Simulation, austauschbar

CAD CAM

Simulationsgestützte Konstruktion – Vorlagen erleichtern das Wiederholen von Berechnungen und ermöglichen es, die Simulation in den Konstruktionsprozess zu integrieren.

16. Februar 2012

Die rechnerische Simulation ist zu einem unverzichtbaren Bestandteil der virtuellen Produktentwicklung geworden. Wenn der komplette Entwicklungsprozess vom ersten Konzept bis zur Endabnahme von Simulation begleitet wird, spricht man von simulationsgetriebener Produktentwicklung.

Durch die sehr frühe Simulation unfertiger Konstruktionsstände soll die Produktentwicklung schneller, qualitativ besser und preiswerter werden. Dennoch bleibt die Verantwortung für die endgültige Validierung beim jeweiligen Berechnungsspezialisten, der für die detaillierte und zum Teil hochkomplexe Simulationsaufgabe zuständig ist.

Das frühzeitige Einbinden der Simulation in den Entwicklungsprozess bedingt jedoch, dass diese Berechnungen immer wieder mit dem jeweils aktuellen Stand des Produkts wiederholt werden. Dies lässt sich durch den Einsatz sogenannter Analysis-Templates - zu Deutsch Berechnungsvorlagen - optimieren. Bei sich wiederholenden Arbeitsfolgen eignen diese sich ausgezeichnet, um standardisierte Berechnungsaufgaben durchzuführen.

Ein Grund für die beschleunigte Verbreitung der rechnerischen Simulation in den Konstruktionsabteilungen sind sicherlich die zuverlässigen, leicht handhabbaren und mittlerweile voll in die CAD-Systeme integrierten Simulationswerkzeuge, die praxisgerechte Simulationsmodelle mit geringem Abstraktionsgrad ermöglichen.

Ein weiterer ist die enorme Leistungsfähigkeit dieser integrierten Werkzeuge beispielsweise durch die Nutzung eines einheitlichen Datenmodells, also einer gemeinsamen Datenbasis für Geometrie- und Berechnungsobjekte. Hinzu kommen robuste und automatisierte Vernetzungsalgorithmen sowie die Möglichkeit, automatisierte und optimierungsfähige Simulationen durchzuführen.

Nur durch diese Eigenschaften kann die Wandlung von der klassischen simulationsbegleitenden Entwicklung hin zur simulationsgetriebenen Produktentwicklung vollzogen werden. Berechnungsvorlagen werden unter anderem dazu genutzt, um den Mitarbeitern der Entwicklungsabteilungen spezifisches Berechnungswissen zur Verfügung zu stellen, oder um Standardsimulationsaufgaben zu automatisieren.

Sie eignen sich ausgezeichnet, sich ständig wiederholende Arbeitsfolgen und in sich abgeschlossene Simulationsaufgaben zu automatisieren. Sie werden auf Basis geeigneter Berechnungsaufgaben von FE-Spezialisten entwickelt und nach Fertigstellung zentral, beispielsweise in einer Vorlagenbibliothek, abgelegt.

Beim Erstellen und Nutzen von Berechnungsvorlagen ist eine bestimmte Rollenverteilung zu berücksichtigen: Zunächst entwickelt ein CAD-Methodenentwickler mit FEM-Background - im besten Falle ein Simulationsexperte - eine standardisierte Analysemethode und stellt diese in Form einer Berechnungsvorlage zur Verfügung.

Die Vorlage wird dann von den Anwendern, vor allem Konstrukteure, genutzt. Identifiziert der Vorlagenanwender im Entwicklungsprozess ein Berechnungsproblem, das er durch die Nutzung einer in der Berechnungsbibliothek abgelegten Berechnungsvorlage lösen kann, wird er die Vorlage in seiner CAx-Umgebung öffnen und das CAD-Referenzmodell durch das real zu berechnende Bauteil austauschen.

Zunächst bereitet der Vorlagenentwickler das CAD-Referenzmodell für die Berechnung vor. Dabei ergänzt er Hilfsgeometrien, die für das korrespondierende FEM-Berechnungsmodell benötigt werden. Zu diesen zählen unter anderem Drahtgeometrien, Flächengeometrien und Bezugskoordinatensysteme zur Definition von Hilfsknoten, Hilfselementen, spezifischen Krafteinleitungen und Kraftrichtungen.

Übergabereferenzen

Indem man die zum Aufbau des FEM-Berechnungsmodells benötigten Geometrien eindeutig benennt und im CAD-Referenzmodell veröffentlicht, sind diese später als Übergabereferenzen, sogenannte Publikationen, im FEM-Berechnungsmodell verfügbar.

Finite-Element-Spezifikationen wie FE-Netze, Materialien, Eigenschaften, Randbedingungen oder Lasten werden später auf Basis dieser Publikationen definiert. Nur so lassen sich Geometrien bei der Nutzung der Vorlage austauschen. Das CAD-Referenzmodell wird nun genutzt, um das FEM-Berechnungsmodell aufzubauen. Auf Basis der im CAD-Referenzmodell abgelegten Publikationen erstellt der CAD-Methodenentwickler nun die FE-Spezifikationen.

Zunächst entsteht auf der Basisgeometrie das Hauptnetz, danach werden Hilfsnetze zur Abbildung beispielsweise von Hebelarmen und Krafteinleitungen definiert. Anschließend erfolgen die Zuordnung und die Definition von Material, Eigenschaften der FEM-Elemente, Lastfalldefinitionen, Randbedingungen und Lasten. Zum Schluss werden die Berechnungsvorlagen in einer Vorlagenbibliothek abgelegt und zentral veröffentlicht.

Die Anwendung von Berechnungsvorlagen soll im Folgenden am Beispiel der Umlaufbiegeprüfung von Aluminiumleichtmetallrädern dargestellt werden. Die Umlaufbiegeprüfung ist im Automobilbau ein weit verbreitetes Prüfverfahren, um die Beanspruchung von Rädern bei Kurvenfahrten nachzubilden. Das üblicherweise im Prüflabor durchgeführte Verfahren wird im Beispiel mit Hilfe einer Berechnungsvorlage simuliert.

Der Vorteil dabei ist, dass sich das Referenzrad in der Vorlage sehr schnell durch das real zu überprüfende Rad austauschen und das Bauteilverhalten beurteilen lässt. Um eine Vorlage zu nutzen, lädt der Nutzer die Vorlage aus der Bibliothek, exportiert die im CAD-Referenzmodell vorhandenen Übergabereferenzen und importiert sie in das aktuell zu berechnende CAD-Modell.

Danach erfolgt die Zuordnung der importierten Übergabereferenzen zu den korrespondierenden Geometrien. Schließlich wird in der Vorlage das CAD-Referenzmodell durch das real zu berechnende CAD-Modell ausgetauscht. Vom System werden dabei die betroffenen Simulationsobjekte analysiert und ausgegeben.

Nach der Aktualisierung des FEM-Berechnungsmodells und einem kurzen Konsistenzcheck startet die Berechnung am realen CAD-Modell und schließlich die Auswertung der Ergebnisse. Der Einsatz von Berechnungsvorlagen fördert die Kreativität von Entwicklern durch einfach aufzusetzende Variantenuntersuchungen, die den Entscheidungsprozess für oder gegen eine bestimmte Alternativkonstruktion enorm beschleunigt.

Frühzeitig werden sinnvolle Entwicklungsrichtungen erkannt, was schließlich zu einem besseren Design bei höherer Qualität und kürzeren Entwicklungszyklen führt. Berechnungsvorlagen eignen sich vor allem für gut zu automatisierende Berechnungsprobleme, die nach intensiver Analyse sicherlich in vielen Entwicklungsabteilungen identifiziert werden könnten.

Sie eignen sich ausgezeichnet, sich ständig wiederholende Arbeitsfolgen und in sich abgeschlossene Simulationsaufgaben zu automatisieren. Sie werden auf Basis geeigneter Berechnungsaufgaben von FE-Spezialisten entwickelt und nach Fertigstellung zentral, beispielsweise in einer Vorlagenbibliothek, abgelegt.

Beim Erstellen und Nutzen von Berechnungsvorlagen ist eine bestimmte Rollenverteilung zu berücksichtigen: Zunächst entwickelt ein CAD-Methodenentwickler mit FEM-Background - im besten Falle ein Simulationsexperte - eine standardisierte Analysemethode und stellt diese in Form einer Berechnungsvorlage zur Verfügung.

Die Vorlage wird dann von den Anwendern, vor allem Konstrukteure, genutzt. Identifiziert der Vorlagenanwender im Entwicklungsprozess ein Berechnungsproblem, das er durch die Nutzung einer in der Berechnungsbibliothek abgelegten Berechnungsvorlage lösen kann, wird er die Vorlage in seiner CAx-Umgebung öffnen und das CAD-Referenzmodell durch das real zu berechnende Bauteil austauschen.

Zunächst bereitet der Vorlagenentwickler das CAD-Referenzmodell für die Berechnung vor. Dabei ergänzt er Hilfsgeometrien, die für das korrespondierende FEM-Berechnungsmodell benötigt werden. Zu diesen zählen unter anderem Drahtgeometrien, Flächengeometrien und Bezugskoordinatensysteme zur Definition von Hilfsknoten, Hilfselementen, spezifischen Krafteinleitungen und Kraftrichtungen.

Übergabereferenzen

Indem man die zum Aufbau des FEM-Berechnungsmodells benötigten Geometrien eindeutig benennt und im CAD-Referenzmodell veröffentlicht, sind diese später als Übergabereferenzen, sogenannte Publikationen, im FEM-Berechnungsmodell verfügbar. Finite-Element-Spezifikationen wie FE-Netze, Materialien, Eigenschaften, Randbedingungen oder Lasten werden später auf Basis dieser Publikationen definiert. Nur so lassen sich Geometrien bei der Nutzung der Vorlage austauschen.

Das CAD-Referenzmodell wird nun genutzt, um das FEM-Berechnungsmodell aufzubauen. Auf Basis der im CAD-Referenzmodell abgelegten Publikationen erstellt der CAD-Methodenentwickler nun die FE-Spezifikationen. Zunächst entsteht auf der Basisgeometrie das Hauptnetz, danach werden Hilfsnetze zur Abbildung beispielsweise von Hebelarmen und Krafteinleitungen definiert.

Anschließend erfolgen die Zuordnung und die Definition von Material, Eigenschaften der FEM-Elemente, Lastfalldefinitionen, Randbedingungen und Lasten. Zum Schluss werden die Berechnungsvorlagen in einer Vorlagenbibliothek abgelegt und zentral veröffentlicht. Die Anwendung von Berechnungsvorlagen soll im Folgenden am Beispiel der Umlaufbiegeprüfung von Aluminiumleichtmetallrädern dargestellt werden.

Die Umlaufbiegeprüfung ist im Automobilbau ein weit verbreitetes Prüfverfahren, um die Beanspruchung von Rädern bei Kurvenfahrten nachzubilden. Das üblicherweise im Prüflabor durchgeführte Verfahren wird im Beispiel mit Hilfe einer Berechnungsvorlage simuliert. Der Vorteil dabei ist, dass sich das Referenzrad in der Vorlage sehr schnell durch das real zu überprüfende Rad austauschen und das Bauteilverhalten beurteilen lässt.

Um eine Vorlage zu nutzen, lädt der Nutzer die Vorlage aus der Bibliothek, exportiert die im CAD-Referenzmodell vorhandenen Übergabereferenzen und importiert sie in das aktuell zu berechnende CAD-Modell. Danach erfolgt die Zuordnung der importierten Übergabereferenzen zu den korrespondierenden Geometrien. Schließlich wird in der Vorlage das CAD-Referenzmodell durch das real zu berechnende CAD-Modell ausgetauscht.

Vom System werden dabei die betroffenen Simulationsobjekte analysiert und ausgegeben. Nach der Aktualisierung des FEM-Berechnungsmodells und einem kurzen Konsistenzcheck startet die Berechnung am realen CAD-Modell und schließlich die Auswertung der Ergebnisse.

Der Einsatz von Berechnungsvorlagen fördert die Kreativität von Entwicklern durch einfach aufzusetzende Variantenuntersuchungen, die den Entscheidungsprozess für oder gegen eine bestimmte Alternativkonstruktion enorm beschleunigt.

Frühzeitig werden sinnvolle Entwicklungsrichtungen erkannt, was schließlich zu einem besseren Design bei höherer Qualität und kürzeren Entwicklungszyklen führt. Berechnungsvorlagen eignen sich vor allem für gut zu automatisierende Berechnungsprobleme, die nach intensiver Analyse sicherlich in vielen Entwicklungsabteilungen identifiziert werden könnten.

Erschienen in Ausgabe: 01/2012