Einen Schritt voraus

CAD CAM Cadfem

Festigkeitsanalyse – Die Erntesaison ist kurz und die Erntemengen meist sehr groß. Deshalb ist hohe Zuverlässigkeit ein zentrales Entwicklungsziel der John-Deere-Werke, die seit nahezu 175 Jahren landwirtschaftliche Maschinen fertigen.von Gerhard Friedrici, Cadfem

04. Mai 2012

Hohe Qualitätsansprüche an die eigenen Produkte prägen das Selbstverständnis von John Deere seit seiner Gründung 1837. Darauf basierend entwickelte sich aus einem Schmiedebetrieb in Illinois der Weltmarkführer für Landtechnik mit weltweit über 55.000 Mitarbeitern. In der Bundesrepublik erzielten die rund 6000 Mitarbeiter von John Deere im Jahr 2010 rund 40 Prozent des Gesamtumsatzes der deutschen Landtechnikindustrie.

Im John-Deere-Werk in Zweibrücken werden derzeit zwei Produktreihen – Mähdrescher und Feldhäcksler, beides selbstfahrende Erntemaschinen – entwickelt und gefertigt. »Mit Hilfe der Simulationssoftware Ansys können wir unseren Kunden ausgereifte Produkte liefern« berichtet Michael Gölzer, der dort für Simulation, Messtechnik und Prüfstände verantwortlich ist. »Außerdem lassen sich auf Basis der Softwareberechnungen unterschiedliche Designvarianten einfach vergleichen und bezüglich ihrer Funktionalität und Leistungsfähigkeit zeitnah beurteilen.«

Die Simulationsspezialisten von John Deere arbeiten Hand in Hand mit den Ingenieuren der Mess- und Prüftechnik in einer gemeinsamen Abteilung. Mit diesem integralen Ansatz konnte die Zusammenarbeit der einzelnen Disziplinen noch effizienter gestaltet werden. »Wir nutzen die komplette Bandbreite virtueller Modelle, um das Verhalten unserer Produkte zu simulieren«, erläutert Gölzer.

Die hohen Anforderungen an die Produktentwicklung und speziell an die Simulation lassen sich erahnen, wenn man vor einem Mähdrescher mit einer Schnittbreite von mehr als zehn Metern steht und beispielsweise den automatischen Hangausgleich der Erntemaschinen im hügeligen Gelände betrachtet.

Neben der Produktkomplexität wächst der Zeitdruck in den Entwicklungsabteilungen, da die neuen Produkte beziehungsweise Funktionalitäten möglichst früh am Markt verfügbar sein müssen, um die Führungsrolle im globalen Wettbewerb behaupten zu können. Und das Ganze natürlich in der bewährten Zuverlässigkeit, die von John Deere erwartet wird. Zu den internen Entwicklungsansprüchen kommen die jeweiligen Vorschriften der Straßenverkehrsordnung bezüglich des Gesamtgewichtes und der Transportbreite auf den teilweise engen Landstraßen.

Mehr Varianten berechnen

Nachdem die Ansys-Classic-Version in den letzten fünf Jahren mehr und mehr durch die Ansys Workbench ersetzt wurde, konnten die Berechnungen besonders von kleineren und mittelgroßen Modellen wesentlich schneller durchgeführt werden. »Mit der Einführung der Ansys Workbench konnten wir den Designoptimierungsprozess verbessern, da mehr Varianten schneller und einfacher berechnet werden können«, betont Gölzer. Geometrien beziehungsweise Geometrieänderungen lassen sich jetzt viel einfacher übernehmen, aufwendige Nachbearbeitungen sind nicht mehr notwendig und bei Änderungen von Geometrie beziehungsweise Vernetzung muss nicht immer wieder komplett von vorne begonnen werden.

Zudem wurde so die Zusammenarbeit zwischen Konstrukteuren und Berechnungsingenieuren erheblich verbessert. Jetzt sitzen die Beteiligten aus den unterschiedlichen Abteilungen teilweise gemeinsam vor einem Bildschirm und können die Auswirkungen von vollzogenen Änderungen anhand der schnell verfügbaren Simulationsergebnisse direkt beurteilen. »Für uns war die Workbench-Einführung der Durchbruch bezüglich Produktivität und Effizienz«, hebt Michael Gölzer hervor. Sein Kollege Mario Patino, der im Mannheimer Werk von John Deere für die Strukturmechanik zuständig ist, ergänzt: »Der Berechnungsingenieur kann sich dadurch überwiegend seiner hauptsächlichen Aufgabe widmen und muss sich nicht mehr so intensiv um die Übernahme der Geometriedaten und deren Vernetzung kümmern, da dieses innerhalb der Workbench-Umgebung automatisiert wurde.«

In Mannheim ist die Entwicklung und Fertigung der Mittelklasse-Traktoren für Europa angesiedelt. Insgesamt sind derzeit in Mannheim fast 20 Mitarbeiter im Simulationsbereich beschäftigt. Im Strukturbereich werden mit Ansys vielfältige Berechnungen realisiert, die von Einzelteilen und linear-elastischen Untersuchungen bis zu komplexen nichtlinearen Analysen reichen.

Für den Fall, dass der Traktor umstürzt, muss die Struktur des Überrollschutzes erhebliche Energien aus unterschiedlichen Richtungen aufnehmen. »Wir haben nun unsere zweite Generation von Fahrerkabinen entwickelt, die komplett virtuell ausgelegt wurde, um sie abschließend nur noch mit einem realen Prototypen zu überprüfen«, erläutert Mario Patino. Dazu werden hoch nichtlineare Berechnungen mit einem entsprechenden Materialmodell und verschiedenen Lastfällen realisiert.

Mit Hilfe der Ansys Workbench lassen sich diese Berechnungen automatisiert durchführen, wobei nur die Masse und die Lasten einzugeben sind. Auf diese Weise wird detailliert analysiert, ob die geltenden ECE-Richtlinien für Überrollschutzstrukturen erfüllt werden können.

Früher wurden viele Überprüfungen mit Tests an realen Prototypen durchgeführt. Heute bleibt nicht mehr die Zeit für die aufwendige Fertigung einer Vielzahl von realen Prototypen, um diese immer wieder zu testen. Deshalb realisieren die Ingenieure bei John Deere möglichst viele Überprüfungen an den virtuellen Prototypen, damit anschließend der erste reale Prototyp die erforderlichen Tests auf Anhieb besteht. »Nur so können wir die vorgegebenen Entwicklungszeiten einhalten und trotzdem die Qualität erhöhen«, berichtet Patino. »Beispielsweise haben wir beim Heckanbau der Traktoren so umfangreiche Erfahrungen bezüglich der auftretenden Lasten und des erforderlichen Designs gesammelt, dass wir diese Problematik heute rein virtuell absichern können.«

Dabei werden die einzelnen Geometriedaten als Liste an die Ansys Workbench übergeben und dann mit den dort definierten Automatismen bearbeitet: Die Workbench baut mit den Geometrien das Gesamtmodell auf und übergibt danach jeweils Wert und Richtung der Belastungen, so dass die entsprechenden Komponenten bezüglich ihrer Festigkeit und Lebensdauer automatisch berechnet werden können. Auf diese Weise lässt sich der Traktor so optimieren, dass er danach auf dem servohydraulischen Prüfstand mindestens die gewünschte Lebensdauer vorweisen kann.

Vielfältigere Anwendungen

»Vor der Einführung der Ansys Workbench und den sich daraus ergebenden Automatisierungsmöglichkeiten konnten solche umfangreichen und detaillierten Berechnungen nicht durchgeführt werden, da die Anforderungen für die traditionelle FEM-Lösung zu komplex waren«, erklärt Patino. Genau die Bereiche in der Nähe von Schraubenverbindungen sind von besonderem Interesse und lassen sich deshalb nicht mit vereinfachten Modellen analysieren.

Die Verknüpfung von unterschiedlichen physikalischen Berechnungen wird bei John Deere immer wichtiger, zum Beispiel die Verwendung von Daten aus der Strömungsanalyse bei den Strukturuntersuchungen und umgekehrt.

Der Trend geht in Richtung Multiphysik-Anwendungen bis hin zur Systemsimulation. »Je vielfältiger sich die Anwendungen entwickeln, desto öfter greifen wir auf die Schulungen und die Unterstützung durch den Ansys-Distributor Cadfem zurück, mit dem wir schon seit Jahrzehnten eine intensive Zusammenarbeiten pflegen, die durch ein solidarisches Miteinander geprägt ist«, berichtet Gölzer. »Speziell die jährlichen Anwendertreffen bieten vielfältige Möglichkeiten, um Informationen aus erster Hand zu erhalten und den Erfahrungsaustausch mit anderen Anwendern zu intensivieren.«

Abschließend verweist Gölzer darauf, dass John Deere derzeit sowohl in Simulationstechnologien als auch in Prüfstände viel investiert, um die Qualität und Zuverlässigkeit der Produkte weiter zu erhöhen. Dadurch sollen die Versuche direkt im Feld minimiert werden und hauptsächlich zur abschließenden Überprüfung von Funktion, Komfort und Zuverlässigkeit dienen. Ziel ist es, möglichst viele Komponenten und Systeme schon in den davor liegenden Phasen des Produktentstehungsprozesses auf Funktion und Haltbarkeit zu verifizieren. »Wir verfolgen das Konzept, möglichst komplette virtuelle Prüfstände zu realisieren, so dass wir die Erfahrungen, die wir mit einer Fahrzeuggeneration gesammelt haben, auch in der nachfolgenden Generation nutzen können, indem wir lediglich die virtuellen Prüfstände den neuen Gegebenheiten anpassen müssen«, formuliert Michael Gölzer die Zukunftsperspektive.

Erschienen in Ausgabe: 03/2012