Auf Herz und Nieren

Analysesoftware - 3D-Modelle lassen sich schnell und sicher analysieren. Gebraucht werden drei CAE-Werkzeuge: Finite-Elemente-Analyse, Bewegungssimulation und numerische Strömungsmechanik.

02. August 2007

Die Optimierung von Prozessen und die Einführung einer Zeit und Kosten sparenden Fertigung sind für heutige Unternehmen ein absolutes Muss. Unabdingbar werden daher in der Konstruktion CAE-Werkzeuge wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA), die Bewegungssimulation und die numerische Strömungsmechanik (CFD). Mit ihnen lassen sich Teile, Baugruppen oder Produkte optimal auslegen. In vielen Fällen kann sogar vollständig auf Prototypen verzichtet werden. Der 3D-CAD-Software- Hersteller SolidWorks bietet mit seiner Analysesoftware COSMOS verschiedene Werkzeuge zur Konstruktionsprüfung, die einfach zu bedienen sind und kein Expertenwissen voraussetzen.

Finite-Elemente-Analyse (FEA)

Die Methode der Finite-Elemente-Analyse (FEA) geht auf das von DaimlerChrysler selbst entwickelte FEM-Programm ESEM (Elektrostatik-Element-Methode) zurück, lange bevor die computerunterstützte Kon­struktion bekannt wurde. Man unterscheidet im Wesentlichen drei Vorgehensweisen: die lineare, die nicht-lineare und die nicht-lineare dynamische FEA. Die lineare Analyse geht davon aus, dass das analysierte Modell während des gesamten Ver­formungsprozesses die gleiche Steifigkeit aufweist und sich weder Form noch Materialeigenschaft ändern. Die nicht-lineare Analyse nimmt keine konstante Steifigkeit an und wird daher immer dann eingesetzt, wenn sich ein Teil oder eine Baugruppe unter Betriebsbedingungen verändert. Die nicht-lineare dynamische FEA hingegen

berücksichtigt Trägheitsmomente, Dämpfungseffekte und zeitabhängige Lasten und wird beispielsweise bei der Modellierung eines Metallpressprozesses angewandt, bei dem

es zu starken Verformungen und Dehnungen des Materials kommt. Diese FEA-Methode zeigt Möglichkeiten auf, die Materialmenge zu reduzieren oder ein kostengünstigeres Material zu wählen, ohne dabei die strukturmechanische Integrität zu gefährden.

Materialermüdung im Vorfeld ermitteln

Unterliegen mechanische Komponenten während des Betriebs intensiven, zyklischen Lastwechseln, so können diese im Betrieb versagen. Grund dafür ist die Materialermüdung, die bereits im Vorfeld beurteilt, vorhergesagt und vermieden werden sollte. Ein Zeichen dafür sind örtlich begrenzte Risse durch plastische Verformungen. Mit dem FEA-Analysetool

CosmosWorks lassen sich Bereiche mit Spannungskonzentrationen und die voraussichtliche Lebensdauer der Konstruktion im Voraus bestimmen. Dabei berücksichtigt die Analysesoftware die zu erwartenden Betriebslasten und die verwendeten Materialien sowie die möglichen Interaktionen mehrerer Lastfälle.

Die Kinematik: Sicher in Bewegung

Neben Formstabilität müssen Konstrukteure auch die kinematischen und dynamischen Eigenschaften neuer Produkte im Auge behalten. Hier greift die Bewegungssimulation. Sie liefert vollständige, quantitative Informationen über die Kinematik und Dynamik aller Komponenten eines beweglichen Mechanismus. Mit dem virtuellen Prototypenwerkzeug CosmosMotion von SolidWorks können Konstrukteure beispielsweise Druck- und Zugfedern untersuchen, Verbindungsglieder anordnen, Kurvenglieder ermitteln oder auch die Verhaltensweisen von Teilen mit Kontaktstellen verstehen.

Alles im Fluss mit der Strömungsmechanik

Als drittes CAE-Werkzeug neben der FEA und der Bewegungssimulation kommt die numerische Strömungsmechanik (CFD) zum Einsatz. Damit lassen sich Flüssigkeits- und Gasströmungen simulieren und Konstruktionen im Hinblick auf die Strömung von Fluids, die Wärmeübertragung und die auf eingetauchte oder umgebende Komponenten wirkenden Kräfte analysieren.

SolidWorks bietet hierfür CosmosFloWorks an. Egal ob Wasser, Saft, geschmolzene Kunststoffe oder Blut - das Produkt kann ein breites Spektrum echter Fluids analysieren. Anstatt Analyseziele in numeri­sche Konvergenzkriterien und Iterationszahlen umsetzen zu müssen, stehen dem Konstrukteur verschiedene Analyseoptionen offen. Gewählt werden kann entweder eine technisch zielbasierte Fließanalyse oder ein Vergleich verschiedener Konstruktionen auf Basis der Fließverhaltensanalyse mit anschließender Auswahl der optimalen Konstruktion für die Produktion.

Die Simulation selbst führt Cosmos-FloWorks unter realitätsgetreuen Betriebsbedingungen durch und zeigt die Ergebnisse mit Hilfe seiner Visualisierungswerkzeuge an. So erhält der Konstrukteur einen Einblick in die Leistungsfähigkeit seines Modells.

Optimierte Modelle

Wurden alle Analysen erfolgreich durchgeführt, so wird im letzten CAE-Schritt die Optimierung des Modells vorgenommen. Aufgrund der Sicherheits- und Festigkeitsanforderungen in den vorangegangenen Analysen sind sie möglicherweise überkonstruiert und zu schwer für den Verwendungszweck oder zu schwierig und zu teuer zu fertigen.

Infos zum Produktverhalten

Mit Hilfe der Optimierungswerkzeuge in CosmosWorks erhält der Konstrukteur weitere Informationen zum Produktverhalten und Ideen, wie er unter Beachtung der Daten aus den vorherigen Analysen sein Design verbessern kann. Um am Ende des Tages das optimale und rentabelste Produkt vorliegen zu haben, müssen sich Konstrukteure verschiedenster Hilfsmittel bedienen. Die Produktreihe Cosmos zur Konstruktionsprüfung gehört dazu und ist aus einer wirtschaftlichen Wertschöpfungskette nicht mehr wegzudenken.

Andreas Spieler,

SolidWorks/ps

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007