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Produktentwicklung

Wie funktioniert Simulation?

In den meisten Industrieunternehmen ist Simulationssoftware aus dem Entwicklungsprozess nicht mehr wegzudenken. Der Einsatz solcher Lösungen erlaubt es den mit der Entwicklung beauftragten Ingenieuren, Produkte schnell und günstig zu verbessern, ohne dass dabei jedesmal ein Prototyp gefertigt werden muss. Doch wie genau arbeitet eine solche Software?

Bilder: Ansys Germany GmbH

Die Simulationstechnik ist einer der weltweit am schnellsten wachsenden Bereiche im Konstruktions- und Ingenieurwesen. Ihr Einsatz im Entwicklungsprozess trägt dazu bei, die Leistungsfähigkeit von bestehenden oder geplanten Entwürfen für Produkte oder Verfahren virtuell zu testen und zu verbessern. Ohne die computergestützte Simulation müssten für jede Design-Variante Prototypen gebaut und in aufwendigen Versuchsreihen getestet werden. Kleine Änderungen am Design können die Herstellung und das Testen eines komplett neuen Prototyps erforderlich machen, was die Entwicklung verzögert und die Kosten erhöht. Außerdem können Tests ein erfolgreiches Design zwar validieren, aber nicht physikalisch begründen, warum genau dieser Entwurf technisch überlegen ist. Durch den Einsatz von Simulationssoftware im Entwurfsprozess sind deutlich weniger Prototypen und Tests erforderlich.

Stattdessen können zahlreiche Design-Varianten schnell und effizient für eine große Zahl von Szenarien getestet werden, von denen einige experimentell nicht zu erfassen sind. Die Ergebnisse lassen sich in verschiedenen Dateiformaten als dreidimensionale Darstellungen oder Animationen visualisieren, mit deren Hilfe ein Ingenieur genau verstehen kann, wie und warum sich eine Variante in einem gewählten Szenario auf eine bestimmte Weise verhält. Dieses Wissen erlaubt Ingenieuren, Produkte und Prozesse schnell zu optimieren, die Konstruktions- und Entwicklungszeiten zu beschleunigen, die Kosten zu reduzieren und zur Produkteffizienz beizutragen. Eine Simulationsrechnung – sei es Multiphysik, Struktur (FEM), Strömung (CFD) oder Elektromagnetismus – gliedert sich in drei Schritte:

  • Preprocessing
  • Lösungsschritt/Verarbeitung
  • Postprocessing

Preprocessing

Das Preprocessing erfordert ein digitalisiertes Modell des Objekts oder des Prozesses. Meistens handelt es sich hierbei um eine CAD-Geometrie, die in die Simulationssoftware importiert wird. Falls die importierten CAD-Daten grobe oder ungenaue Geometrieelemente enthalten, werden diese vor der Berechnung bereinigt. Die äußeren Grenzen für das Modell sind fixiert, so dass die Simulation auf einen festgelegten Bereich beschränkt ist, was den Lösungsprozess beschleunigt. Anschließend wird am Rechner ein Gitter erstellt, das alle Oberflächen der Geometrie wie auch das gesamte Raumvolumen abdeckt. Dieses Netz kann in einigen Fällen viele Millionen individueller Zellen umfassen. Die Komplexität des Gitters ist ein wichtiger Faktor. Wenn eine höhere Genauigkeit der Ergebnisse erforderlich ist, wie beispielsweise in einer Strömungsgrenzschicht, müssen in diesem Bereich kleinere Zellen erzeugt werden. Der Computer löst auf diesem Gitter die grundlegenden auf dem physikalischen Erhaltungsprinzip beruhenden Gleichungen für jede einzelne Zelle und liefert so eine umfassende Vorhersage für das gesamte Modell. Nach der Vernetzung werden bekannte Systembedingungen zugewiesen, wie beispielsweise lokal bekannte Fließgeschwindigkeiten, Temperaturen, Drücke, Belastungen und andere Faktoren, die die Verhaltensweise des betrachteten Produkts oder Systems beeinflussen. Damit ist das Simulationsmodell für die Lösungsphase vorbereitet.

Für die Simulation werden Bedingungen wie Temperatur, Druck oder Fließgeschwindigkeit zugewiesen. Bild: Ansys Germany GmbH
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