Erfolgreich auf Fehlersuche

FEM - Je später Mängel wie zu geringe Belastbarkeit, zu hohe Wärmeentwicklung oder zu wenig Gewicht offensichtlich werden, desto höher die Kosten. Simulationsanalysen gemäß der Finite Elemente Methode (FEM) verkürzen den Entwurfszyklus.

29. April 2005

Um jenseits aller Erfahrungswerte sicherzugehen, daß ein Modell auch praxistauglich ist, lassen Konstrukteure Prototypen erstellen. Zeigen sich hier Fehler, wird das Modell im Konstruktionsprogramm überarbeitet und anhand eines neuen Prototypen überprüft. Diesen langwierigen Entwurfszyklus verkürzen Simulationsanalysen nach der Finite Elemente Methode (FEM) oder Finite-Volumen-Berechnungen. Ihr Vorteil liegt darin, daß sie parallel zur Konstruktion laufen können. Szenarien nach dem ›Was-wäre-wenn‹-Prinzip zeigen bereits im Entwurfsstadium und noch ehe ein Produkt real existiert, ob das Modell den Praxistest besteht, welche Fehler oder Probleme auftreten und wie sie zu beheben sind. Weniger Prototypen und geringere Entwicklungskosten sind die Folge. In dieser Analyse verbirgt sich ein computergestütztes, numerisches Berechnungsverfahren, das einzelne Bauteile oder ganze Baugruppen analysiert. FEM-Programme führen beispielsweise statische und dynamische Berechnungen sowie numerische Strukturoptimierungen durch und erkennen Stabilitätsprobleme. Zudem übernehmen sie Aufgaben wie die Berechnung des linearen oder nichtlinearen Verhaltens von Bauteilen, Temperatur-, Schwing- oder Umformverhalten. Fragen wie »Wird das Bauteil brechen?«, »Wie schwingt es?« oder »Welche Temperaturverteilung stellt sich ein?« beantwortet die Analyse bereits während der Konstruktionsphase. Simulation macht Unsichtbares sichtbar und führt zu überraschenden Erkenntnissen, die alle Erfahrung widerlegen, wie das Beispiel Dräger Medical zeigt. Mit Hilfe von ›COSMOSFloWorks‹, einer in SolidWorks integrierten Software zur Strömungsanalyse, entwickelte der Medizintechnikhersteller eine neue Atemsystemversion als Teil eines Anästhesiegerätes.

»Bei der Berechnung der Ausprägung des Gasstroms bei 45-Grad-Tüllen im Vergleich zu gerade geformten Tüllen zeigte die Software, daß auf diese Weise das Anästhesiegas eher an der Leitungswand entlangströmte, anstatt in der Kanalmitte, wo die Hitzedrähte der Gasstrommessung angebracht waren«, so Dräger Konstruktionsingenieur Karsten Hoffmann. Dadurch verfälschten sich die Meßergebnisse und implizierten, daß der Patient nicht genug Gas erhält. Geeignete Widerstandskörper in der Leitung sollten den Gasstrom hinter der gewinkelten Tülle wieder in die Kanalmitte lenken. »Hier hätte ich alles verwettet, daß der von COSMOSFloWorks berechnete Druckabfall von lediglich 0,2 mbar bei 60 Litern und einem kegelförmigen Widerstandskörper nicht stimmt, sondern bei 2 mbar lag. Ein Musterbau bewies, daß die Software recht hatte.« Für derartige Berechnungen wird die zu untersuchende Struktur durch gedachte Flächen und Linien in sogenannte ›Finite Elemente‹ oder ›Finite Volumen‹ unterteilt, die über Knoten miteinander gekoppelt sind. Für jedes dieser Elemente werden physikalische Bedingungen formuliert. Die Beschreibungen aller Elemente sind in einem Differentialgleichungssystem zusammengefasst - dem mathematischen Grundgerüst für die Lösung. Computergestützte Analysen haben ihren festen Platz in Einsatzbereichen wie Automobilbau, Maschinenbau, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrttechnik.

Frauke Stautner

Erschienen in Ausgabe: 03/2005