans / Karl-Ullrich Höltkemeier

FEM für den Konstrukteur, CAD-intergrierte Berechnung, konstruktionsintergrierte Simulation – all das sind Begriffe für das immer stärkere Zusammenwachsen von Konstruktion und Berechnung in Bezug auf Simulation. In diesem Zusammenhang hat sich in den letzten Jahren auch der Begriff „Simultaneous Engineering“ eingebürgert, was im Wesentlichen die Parallelisierung des Konstruktions- und Berechnungsprozesses bedeutet.

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FEM für den Konstrukteur, konstruktionsintergrierte Simulation – Begriffe für das immer stärkere Zusammenwachsen von Konstruktion und Berechnung in Bezug auf Simulation.
FEM für den Konstrukteur, konstruktionsintergrierte Simulation – Begriffe für das immer stärkere Zusammenwachsen von Konstruktion und Berechnung in Bezug auf Simulation.
(Bild: Transcat PLM)

FEM für den Konstrukteur, CAD-intergrierte Berechnung, konstruktionsintergrierte Simulation – all das sind Begriffe für das immer stärkere Zusammenwachsen von Konstruktion und Berechnung in Bezug auf Simulation. Der Grund für diese Prozessänderung ist schlicht und einfach Zeitdruck, da sich die Entwicklungszyklen von Produkten stetig verkürzen. In diesem Zusammenhang hat sich in den letzten Jahren auch der Begriff „Simultaneous Engineering“ eingebürgert, was im Wesentlichen die Parallelisierung des Konstruktions- und Berechnungsprozesses bedeutet.

Inzwischen gibt es für fast alle Simulationsbereiche CAD-integrierte Lösungen für den Konstrukteur. In der Entwurfsfase, noch vor der ersten Konstruktion, kann mit einer Topologie-Optimierung die bestmögliche Ausnutzung des Bauraums untersucht werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden als Vorgaben für die ersten Designvarianten verwendet. Während der anschließenden Detaillierung bieten sich dann lineare oder auch nichtlineare Anwendungen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) an.

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Auch im Bereich der Strömungs- und Mehrkörpersimulation sowie der Toleranzanalyse sind Lösungen verfügbar. Die dabei zum Einsatz kommenden Gleichungslöser, auf neudeutsch Solver genannt, wie Abaqus, Ansys, Adams, FloEFD, Optistruct sind in den Berechnungsabteilungen etabliert und anerkannt. Lediglich das Preprocessing, also die Berechnungsvorbereitung, findet in einer CAD-Umgebung satt. Der daraus erzeugte Input wird mit den bewährten Solvern gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil dieser CAD-integrierten Produkte ist, dass der Anwender seine gewohnte CAD-Umgebung nicht verlassen muss und die Randbedingungen der Simulation assoziativ mit der Geometrie verbunden sind. Damit können sehr schnell und komfortabel Geometrievarianten untersucht und verglichen werden. Ebenso werden Darstellung und Auswertung der Ergebnisse, das sogenannte Postprocessing, innerhalb des CAD-Systems durchgeführt.

Die Berechnungsabteilung spielt weiterhin eine entscheidende Rolle

Wenn nun derartige Untersuchungen so schnell und so einfach durch den Konstrukteur erledigt werden können, stellt sich die Frage: Wird der Berechnungsingenieur durch die CAD-integrierten Lösungen überflüssig? Nein, keineswegs. Denn durch die Entwicklung von immer leistungsfähigerer Simulationssoftware lassen sich auch immer komplexere Aufgaben lösen, wodurch die Ergebnisse immer näher an die Realität herangeführt werden.

Das geht inzwischen so weit, dass zunehmend auf die Durchführung von kostenintensiven realen Tests verzichtet und stattdessen mit Hilfe komplexer Simulationen untersucht wird. Die Bedeutung und Zuverlässigkeit dieser Ergebnisse werden also immer wichtiger. Entsprechend spielt die Berechnungsabteilung weiterhin eine entscheidende Rolle. Aufgrund der CAD-integrierten Lösungen bekommt sie heute allerdings deutlich besser vordimensionierte Konstruktionsentwürfe.

Ein häufiger Kritikpunkt der FEM-Simulation durch den Konstrukteur ist, dass sich durch den unregelmäßigen Einsatz der FEM-Anwendungen nur schlecht Erfahrung aufbauen lässt. Das liegt in der Natur der Sache, kann aber gut kompensiert werden. Zwei Punkte sind darum besonders wichtig für den erfolgreichen Einsatz von Simulationsanwendungen in der Konstruktion: im Vorfeld eine praxisnahe Anwenderschulung und während der Anwendung eine gute Betreuung.

Neben der eigentlichen Bedienung der Software kommt es dabei auf die Sensibilisierung der Konstrukteure für das Thema Finite Elemente an. Meistens nehmen an firmeninternen Schulungen Mitarbeiter aus der Berechnungsabteilung teil. In diesen Fällen hat es sich durchweg bewährt, wenn die Betreuung der Konstrukteure nach der Schulung bzw. bei der Anwendung durch die Berechnungsingenieure erfolgt. Dabei sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass in der Konstruktion und der Berechnungsabteilung mit gleichen Solver-Technologien gearbeitet wird. In anderen Konstellationen kann mit Hilfe von Online-Meetings auf den Support durch externe Dienstleister zurückgegriffen werden.

Eine weitere Unterstützung des Konstrukteurs kann durch spezielle Arbeitsmethoden erfolgen. Bei vielen zu untersuchenden Bauteilen sind die Anforderungen an die Simulation sehr ähnlich oder sogar gleich. Der Berechnungsaufbau beispielsweise einer 5-Lochfelge und die zu untersuchenden Lastfälle sind meist identisch. In diesen Fällen bietet sich der Einsatz von Analyse-Templates an.

Für ein Bauteil wird eine Referenzanalyse aufgebaut. Darin werden die Vernetzungsparameter, alle Lagerungen und Lastfälle sowie alle gewünschten Ergebnisdarstellungen definiert und somit vorbereitet. Diese Analyse wird gespeichert und ist somit das Analyse-Template.

Möchte der Konstrukteur nun eine weitere 5-Lochfelge untersuchen, nimmt er die Vorlage und tauscht einfach den Geometrielink von der einen auf die neue Geometrie.

Mit Hilfe von Publikationen in der Geometrie kann das Analysemodell die Bezüge der Definitionen zur neuen Geometrie wieder herstellen. Die Analyse mit der neuen Geometrie kann sofort gestartet werden.

Neben der damit erzielten Zeitersparnis ist auf diese Weise auch die Gleichheit der Analyseparameter und somit eine Vergleichbarkeit der Analyseergebnisse gewährleistet. Diese Methode bietet einen großen Vorteil für Konstrukteure, die nur gelegentlich Analysen durchführen.

Die Weiterführung der Analyse-Templates ist die Automatisierung des gesamten Prozesses. Viele Simulationsabläufe erfolgen immer wieder in den gleichen Schritten. Diese Prozessschritte lassen sich heute durch entsprechende Anwendungen automatisieren. Eine solche Prozessautomatisierung beschleunigt den Simulationsablauf natürlich erheblich.

Reproduzierbarkeit der einzelnen Simulationsschritte sichergestellt

In der gleichen Zeit können somit mehr Simulationen durchgeführt werden. Doch sie bietet noch andere Vorteile, denn damit ist die Reproduzierbarkeit der einzelnen Simulationsschritte sichergestellt und damit auch die Vergleichbarkeit der Ergebnisse. In diese Prozessautomatisierung lassen sich auch Optimierungsstrategien einbauen, womit beispielsweise Bauteile parametergesteuert optimiert werden können. Nach Beendigung der Untersuchung bekommt der Anwender eine Email mit den Ergebnissen. (hö)

* Peter Straetemans, Senior Consultant PLM Division / Simulation Applications, Transcat PLM

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