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Simulationen in der Produktentwicklung

Das Miteinander von Konstruktion und Berechnung

In vielen Unternehmen wächst der Zeitdruck aufgrund stetig verkürzter Zyklen bei der Produktentwicklung. Entlastung versprechen Verbesserungen im Zusammenspiel zwischen Konstruktion und Simulation. Daraus könne sich für Konstrukteure parallel angelegte Szenarien bei Aufgaben wie FEM, CAD-integrierter Berechnung und konstruktionsintegrierter Simulation ergeben, die unter dem Begriff 'Simultaneous Engineering' zu fassen sind. Im Wesentlichen beschreibt dies ein zeitliches Nebeneinander von Konstruktions- und Berechnungsprozessen sowie die Integration von einfachen Vergleichsberechnungen in die Konstruktion.

Ein verbessertes Zusammenspiel von Konstruktion und Simulation kann den Zeitdruck mindern, der heute immer mehr auf der Produktentwicklung lastet. Bild: Dassault Systèmes

Mittlerweile gibt es für fast alle Entwicklungsabschnitte im CAD-System integrierte Simulationsfunktionen. Noch in der Entwurfsphase, also vor der eigentlichen Konstruktion, kann mit einer Topologieoptimierung die bestmögliche Ausnutzung des Bauraums untersucht werden. Diese Erkenntnisse bilden die Vorgaben für die ersten Designentwürfe. In der sich anschließenden Detaillierung dieser Designs bieten sich dann lineare oder auch nicht-lineare Anwendungen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) an. Solche Lösungen sind auch im Bereich der Strömungs- und Mehrkörpersimulation sowie der Toleranzanalyse verfügbar und bewährt. Die Berechnungsvorbereitung, das sogenannte Preprocessing, findet in der CAD-Umgebung satt. Der daraus erzeugte Input wird mit den bewährten Solvern, den Gleichungslösern, gelöst. Diese CAD-integrierten Produkte haben einen wesentlichen Vorteil: Der Anwender muss seine gewohnte CAD-Umgebung nicht verlassen, die Randbedingungen der Simulation sind assoziativ mit der Geometrie verbunden.

Damit können Geometrievarianten meist recht schnell und komfortabel untersucht und verglichen werden. Ebenso werden Darstellung und Auswertung der Ergebnisse, das sogenannte Postprocessing, innerhalb des CAD-Systems durchgeführt. Hier stellt sich die Frage: Wenn derartige Untersuchungen so schnell und so einfach durch den Konstrukteur erledigt werden können, wird dann der Berechnungsingenieur durch die CAD-integrierten Lösungen überflüssig? Die Antwort ist ein klares Nein. Denn durch die Entwicklung immer leistungsfähigerer Simulationssoftware lassen sich auch immer komplexere Aufgaben lösen, wodurch die Ergebnisse immer näher an die Realität herangeführt werden. Dies ist insbesondere durch die Multiphysics-Simulation möglich. Dabei werden verschiedene Simulationsdomänen, zum Beispiel eine Strömungssimulation mit Strukturmechanik, miteinander gekoppelt.

Auf kostenintensive Tests wird verzichtet

Die Möglichkeiten der Simulationstechnologien reichen inzwischen so weit, dass zunehmend auf die Durchführung von kostenintensiven realen Tests zugunsten von hochkomplexen Simulationen verzichtet wird. Die Bedeutung und Zuverlässigkeit dieser Ergebnisse spielen dabei die entscheidende Rolle. Entsprechend ist eine zuverlässige Arbeit der Berechnungsabteilung weiterhin essenziell. Aufgrund der CAD-integrierten Lösungen bekommt sie heute allerdings deutlich besser vordimensionierte Konstruktionsentwürfe. Bei der FEM-Simulation durch den Konstrukteur wird häufig kritisiert, dass sich durch den unregelmäßigen Einsatz der FEM-Anwendungen nur schlecht Erfahrung aufbauen lässt. Mit einer abteilungsübergreifenden Zusammenarbeit kann das aber gut kompensiert werden. Darum sollten Unternehmen für den erfolgreichen Einsatz von Simulationsanwendungen in der Konstruktion zwei Punkte berücksichtigen: Es gilt, die Anwender früh praxisnah zu schulen und während der Anwendung gut zu betreuen. Neben der Bedienung der Software kommt es dabei auf die Sensibilisierung der Konstrukteure für das Thema ‚Finite Elemente‘ an. In den meisten Fällen nehmen an firmeninternen Schulungen Mitarbeiter aus der Berechnungsabteilung teil. Hier hat es sich bewährt, dass die Berechnungsingenieure die Konstrukteure nach der Schulung beziehungsweise bei der Anwendung betreuen. Dabei ist von großem Vorteil, wenn in der Konstruktion und der Berechnungsabteilung mit gleichen Solver-Technologien gearbeitet wird.


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