Der Beitrag FEM Freeware – Get started quickly and safely and stay one step ahead of the competition erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Machen Sie deshalb nur statische Festigkeitsnachweise für Ihre Bauteile?

Mit Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit beschäftigen Sie sich nicht?

Viele Unternehmen, Konstrukteure und Produktentwickler gehen so vor. Sie sind also nicht allein!

Es ist ja auch völlig in Ordnung der Betriebs- und Dauerfestigkeit keine Beachtung zu schenken, wenn Bauteile nur statisch belastet werden. Oder?

Ich bin der Meinung in dieser Annahme steckt ein Trugschluss.

Wer gar nichts über Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit weiß, kann auch nicht beurteilen, wann z.B. ein Dauerfestigkeitsnachweis erforderlich ist.

In diesem Artikel habe ich deshalb das erforderliche Know-How für sie zusammengestellt mit dem Sie zukünftig beurteilen, ob ein statischer Festigkeitsnachweis ausreicht.

Natürlich muss nicht jeder direkt Experte für Betriebs- und Dauerfestigkeit werden. Wer jedoch neu in die Betriebs- und Dauerfestigkeit einsteigt, ist sofort mit einer großen Menge neuer Begriffe und Zusammenhänge konfrontiert.

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Bei meiner Arbeit habe ich das schon häufiger gemerkt. Zum Beispiel, als vor einigen Jahren ein Unternehmen das ich berate, mit folgender Frage eines Kunden konfrontiert wurde:

„Kann ich Ihr Produkt auch auf einem Schwingsieb montieren?“

Mit dieser Frage begann für die Produktentwickler dort eine spannende Reise ins Fachgebiet der Betriebs- und Dauerfestigkeit.

Ich wurde als Berater hinzugezogen und musste zu Beginn den Unterschied zwischen statischem Festigkeitsnachweis, Ermüdungsfestigkeitsnachweis, Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit erklären.

Wir werden uns deshalb in diesem Artikel die Unterschiede zwischen

• Ermüdungsfestigkeit,
• Betriebsfestigkeit,
• Dauerfestigkeit,
• sowie statischen und dynamischen Belastungen

gemeinsam anschauen. Ich werde diese Begriffe definieren und gegeneinander Abgrenzen. So können Sie schnell entscheiden, welche Disziplin in Ihrem konkreten Fall zum Einsatz kommt.

Insbesondere ist dieser Artikel für Sie, wenn Sie

• zum ersten Mal ein Bauteil dauerfest auslegen müssen oder
• unsicher sind, ob ein statischer Festigkeitsnachweis ausreicht.

Konstrukteure und Produktentwickler beschäftigen sich meist in dem Wissen, dass ein statischer Festigkeitsnachweis nicht mehr ausreicht, mit der Betriebs- und Dauerfestigkeit.

Deshalb beschäftigen wir uns zuerst damit, wie Sie im konkreten Projekt feststellen, dass ein Nachweis der Betriebs- und Dauerfestigkeit erforderlich ist.

Wie Sie festlegen, ob die Dauerfestigkeit eines Bauteils geprüft werden muss

Wie ist mein Kunde auf die Idee gekommen mich anzurufen und nach einem Nachweis der Dauerfestigkeit zu fragen?

Erstmal wurde er nur gefragt, ob sein Produkt auch auf einem Schwingsieb montiert werden kann.

Ausgangssituation beim Fallbeispiel

Das Produkt wurde bis zu diesem Zeitpunkt immer nur an ruhenden Anlagen montiert. Hierdurch wurde es nur mit seinem Eigengewicht und einem Innendruck belastet. Nach Inbetriebnahme wirkt dieser Innendruck dauerhaft und konstant.

Wartungen und Reparaturen an der Anlage sind der einzige Grund dafür, dass die Anlage druckfrei wird. Nur durch den hierfür erforderlichen Stillstand der Anlage ändert sich der wirkende Innendruck.

Wartungen und Reparaturen sind deshalb im Laufe der Produktlebensdauer sehr seltene Ereignisse. Stillstände von Anlagen sind grundsätzlich ein teures Unterfangen.

Der hier vorliegende Fall ist ein klassisches Beispiel für eine überwiegend ruhende statische Belastung.

Statische Belastungen erkennen wir daran, dass Sie sich im zeitlichen Verlauf nicht ändern.

Zwar finden im vorliegenden Fall geringfügige Änderungen der Belastungen statt. Der Innendruck fällt bei seltenen Wartungsereignissen auf null. Wir werden jedoch später besprechen, dass wir diese Änderungen vernachlässigen dürfen.

Auf dieser Grundlage hatte mein Kunde in der Vergangenheit völlig richtig entschieden, dass ein statischer Festigkeitsnachweis ausreichend ist.

Immer wenn Bauteile ausschließlich statisch belastet werden, ist auch ein statischer Festigkeitsnachweis ausreichend.

Montage auf einem Schwingsieb – Nachweis der Dauerfestigkeit erforderlich?

Völlig anders ist die Situation bei der Montage auf einem Schwingsieb. Schwingsiebe führen regelmäßige hin und her Bewegungen aus, um Ihrer technischen Funktion nachzukommen.

In der Maschinendynamik sprechen wir hierbei von harmonischen Schwingbewegung.

Bei Schwingsieben ist die Frequenz meist sehr niedrig und der Schwingweg (Amplitude) sehr hoch. Derartige Schwingbewegungen erzeugen in schwingenden Systemen hohe Belastungen.

Die kinetische Energie ist im niedrigen Frequenzbereich am höchsten. Auch ein hoher Schwingweg erhöht die kinetische Energie.

Das auf dem Schwingsieb montierte Produkt meines Kunden muss diese Schwingbewegungen natürlich mitmachen. Hierdurch wird es bei jeder hin und her Bewegung wechselnden Beschleunigungskräften ausgesetzt.

Diese wechselnden Beschleunigungskräfte führen im Bauteil zu wechselnden Belastungen. Im Gegensatz zur statischen Belastung ist dieser Belastungsfall zeitlich nicht konstant. Die Belastung wechselt vom positiven in den negativen Bereich.

Wechselnde Belastungen werden, zusammen mit den schwellenden Belastungen, unter dem Oberbegriff dynamische Belastungen zusammengefasst, da ihr zeitlicher Verlauf nicht konstant ist.

Wir werden uns die Unterschiede zwischen beiden Belastungsarten im nächsten Abschnitt noch genauer ansehen.

Mein Kunde hat sich jetzt daran erinnert, dass bei dynamischen Belastungen ein statischer Festigkeitsnachweis nicht mehr ausreicht, da Werkstoffe durch die ständigen Änderungen der Belastungen ermüden.

Hierdurch versagen Werkstoffe bzw. Bauteile die eine statische Belastung gleicher Höhe ertragen.

Um sicherzustellen, dass dies nicht passiert ist ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis erforderlich. Dieser Ermüdungsfestigkeitsnachweis kann entweder als Nachweis der Betriebsfestigkeit oder als Nachweis der Dauerfestigkeit erfolgen.

Im Unternehmen existierte kein Know-How im Hinblick auf den Nachweis der Betriebs- oder Dauerfestigkeit. Deshalb hat er mich angerufen.

Kommen wir aber zunächt zurück zur Kernfrage dieses Abschnitts:

Wie legen wir fest, ob die Betriebs- oder Dauerfestigkeit eines Bauteils geprüft werden muss?

Wir können diese Frage zunächst so beantworten:

Immer wenn dynamische Belastungen an Bauteilen angreifen, ist ein Nachweis der Betriebs- oder Dauerfestigkeit erforderlich.

Wir haben so erstmal eine klare Regel. Maßgeblich für die Entscheidung, ob ein statischer Festigkeitsnachweis ausreicht oder nicht ist der zeitliche Verlauf der Belastung.

Meine Begründungen hierzu sind aber noch etwas dünn.

• Das Bauteile durch eine dynamische Belastung ermüden und hierdurch geringere Belastungen ertragen können mussten Sie einfach so hinnehmen.
• Ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis kann entweder als Nachweis der Betriebsfestigkeit oder als Nachweis der Dauerfestigkeit erfolgen. Aber was ist überhaupt der Unterschied zwischen Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit? Wann kommt welcher Ansatz zum Einsatz?

Diese Aspekte möchte ich in den nächsten Abschnitten noch genauer beleuchten.

Hierfür müssen wir aber zunächst verstehen wie sich die statische Belastung von der schwellenden und der dynamischen Belastung unterscheidet und was genau der Begriff Lastwechsel bedeutet.

Darum geht es im nächsten Abschnitt.

Belastungsfälle (statisch, ruhend, wechselnd), Lastwechsel und Dauerfestigkeit

Im vorherigen Abschnitt haben wir festgestellt, dass wir Belastungsfälle über ihren zeitlichen Verlauf unterscheiden und einschätzen können. Nachfolgend betrachten wir zuerst die drei Belastungsfälle genauer.

Statische Belastung

Sind Größe und Richtung der Belastung gleichbleibend (zeitlich konstant) liegt eine statische Belastung vor. Gewichtsbelastungen auf Konstruktionen sind ein gutes Beispiel für eine statische Belastung.

Das nachfolgende Bild zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf einer statischen Belatung. Beim Aufbringen der Belastung erreicht diese einen festen Endwert. Dieser wird im nachfolgenden Zeitverlauf konstant gehalten.

Solange ausschließlich eine statische Belastung vorliegt ist auch ein statischer Festigkeitsnachweis ausreichend.

Schwellende Belastung

Verändern sich Größe und Richtung der Belastung im Zeitverlauf (zeitlich variabel) liegt eine dynamische Belastung vor. Dynamische Belastungen werden in zwei Unterkategorien eingeteilt.

Eine schwellende Belastung liegt vor, wenn die Belastung auf einen Maximalwert ansteigt und dann wieder auf null abfällt. Ein schönes Anwendungsbeispiel hierfür sind Hebezeuge aller Art.

Wenn ein Kran eine Last anhebt, wächst die Belastung auf einen Maximalwert. Beim Absetzen fällt die Belastung wieder auf null. Das nachfolgende Bild zeigt diesen Verlauf exemplarisch.

Als Lastwechsel oder Schwingspiel wird ein voller Belastungsablauf bezeichnet.

Bei einer schwellenden Belastung entspricht ein voller Belastungssablauf dem Ansteigen der Belastung von null auf den Maximalwert und dem anschließenden Abfallen auf null, siehe vorheriges Bild.

Wechselnde Belastung

Eine wechselnde Belastung liegt vor, wenn die Belastung zwischen einem positiven Maximalwert und einem gleich großen negativen Minimalwert wechselt.

Ein schönes Beispiel dafür ist das Schwingsieb meines Kunden oder umlaufende Biegemomente wie sie z.B. bei Eisenbahn-Achsen auftreten. Das nachfolgende Bild zeigt den zeitlichen Verlauf exemplarisch.

Wie im Bild dargestellt umfasst ein Lastwechsel bei einer wechselnden Belastung einen vollen Belastungsablauf.

Also das Ansteigen der Last von null auf den Maximalwert im Zug-Bereich, das Abfallen der Last auf den Minimalwert im Druckbereich und den anschließenden Rückgang der Belastung auf null.

Selbstverständlich gibt es in der industriellen Praxis Mischbelastungen zwischen den hier beschriebenen Belastungsfällen.

Deshalb werden bei einem Nachweis der Betriebsfestigkeit oder der Dauerfestigkeit die Spannungsamplituden und die Mittelspannung für die Beurteilung des Belastungsfalls eingesetzt.

Sowohl die schwellende als auch die wechselnde Belastung erfordern einen Nachweis der Betriebsfestigkeit oder der Dauerfestigkeit.

Lastwechsel

Wie zuvor beschrieben entspricht ein Lastwechsel einem vollen Belastungsablauf. Das Ganze ist vielleicht noch etwas abstrakt, deshalb möchte ich es nachfolgend an zwei Beispielen verdeutlichen.

Bleiben wir zunächst wir bei unserem Kran-Beispiel, also dem Anheben und Absetzen der Last. Hier liegt eine schwellende Belastung vor.

Wenn ein Kran pro Tag 20-mal eine Last anheben und absetzen muss können wir also sagen:

Die Konstruktion muss 20 Lastwechsel pro Tag ertragen.

Bei harmonischen Schwingbewegung wie bei unserem Schwingsieb müssen die Konstruktionen häufig viel mehr Lastwechsel ertragen.

Hier entspricht die Anzahl der Lastwechsel pro Sekunde der Frequenz in Hz.

Schon wenn ein Schwingsieb mit einer niedrigen Frequenz von 1 Hz schwingt, erträgt die Konstruktion somit 3.600 Lastwechsel pro Stunde und 86.400 Lastwechsel pro Tag.

Das sind 4.320-mal so viele Lastwechsel wie bei unserem Kran-Beispiel.

Da die statische Belastung zeitlich konstant ist liegt es in der Natur der Sache, dass Lastwechsel nur bei dynamischen Belastungen auftreten.

Je mehr Lastwechsel ein Bauteil im Laufe der Produktlebensdauer ertragen muss umso schneller ermüdet bzw. versagt es.

Die Hintergründe wollen wir uns im nächsten Abschnitt nochmal etwas genauer anschauen.

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Warum müssen wir bei einer dynamischen Belastung einen Nachweis der Dauerfestigkeit erbringen?

Aufgrund der Gefügeeigenschaften ist eine dynamische Belastung für die meisten Werkstoffe deutlich ungünstiger als eine statische Belastung. Wie weiter oben schon geschrieben, ermüden die ständigen hin und her Bewegungen den Werkstoff bzw. das Bauteil.

Um uns das genauer zu vergegenwärtigen könnten wir jetzt tiefer in die Theorie der Werkstoffkunde einsteigen.

Oder wir bedienen uns eines einfachen Anwendungsbeispiels. Nachfolgend machen ich ein kleines Experiment mit Ihnen. Wahrscheinlich kann es jeder der gerade am Schreibtisch sitzt mitmachen.

Wir untersuchen die Ermüdungsfestigkeit einer Büroklammer mit einem Versuch am realen Bauteil.

Folgendes ist zu tun:

Wir biegen eine Büroklammer um 180° auf. Meine Büroklammer erträgt diese plastische Verformung ohne zu Versagen.

Im nächsten Schritt biegen wir die Büroklammer wieder zu und wieder auf. Meine Büroklammer erträgt die erneute Belastung, also einen weiteren Lastwechsel, auch.

Jetzt wiederholen wir diesen Bewegungsablauf so lange bis die Büroklammer versagt. Dabei zählen wir mit.

Wenn die Büroklammer versagt wissen wir wie viele Lastwechsel sie erträgt.

Meine Büroklammer hat übrigens 11 Lastwechsel geschafft. Wieviele Lastwechsel schaffen Ihre Büroklammern? Ich freue mich auf Ihren Kommentar!

Einmal auf und zu biegen entspricht einer statischen Belastung mit einem Lastwechsel. Das haben wir weiter oben festgelegt.

Jedes mal auf und zu biegen entspricht einem Lastwechsel. Die Büroklammer erträgt nur eine bestimmte Anzahl an Lastwechseln dieser dynamischen Belastung.

Das ist ein typisches Verhalten von Bauteilen und Konstruktionen.

Wenn ein Bauteil eine statische Belastung problemlos erträgt, bedeutet dies noch lange nicht, dass es unendlich viele Lastwechsel der gleichen Belastung erträgt!

Das hat uns das Anwendungsbeispiel mit der Büroklammer eindrucksvoll bewiesen.

Vielmehr nimmt die Fähigkeit eine bestimmte Belastung zu ertragen mit der Anzahl der Lastwechsel ab.

Für den Festigkeitsnachweis bedeutet das:

Die zulässige Spannung hängt von der Anzahl der Lastwechsel ab.

Dieser Zusammenhang wird von der Wöhlerkurve beschrieben.

Vereinfacht gesagt stellt die Wöhlerkurve die zulässigen Spannungen in Abhängigkeit der Lastwechsel dar.

Um sie zu ermitteln werden (vereinfacht gesagt) Bauteile oder Werkstoffproben mit unterschiedlichen Belastungen so lange dynamisch belastet bis sie versagen. Die Anzahl der Lastwechsel wird gezählt.

Aus der Summe der Einzelversuche wird die Wöhler-Kurve abgeleitet.

Die Versuche laufen also ganz ähnlich ab wie unser Versuch mit der Büroklammer.

Das nachfolgende Bild zeigt exemplarisch eine Wöhler-Kurve. Wir sehen, dass die zulässige Spannung mit der Anzahl der Lastwechsel abnimmt.

In meiner Darstellung der Wöhler-Kurve habe ich drei Bereiche markiert:

• Statischer Nachweis
• Betriebsfestigkeit
• Dauerfestigkeit

Das Diagramm zeigt exemplarisch, dass die Festigkeit in einem Bereich unter zehn Lastwechseln gleich der statischen Festigkeit ist.

Das ist der Grund warum ein statischer Nachweis in einigen Fällen auch bei dynamischen Belastungen zulässig ist, wenn die Anzahl der Lastwechsel während der Produktlebensdauer kleiner als 10 ist.

Hierauf werde ich im Abschnitt „Wo hört statisch auf? Wo fängt dynamisch an?“ noch näher eingehen.

Im nächsten Abschnitt kommt es mir aber erstmal auf den wichtigen Unterschied zwischen Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit an.

Der Unterschied zwischen Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit

Bis jetzt haben wir die Begriffe Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit immer in einem Satz verwendet, als ob sie fast die gleiche Bedeutung hätten. Aber diese beiden Begriffe bedeuten nicht das Gleiche!

Es existieren signifikante Unterschiede zwischen Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit. Diese Unterschiede müssen Sie kennen, um das richtige Vorgehen festzulegen.

Wir hatten im vorherigen Abschnitt festgestellt, dass die Fähigkeit von Werkstoffen bzw. Bauteilen eine bestimmte Belastung zu ertragen mit der Anzahl der Lastwechsel abnimmt.

Sobald wir jedoch die Grenze von ungefähr einer Million Lastwechseln erreichen fällt die zulässige Spannung nicht weiter ab. Sie ist konstant.

Oberhalb dieser Grenze sind wir im Bereich der Dauerfestigkeit. In meiner Darstellung der Wöhler-Kurve beginnt hier der Bereich der Dauerfestigkeit.

Das bedeutet:

Ein Bauteil, das eine Million Lastwechsel erträgt, kann noch viel mehr Lastwechsel ertragen und hält theoretisch für immer. Die konstante zulässige Spannung in diesem Bereich wird als Dauerfestigkeit bezeichnet.

Wenn wir ein Bauteil so auslegen, dass seine Dauerfestigkeit nicht überschritten wird, hält es auch bei einer dynamischen Belastung die gesamte Produktlebensdauer.

Die Anzahl der Lastwechsel, die das Bauteil während seiner Lebensdauer ertragen muss, spielen hierbei keine Rolle.

Dauerfestigkeit ist somit eine großartige Sache um Bauteile zu entwickeln die auch unter dynamischer Belastung sehr verlässlich sind.

Deshalb werden sicherheitskritische Bauteile oft dauerfest ausgelegt und viele meiner Kunden wünschen sich einen Nachweis der Dauerfestigkeit.

Es ist jedoch so, dass die Dauerfestigkeit meist wesentlich niedriger ist als die statische Festigkeit. Die Wöhler-Kurve verdeutlicht diesen Zusammenhang.

Ein dauerfest ausgelegtes Bauteil ist deshalb wesentlich massiver und schwerer als ein statisch ausgelegtes Bauteil bei gleicher Belastungsgröße.

Nicht nur die steigenden Rohstoffpreise treiben die Leichtbauanforderungen in vielen Branchen immer mehr in die Höhe. Im Flugzeug- und Automobilbau spielt Leichtbau schon immer eine große Rolle.

„Jedes Gramm zählt!“

Das ist ein Satz, den meine Kunden aus diesen Branchen immer wieder gern benutzen.

Wie können wir dynamisch belastete Bauteile schlanker und leichter gestalten und trotzdem sicher und zuverlässig auslegen?

Hier kommt die Betriebsfestigkeit ins Spiel.

Je geringer die Anzahl der Lastwechsel desto höher ist die zulässige Spannung. Das zeigt uns auch die Wöhler-Kurve im linear abfallenden Bereich, bevor die Dauerfestigkeit erreicht wird. Ich habe diesen Bereich mit „Betriebsfestigkeit“ bezeichnet.

Wird ein Bauteil so ausgelegt, dass es nur eine begrenzte Anzahl an Lastwechseln erträgt, ist dies eine betriebsfeste Auslegung. Bei einem Nachweis der Betriebsfestigkeit wird ein Bauteil somit für eine vorher definierte Lebensdauer ausgelegt.

Deshalb wird die Betriebsfestigkeit auch als Zeitfestigkeit bezeichnet.

Am Ende dieser Lebensdauer verliert das Bauteil früher oder später seine Funktionsfähigkeit. Häufig ist dies der Grund, warum Verschleißteile ausgetauscht werden müssen.

Um ein Bauteil betriebsfest und zuverlässig auszulegen müssen wir die Anzahl der zu ertragenden Lastwechsel genau kennen.

Nehmen wir zu wenige Lastwechsel an, wird das Gerät während der zugesicherten Lebensdauer versagen.

Nehmen wir zu viele Lastwechsel an, ist das Bauteil überdimensioniert.

Viele Unternehmen investieren deshalb viel Zeit in Versuche. Hierbei werden Zeitverläufe der im Betrieb auftretenden Belastungen aufgezeichnet und im Nachgang in Lastkollektive überführt.

Sie kennen jetzt den Unterschied zwischen Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit. Ein Nachweis der Betriebsfestigkeit ist aufwendiger kann aber zu erheblichen Einsparungen führen.

Der Oberbegriff für Betriebsfestigkeit und Dauerfestigkeit ist übrigens Ermüdungsfestigkeit.

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Wo hört statisch auf? Wo fängt dynamisch an?

Vielleicht haben sie sich bei Lesen gefragt, ob man auch schon bei einer sehr geringen Anzahl von Lastwechseln einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis durchführen muss.

Die Erfahrung zeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit in einem Bereich von null bis 10 Lastwechseln nicht signifikant unter die statische Festigkeit fällt. Die Verringerung der Festigkeit in Folge der dynamischen Belastung ist in diesem Bereich vernachlässigbar klein.

Dieser Sachverhalt ist auch in meiner Darstellung der Wöhler-Kurve weiter oben deutlich sichtbar.

Auf dieser Grundlage basiert die Annahme, dass bei weniger als 10 Lastwechseln kein Ermüdungsfestigkeitsnachweis erforderlich ist. Hier ist ein statischer Nachweis ausreichend.

Sicher gibt es aber auch noch Grenzfälle.

Was ist z.B. mit einem Druckgerät, dass einmal im Jahr für Wartung und Reparatur druckfrei gemacht wird. Hat dieses Druckgerät eine Lebensdauer von 30 Jahren ist nach vorgenannter Regel von ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis erforderlich.

In der Praxis werden in solchen Fällen häufig trotzdem nur statische Festigkeitsnachweise durchgeführt. Sicher ist dies manchmal richtig. Zum Beispiel wenn die zugrundeliegenden Berechnungsnormen es über globale Sicherheiten ermöglichen.

Pauschal kann ich hier aber keinen Freibrief geben. Es muss immer der individuelle Fall bewertet werden.

Sind Sie nach dem Lesen dieses Artikels immer noch unsicher, ob ein statischer Festigkeitsnachweis ausreichend ist oder Sie die Dauerfestigkeit nachweisen müssen?

Dann lade Sie ich Sie zu einen kostenfreien und völlig unverbindlichen Beratungsgespräch ein.

Im Beratungsgespräch können wir Ihre individuelle Fragestellung detailliert betrachten. Anschließend legen wir gemeinsam fest, wie Sie weiter vorgehen können.

Wählen einfach den Termin aus, der für Sie am besten passt. Alles weitere besprechen wir dann persönlich.

>> Termin für ein kostenfreies Beratungsgespräch vereinbaren. <<<

Dauerfestigkeit und Betriebsfestigkeit – Umsetzung im industriellen Alltag

Wenn Sie die Betriebsfestigkeit oder die Dauerfestigkeit im industriellen Alltag nachweisen müssen, empfehle ich Ihnen immer sich an einer etablierten Richtlinie zu orientieren.

Wenn Sie an keine Richtlinie gebunden sind, haben Sie die Qual der Wahl!

In diesem Fall empfehle ich Ihnen die FKM Richtlinie. Die FKM Richtlinie ermöglicht Ihnen die Anwendung des örtlichen Konzepts.

Ein Festigkeitsnachweis untergliedert sich grundsätzlich in zwei Schritte:

1. Im ersten Schritt berechnen Sie zunächst die maximalen Spannungen infolge der angreifenden äußeren Belastungen in Ihrem Bauteil.
2. Im zweiten Schritt gehen Sie mit diesen Spannungen in eine Richtlinie und führen die Spannungsbewertung durch.

Gemäß der FKM Richtlinie und vieler anderer Richtlinien können Sie auch das Berechnungsverfahren für die Ermittlung der maximalen Spannungen frei wählen.

Sie können die Spannungen also analytisch (Handrechnung) berechnen oder eine FEM Berechnung durchführen.

Ich kann Ihnen sagen: In der industriellen Praxis werden Sie mit der Handrechnung selten zum Ziel kommen.

Ich rate Ihnen deshalb dringend dazu für die Ermittlung der maximalen Spannungen die FEM Berechnung zu nutzen.

Wenn Sie das örtliche Konzept (z.B. FKM-Richtlinie) in Kombination mit einer FEM Berechnung anwenden, können Sie Bauteile optimal auf die Anforderungen im Betrieb auslegen.

Nutzen Sie bereits ein FEM Programm, z.B. für Ihre statischen Festigkeitsnachweise? Dann können Sie dieses FEM Programm auch für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis einsetzen.

Sie haben derzeit keinen Zugang zu einem FEM Programm? Dann empfehle ich Ihnen meinen Artikel.

FEM Freeware – Schnell und sicher einsteigen und der Konkurrenz einen Schritt voraus sein

Lesen Sie mal rein! Wahrscheinlich ist der Inhalt sehr interessant für Sie.

>>> Hier geht es direkt zum Artikel über FEM Freeware. <<<

Der Beitrag Dauerfestigkeit von Bauteilen – wann der statische Festigkeitsnachweis nicht mehr ausreicht erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Viele Unternehmen und Freiberufler wünschen sich derzeit mithilfe von Digitalen Zwillingen das mechanische Verhalten von Produkten oder Fertigungsprozessen bereits vor der Herstellung erster realer Prototypen zu simulieren.

Durch den Einsatz von Digitalen Zwillingen bzw. Simulation sind Sie der Konkurrenz einen Schritt voraus. Das hatte ich bereits in diesem Artikel (KLICK) beschrieben.

Leider nutzen trotzdem viele Unternehmen und Freiberufler keine Digitalen Zwillinge, obwohl sie sich hiermit einen signifikanten Wettbewerbsvorteil sichern können.

Denn in vielen Fällen werden Digitale Zwillinge mittels FEM oder CFD Simulation aufgebaut. Hierfür wird eine Simulationssoftware benötigt.

Viele Unternehmen und Freiberufler schrecken aufgrund der hohen Lizenzkosten für kommerzielle Simulationssoftware davor zurück, diese zu nutzen.

Geht es Ihnen ähnlich? Sie wollen FEM Simulation nutzen? Die Fixkosten für kommerzielle Simulationssoftware sind Ihnen aber zu hoch?

FEM Freeware ist ihr Ausweg aus diesem Konflikt und dieser Blog-Artikel zeigt Ihnen, wie Sie schnell und sicher einsteigen.

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Was ist FEM Freeware?

Sicher haben Sie schonmal von Freeware oder Open Source Software gehört.

Ich meine Software, die Sie völlig kostenfrei nutzen dürfen.

Das Betriebssystem LINUX ist hier das populärste Beispiel. LINUX wird unter der GNU General Public License (GPL) veröffentlicht.

Software, die unter GPL veröffentlicht wird, darf kostenfrei uneingeschränkt privat und kommerziell genutzt werden.

Eine leistungsfähige Simulationssoftware, die unter der Lizenz GPL veröffentlicht wird, dürfen Sie also kostenfrei für all ihre kommerziellen Simulationsprojekte einsetzen.

So sparen Sie sich die Lizenzkosten für kommerzielle Simulationssoftware.

Vor kurzem habe ich bei einem Beratungsgespräch dem Geschäftsführer eines Konstruktionsbüros davon erzählt. Er hatte seit längerem Kundenanfragen, die den Einsatz von Simulation erfordern. Die hohen Lizenzgebühren für kommerzielle Software haben ihn aber immer abgeschreckt. Er musste diese Aufträge meist ablehnen.

Wissen Sie was er geantwortet hat?

„Ich habe seit längerem darüber nachgedacht, ob es eine Simulationssoftware gibt die man ähnlich wie LINUX kostenfrei nutzen darf. Aber ich habe nie danach gesucht, weil ich dachte das wäre zu schön, um wahr zu sein oder es hat dann irgendeinen Haken.“

Ich konnte ihm sagen:

„Ja! Es gibt eine leistungsfähige Simulationssoftware, die für die industrielle Anwendung geeignet ist und die sie kostenfrei uneingeschränkt kommerziell nutzen dürfen. Und das Ganze hat keinen Haken.“

Er war total begeistert und mir macht es sehr viel Freude der Überbringer solch großartiger Lösungsansätze zu sein.

Im nächsten Schritt werde ich dann aber immer gefragt:

„Wenn FEM Freeware kostenfrei und leistungsfähig ist, warum nutzt dann überhaupt noch jemand kommerzielle Software?“

Damit beschäftigen wir und im nächsten Abschnitt.

Warum wird FEM Freeware so selten eingesetzt?

Meiner Erfahrung nach gibt es hierfür zwei Gründe:

• FEM Freeware ist weitestgehend unbekannt, weil niemand für sie Werbung macht.
• Viele haben Vorbehalte FEM Freeware einzusetzen.

Die Entwickler von FEM Freeware bzw. freier Software im Allgemeinen haben keine Gewinnerzielungsabsichten. Es ist daher nur verständlich, dass sie weder viel Zeit noch Geld in Werbung für Ihre freie Software investieren können oder wollen.

Potenzielle Nutzer erfahren somit meist nur von FEM Freeware, wenn sie gezielt danach suchen oder Ihnen die Software weiterempfohlen wird.

Viele Potenzielle Nutzer, die auf diesen Wegen von FEM Freeware erfahren, sind begeistert, aber auch skeptisch.

Tief in uns allen verankert sind zwei Grundprinzipien einer kapitalistisch geprägten Gesellschaft:

• Im Vergleich zu teurer kommerzieller Simulationssoftware kann eine FEM Freeware nur viel schlechter sein, einfach weil sie kein Geld kostet.
• Wenn uns jemand etwas umsonst gibt, kann das nur irgendeinen Haken haben.

In vielen Fällen stimmt das auch. Um zu verstehen, warum es bei FEM Freeware nicht so ist, müssen wir die Philosophie derer verstehen, die Open Source Software entwickeln.

In der Open Source Community geht es nicht darum Geld mit der Software zu verdienen. Die Entwickler verdienen Geld auf anderen Wegen oder machen diese Arbeit als Hobby.

Es gibt z.B. auch Unternehmen die intern entwickelte Software der Open Source Community bereitstellen.

Ziel ist es, die Weiterentwicklung der Software zu fördern, indem man externen Nutzern und Entwicklern Zugang zu ihr gibt. Der Nutzerkreis im Unternehmen ist meist recht klein.

Ziel ist es meistens auch, dass alle kostenfrei von der Software profitieren können und dafür jeder der die Möglichkeit hat etwas beiträgt.

In unserer kapitalistisch geprägten Welt hört sich das vielleicht utopisch an. Aber das ist die Philosophie der Open Source Community.

Sie funktioniert erwiesenermaßen seit Jahrzehnten hervorragend und bringt immer leistungsfähigere Software in die Anwendung.

Um unsere Vorbehalte gegen FEM Freeware zu eliminieren und in vollem Umfang davon zu profitieren müssen wir diese Philosophie verstehen.

Sind potentielle Nutzer erstmal von überzeugt fragen Sie meistens:

„Welche FEM Freeware würden Sie mir empfehlen?“

Damit beschäftigen wir und im nächsten Abschnitt.

Wie Sie die richtige FEM Freeware auswählen

Wir müssen uns zunächst auf zwei Dinge einigen:

• Es gibt eine große Menge an freier Software. Diese Menge ist dynamisch, weil jeder, freie Software zum Download anbieten kann.
• Es existiert keine verpflichtende Qualitätskontrolle. Deshalb gibt es gravierende Unterschiede zwischen der verfügbaren FEM Freeware.

Ob Sie FEM Freeware erfolgreich einsetzen oder nicht hängt somit wesentlich davon ab, ob Sie die richtige FEM Freeware aus der großen Menge an verfügbaren Tools auswählen.

Schlechte Erfahrungen mit FEM Freeware basieren häufig auf der Entscheidung für eine ungeeignete Software.

Im Wesentlichen muss eine FEM Freeware nachfolgende Kriterien erfüllen damit Sie diese erfolgreich einsetzen können:

1. Sie müssen die FEM Freeware uneingeschränkt nutzen dürfen. Nicht nur privat, sondern auch kommerziell.
2. Es muss sichergestellt sein, dass die FEM Freeware dauerhaft frei verfügbar ist und auch regelmäßig weiterentwickelt wird.
3. Es muss einen transparenten Prozess zur Qualitätssicherung geben, der sicherstellt, dass die Simulationsergebnisse valide sind. Dies ist auch die Voraussetzung dafür, dass die FEM Freeware von den maßgeblichen Prüfstellen (z.B. TÜV) anerkannt wird.
4. Sie müssen mit der FEM Freeware Ihre technischen Systeme modellieren also Ihre unternehmensspezifischen Fragestellungen lösen können.
5. Die Benutzerfreundlichkeit muss so hoch sein, dass Sie und Ihre Mitarbeiter die FEM Freeware komfortabel im industriellen Alltag bedienen können.

Als ich 2012 das Ingenieurbüro Vonstein & Partner gegründet habe war von vorneherein klar, dass ich hierfür uneingeschränkten Zugang zu einer Simulationssoftware benötige. Die ganze Geschichte finden Sie hier (KLICK).

Es war aber auch klar, dass ich mir am Anfang keine kommerzielle Simulationssoftware wie z.B. ANSYS oder ABAQUS leisten kann.

Ich habe zu FEM Freeware recherchiert und stand vor der gleichen Herausforderung.

Ich musste mich für eine FEM Freeware entscheiden, in die ich Zeit investiere und die mir in den nächsten Jahren gute Dienste leisten wird.

Ich habe mich damals für Salome-Meca entschieden und bin mit dieser Entscheidung bis heute absolut zufrieden.

Seit 2012 habe ich Salome-Meca bei jedem FEM Projekt eingesetzt. Und das waren sehr viele völlig unterschiedliche Simulationsprojekte.

Unter der vielen heute verfügbaren FEM Freeware nimmt Salome-Meca einen Sonderstatus ein. Warum, dass werde ich nachfolgend erklären.

Salome-Meca vereint den Pre- und Postprozessor Salome und den leistungsfähigen FEM Solver Code Aster in einer Simulationsumgebung.

Die FEM Freeware wird seit 1989 von dem französischen Energieversorger Életricité de France SA (EDF) entwickelt und wurde dann 1999 unter den Bedingungen der GPL als Open Source Software freigegeben.

Das bedeutet: Sie dürfen Salome-Meca kostenfrei uneingeschränkt kommerziell nutzen!

Salome-Meca ist kein „Spaß-Projekt“ von Hobby-Programmierern oder Doktoranden.

Die FEM Freeware wird von EDF zur Analyse hochgradig sicherheitskritischer Komponenten in nuklearen Anlagen genutzt und muss deshalb hohe Sicherheitsstandards erfüllen.

Hierfür wird die Software regelmäßig mit über 6.000 Testfällen (u.a. NAFEMS-Benchmarks) verifiziert und validiert.

Ungefähr 70 Ingenieure arbeiten bei EDF mit Salome-Meca täglich an der Weiterentwicklung von Kraftwerks-Komponenten. Auch bei den Zulieferern von EDF ist die Software im Einsatz

Durchschnittlich 30 Ingenieure und Programmierer arbeiten dauerhaft an der Weiterentwicklung von Salome-Meca und Code Aster. Auf dieser Grundlage erscheint jedes Jahr eine neue freie Version.

Das Anwendungsspektrum geht von der klassischen nichtlinearen Festkörpermechanik über thermische Analysen bis in die Spezialgebiete der Akustik.

Mit der FEM Freeware können deshalb alle gewöhnlichen industriellen Fragestellungen im Maschinenbau und maschinenbaunahen Branchen bearbeitet werden

Durch die vorgenannten Punkte wird Salome-Meca bei allen Prüfstellen anerkannt.

Kurzum erfüllt Salome-Meca so alle o.g. Kriterien, verfügt über eine hervorragende Benutzerfreundlichkeit und ist zudem einfach zu installieren.

Wenn Sie sich nicht lange selbst nach einer geeigneten FEM Freeware suchen möchten, dann ist Salome-Meca mein heißer Tipp für Sie.

Deshalb erkläre ich Ihnen nachfolgend wie Sie schnell und sicher in die Nutzung von Salome-Meca einsteigen.

Installation der FEM Freeware Salome-Meca

Salome-Meca und Code Aster wurden ursprünglich von EDF für das Open Source Betriebssystem LINUX entwickelt. Die FEM Freeware konnte deshalb für lange Zeit nur von Unternehmen und Freiberuflern eingesetzt werden, die über mindestens einen LINUX-Rechner verfügten.

Für viele Unternehmen und Freiberufler war das eine unüberwindbare Einstiegshürde. Die wachsenden IT-Sicherheitsanforderungen machen es in vielen Unternehmen unmöglich einen LINUX-Rechner zu betreiben.

Zusätzlich schrecken viele potenzielle Nutzer unbegründeter weise davor zurück LINUX einzusetzen. Wir sind einfach alle sehr an Windows gewöhnt.

Es musste also eine Windows-Version her, um die Einstiegshürde zu senken und die Verbreitung weiter zu fördern.

Im Rahmen eines Crowdfundings haben die Entwickler von SimulEase eine Windows-Version von Salome-Meca erstellt. Für die Windows-Version gelten die gleichen Lizenzbedingungen wie für die LINUX-Version.

Sie können also auch die Windows-Version kostenfrei uneingeschränkt kommerziell nutzen!

Weitere Informationen zum Crowdfunding (KLICK) finden Sie hier!

Alle Informationen zur Installation der aktuellen Version Salome-Meca 2021 finden Sie hier (KLICK)!

Wenn Sie sich für die LINUX-Version der FEM Freeware Salome-Meca interessieren, dann finden Sie hier (KLICK) alle nötigen Informationen für die Installation.

Nachdem Sie die FEM Freeware Salome-Meca erfolgreich installiert haben möchten Sie diese sicher sofort für die Lösung Ihrer Fragestellungen einsetzen.

Nachfolgend finden Sie deshalb die besten Tipps, mit denen Sie sich einarbeiten können.

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Wie Sie sich in die FEM Freeware Salome-Meca einarbeiten

Einer der reizvollsten Vorteile von FEM Freeware ist, dass es eine große Menge an hochwertigen Lehrmaterialien gibt, mit denen Sie sich kostenfrei oder kostengünstig in die Softwareanwendung einarbeiten können.

Es ist Teil der Open Source Philosophie, dass Nutzer ihr Wissen kostenfrei an den Rest der Open Source Gemeinschaft weitergeben. Häufig in Form von YouTube-Tutorials oder E-Books die zum kostenfreien Download angeboten werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass FEM Freeware über offene Schnittstellen verfügt und sich deshalb problemlos miteinander kombinieren lässt. Die ganzheitliche Simulationsumgebung Salome-Meca ist somit nur ein Weg Code Aster zu nutzen.

Wie oben beschrieben kombiniert Salome-Meca den Präprozessor Salome mit dem FEM Solver Code Aster.

Zum Verständnis unterteilen wir das Präprozessing in seine Teilschritte:

• Geometrievorbereitung
• Vernetzen (Diskretisierung)
• Modelldefinition

Für Geometrievorbereitung und Vernetzung besteht alternativ die Möglichkeit den Open Source Präprozessor Gmsh zu verwenden, um nur eine Variante zu nennen.

Auch im Hinblick auf die Modelldefinition gibt es mehrere Möglichkeiten. Es wird grundsätzlich zwischen zwei Wegen unterschieden:

• Modelldefinition über ein Input-File: Randbedingungen und Belastungen werden in einer Text-Datei definiert. Hierfür muss eine vordefinierte Syntax eingehalten werden. Der FEM Solver liest diese Text-Datei ein und interpretiert die einzelnen Befehle.
• Modelldefinition über eine grafische Benutzeroberfläche: Das Modell wird also „zusammengeklickt“. Die grafische Benutzeroberfläche erstellt dann das Input-File und stellt es dem FEM Solver zur Verfügung.

Anfänger bevorzugen meistens die Modelldefinition über eine grafische Benutzeroberfläche. So müssen sie nicht parallel zu allen anderen Herausforderungen auch noch die Syntax des Input-Files erlernen.

Mit zunehmender Professionalisierung steigen die meisten Nutzer dann auf die Modelldefinition über ein Input-File um, da dieses Vorgehen effektiver und leichter zu automatisieren ist.

Die FEM Freeware Salome-Meca hat den Vorteil, dass beide Vorgehensweisen unterstützt werden. Das integrierte Tool AsterStudy ermöglicht eine vollgrafische Modelldefinition. Zusätzlich erleichtert AsterStudy aber auch den Umstieg auf die Modelldefinition via Input-File.

Was wir also festhalten können ist:

• Es gibt unterschiedliche Workflows für die Durchführung eines Simulationsprojekts.
• Sie haben unterschiedliche Vor- und Nachteile.

Der Grund, warum ich an dieser Stelle so ausführlich darüberschreibe, ist folgender:

Alle Lehrmaterialien, die Sie im Internet finden, favorisieren einen bestimmten Workflow.

Wenn Sie also im Internet nach Lehrmaterialien suchen, gehen Sie wie folgt vor:

• Legen Sie den für Sie derzeit passenden Work-Flow fest.
• Suchen Sie dann gezielt nach Lehrmaterialien, die den von Ihnen ausgewählten Work-Flow unterstützen.

Ich empfehle Einsteigern immer für das Präprozessing Salome zu verwenden und die Modelldefinition vollgrafisch über AsterStudy zu erledigen. In unseren Einführungs-Seminaren haben wir die Erfahrung gemacht, dass der Einstieg so am besten gelingt.

Bei meinen nachfolgenden Empfehlungen gehe ich deshalb insbesondere darauf ein, welchen Präprozessor und welche Variante der Modelldefinition die Lehrmaterialien favorisieren.

Wenn Sie vertiefende Informationen zum Work-Flow von einer Finite Elemente Analyse suchen, empfehle ich Ihnen das Buch „Pratical Finite Element Analysis for Mechanical Engineers“ von Dominique Madier.

Oder den Besuch unseres Seminars „Einführung in die Finite-Elemente-Analyse von Baugruppen mit Salome-Meca und Code_Aster“.

Hier gehen wir ausführlich auf den Work-Flow des gesamten Simulationsprojekts ein.

Ich empfehle Ihnen unser Einführungs-Seminar oder das Buch von Dominique Madier auch um sich nötige Simulations-Know-How jenseits der Softwareanwendung anzueignen.

Gemeint ist hiermit z.B. Fachwissen zur mechanischen Modellierung oder zur Spannungsbewertung.

Die besten Lehrmaterialien zur FEM Freeware Salome-Meca

YouTube-Tutorials

Sehr zu empfehlen sind die YouTube-Tutorials von Cyprien Rusu. Mit seinem Projekt „FEAforAll“ leistet er einen großen Beitrag zur Simulation Democratization.

In seinen Tutorials zu Salome-Meca orientiert er sich 1:1 am oben empfohlenen Work-Flow.

Hier (KLICK) geht’s direkt zu seinem YouTube-Kanal, der auch abseits der Software-Anwendung viele spannende Tutorials rund um das Thema Simulation enthält.

Hier (KLICK) geht’s direkt zu seinen Salome-Meca Tutorials.

E-Books von Dharmit Thakore

Die Lehrbücher von Dharmit Thakore sind nicht kostenfrei, aber sehr kostengünstig. Sie orientieren sich 1:1 am oben empfohlenen Work-Flow. Dharmit erklärt den Einsatz der FEM Freeware Salome-Meca leicht verständlich und sehr unterhaltsam.

Wenn Sie ernsthaft in die Nutzung der FEM Freeware Salome-Meca einsteigen möchten, finden Sie mit diesen Büchern einen kostengünstigen Einstieg. Die Bücher enthalten fast ausschließlich Übungen. Wenn Sie die Bücher komplett durcharbeiten, sind Sie ein ganzes Stück weiter.

Hier (KLICK) geht’s direkt zum Download.

E-Book von Jean-Pierre Aubry

Das kostenfreie E-Book

„Beginning with code_aster – A practical introduction to finite element method using code_aster and Gmsh“

von Jean-Pierre Aubry gibt auf 351 Seiten eine hervorragende Übersicht über das Funktionsspektrum von Code Aster und jede Menge Hintergrundinformationen.

Einziger Nachteil für Einsteiger ist: Im Buch wird ein Work-Flow mit dem Präprozessor GMSH und der Modelldefinition über Input-Files favorisiert. Wenn man das weiß, eignet es sich jedoch trotzdem ganz hervorragend als ergänzendes Nachschlagewerk.

Sie können das Buch hier (KLICK) kostenfrei herunterladen.

Code Aster Forum

Wenn Sie dann mal individuelle Fragen haben, kann ich Ihnen das Code Aster Forum sehr an Herz legen. Hier schreiben und unterstützen die Entwickler von Code Aster selbst. Zudem wurden viele Fragen schon mal gestellt.

In den bestehenden Beiträgen finden Sie also für viele bekannte Herausforderungen schon Lösungen. Legen Sie einen Account an und stellen Sie Ihre Frage. Ich bin mir sicher Ihnen wird geholfen.

Hier geht es direkt zum Forum (KLICK).

Mit den vorgenannten Lehrmaterialien können Sie sich autodidaktisch in die FEM Freeware Salome-Meca einarbeiten. Dieses Vorgehen hat den Vorteil das es sehr kostengünstig aber mitunter sehr zeitintensiv ist.

Zusätzlich eignet sich autodidaktisches Lernen nicht für jeden. Manch einer besucht lieber Seminare.

Ein gutes Seminar kann den Zeitbedarf für den Know-How-Aufbau extrem verkürzen, weil die Dozenten das Wissen individuell auf Ihre Ausgangssituation und Anforderungen zuschneiden.

Suchen Sie nach einer Möglichkeit innerhalb von 3 Tagen die Anwendung der FEM Freeware Salome Meca und zusätzlich die erforderlichen theoretischen Grundlagen zu erlernen?

Dann ist unser Seminar

„Einführung in die Finite-Elemente-Analyse von Baugruppen mit Salome-Meca und Code_Aster“

genau das richtige für Sie! Wir bieten das Seminar in Präsenz und als Online-Veranstaltung an.

Hier (KLICK) geht’s direkt zur Seminar-Beschreibung.

Damit sind wir am Ende dieses Blog-Artikels. Ich hoffe ich konnte Ihnen auf verständliche und unterhaltsame Weise vermitteln, wie Sie schnell und sicher in die Nutzung von FEM Freeware einsteigen und so zukünftig Ihrer Konkurrenz einen Schritt voraus sind.

Haben Sie das Gefühl Sie können jetzt direkt loslegen oder hält Sie noch etwas vom Einsatz der Simulation in Ihrer Produktentwicklung ab? Haben Sie Fragen oder Anregungen?

Ich freue mich auf Ihre Kommentare!

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Der Beitrag FEM Freeware – Schnell und sicher einsteigen und der Konkurrenz einen Schritt voraus sein erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Die Einsparung von Entwicklungskosten ist für viele Unternehmen eine wichtige Motivation, um Simulation in Ihrer Produktentwicklung zu nutzen.

Simulation ist eine der wirkungsvollsten Methoden um in der Produktentwicklung Kosten zu sparen.

Warum ist das so?

Die Design-Phase legt 90% von Qualität, Kosten und Zeitaufwand fest.

Das haben viele von uns mal irgendwo gelernt!

Das bedeutet aber auch, dass die wichtigsten Entscheidungen bei der Produktentwicklung zu einem Zeitpunkt getroffen werden an dem Produkte und Fertigungsprozesse physisch noch gar nicht existieren.

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Wird im Produktentstehungsprozess also auf eine rein physische Erprobung mit realen Prototypen gesetzt, dann existieren zu diesem Zeitpunkt noch keine verlässlichen Herstellbarkeitsanalysen im konkreten Projekt.

Alle Entscheidungen basieren auf Erfahrungswerten aus abgeschlossenen Projekten, die in vielen Fällen nur bedingt übertragbar auf neuartige Projekte sind.

Simulation ermöglicht eine virtuelle Erprobung von Produkten und Fertigungsprozessen, lange bevor diese real (physisch) existieren. Das ist einer der Gründe warum sie ein so effektives Werkzeug ist um die Entwicklungskosten zu senken.

Nach unserer Erfahrung aus zahlreichen Projekten sind Einsparungen bis zu 90 % möglich.

Wenn ich das erzähle, fange ich mir meist ungläubige Blicke ein! Das ist der Grund warum ich diesen Artikel geschrieben habe. Er zeigt Ihnen anhand einiger einfacher Kalkulationen, wo und in welchem Umfang Einsparungen in der Produktentwicklung durch Simulation zu erzielen sind.

Für diese Artikelserie habe ich drei anschauliche Fallbeispiele aus meinen Kundenprojekten der letzten 10 Jahre herausgegriffen. Ich habe mir hierfür die Einverständniserklärung der jeweiligen Kunden eingeholt.

Verständlicherweise musste ich die Beispiele aber soweit abstrahieren, dass keine Rückschlüsse auf Unternehmensinterna gezogen werden können.

Der Vorteil ist, dass ich hierdurch mit konkreten Zahlenwerten aus den Projekten arbeiten kann. Sicher werden die jeweiligen Angaben von Ihren Kalkulationsgrundlagen abweichen. Jedes Unternehmen ist anders, hat andere Voraussetzungen.

Trotzdem werden Ihnen diese konkreten Zahlenwerte ein gutes Gefühl für das Machbare geben. Zusätzlich ermöglichen die Kalkulationsbeispiele es Ihnen, Ihre Zahlenwerte einzusetzen. Sie bekommen auf diesem Weg eine Anleitung für Ihre eigene Kalkulation, mit der Sie die Einsparungspotenziale in Ihrem Unternehmen aufspüren können.

Ich lade Sie ein, Ihre eigenen unternehmensspezifischen Zahlen in diese Kalkulationen einzusetzen. So können Sie prüfen, ob Sie in Ihrem Unternehmen ähnliche Einsparungen erreichen können.

Was als Plan für einen Blogartikel begonnen hat, ist dann doch eine Artikelserie mit zwei Artikeln geworden. Für einen einzelnen Artikel sind die drei Fallbeispiele zu umfangreich, es wird dann zu unübersichtlich.

Und das sind die drei konkreten Fallbeispiele, die ich mir mit Ihnen in der Artikelserie anschauen möchte:

• Fall 1 | Virtuelle Produktentwicklung eingeführt und dadurch reale Prototypen durch virtuelle Prototypen ersetzt
• Fall 2 | Mitarbeiter zu Simulation Specialist ausgebildet und dadurch ermöglicht, dass Simulationsprojekte intern mit Open-Source-Simulationssoftware durchgeführt werden anstatt extern als Berechnungsdienstleistungen
• Fall 3 | Im kostenfreien Beratungsgespräch festgestellt, dass sich der Einsatz von Simulation im konkreten Fall derzeit nicht lohnt

Fall 1 betrachten wir in Teil 1 der Artikelserie, also in diesem Artikel. Dieser Fall liegt vor, wenn bisher noch gar nicht oder nur selten mit virtuellen Prototypen und Simulation gearbeitet wurde. Das ist in vielen Unternehmen immer noch der Fall und bietet sich in manchen Branchen als einfache Gelegenheit an, ein entscheidendes Alleinstellungsmerkmal aufzubauen.

Für Unternehmen, die regelmäßig Simulationen als Auftrag an Dienstleister vergeben, kann die Umstellung auf interne Durchführung der Simulation aus Kostengründen interessant sein. Damit beschäftigt sich Fall 2. Zusätzlich ist es wichtig zu wissen, dass Simulation nicht immer das Mittel der Wahl ist, wie Fall 3 zeigt.

Die Fälle 2 und 3 betrachten wir im zweiten Teil der Artikelserie. Dieser erscheint in Kürze.

Beginnen wir also mit Fall 1!

Fall 1 | Reale Prototypen durch virtuelle Prototypen ersetzt

In diesem Abschnitt stellen wir Ihnen die Einsparungen der Entwicklungskosten beim Ersatz von realen Prototypen durch virtuelle Prototypen vor. Das Ersetzen von realen Prototypen durch virtuelle Prototypen wird auch als „Einführung der virtuellen Produktentwicklung“ bezeichnet.

Im Hinblick auf die Komplexität des physikalischen Verhaltens sowie der Entwicklungsaufgaben habe ich bewusst ein Beispiel-Projekt mit mittlerem Schwierigkeitsgrad gewählt.

Für die virtuelle Produktentwicklung setzen wir in all unseren Projekten grundsätzlich Open-Source-Simulationssoftware ein.

Wie ist der Vergleich aufgebaut?

Die Kalkulation der Kosten bezieht sich auf ein Produkt, das die Untersuchung und Optimierung eines Strömungsverlaufes erforderlich macht. Zunächst kalkulieren wir die internen und die externen Kosten für den Bau und die Untersuchung realer Prototypen.

Zum Vergleich berechnen wir dann die Kosten für die Erstellung virtueller Prototypen (Simulationsmodelle) und deren Analyse. Hierfür kommt die Strömungssimulation (CFD) zum Einsatz. Für die praktische Umsetzung wird eine Open-Source-Software verwendet.

Was wird in der Kalkulation der Entwicklungskosten berücksichtigt?

Wir gehen davon aus, dass der Bau realer Prototypen typischerweise im Unternehmen selbst stattfindet. Die Kalibrierung von Messeinrichtungen und die Versuchsdurchführung, z.B. im Windkanal, werden dann aber in der Regel an Externe (Prüfanstalten, Ingenieurbüros, Hochschulen) vergeben.

Nach unserer Erfahrung haben insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen in vielen Fällen nicht die nötigen Vorrichtungen für den Versuchsaufbau. Wir setzen deshalb neben den internen Personalkosten und den Material- und Herstellkosten für den Prototyp noch externe Kosten für die Versuchsdurchführung an.

Für die Kostenkalkulation der virtuellen Prototypen nehmen wir an, dass die Simulationsprojekte von einem Mitarbeiter intern durchgeführt werden. Im Zuge des Einführungsprojekts wird er durch eine maßgeschneiderte Kombination auf Seminaren und Individual-Coachings zum Simulation Specialist fortgebildet.

Entwicklungskosten für realen Prototyp

Mit den nachfolgenden Aufgaben war ein Mitarbeiter vor der Zusammenarbeit mit uns ca. eine Woche beschäftigt:

• Prototypenbau
• Abstimmung der Versuchsdurchführung mit externem Dienstleister
• Anwesenheit bei der Versuchsdurchführung
• Auswertung und Bewertung der Ergebnisse

Hierdurch ergeben sich interne Personalkosten von: 1 Woche á 40 h x 100 €/h = 4.000,- €

Die Materialkosten für den Prototypenbau betrugen im konkreten Fall 9.200,- €.

Die externen Kosten für Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung betrugen im konkreten Fall 7.200,- €.

Die Versuchskosten für diesen Fall mittlerer Komplexität betragen in Summe 20.400,- €.

Wenn der Prototyp auf Grundlage der Ergebnisse einmal optimiert werden muss, ergeben sich zusätzliche Kosten:

Realen Prototyp optimieren und anpassen (Material- und Personalkosten): 2.000,- €.

Erneute Versuchsdurchführung 4.000,- €.

Interne Personalkosten für Abstimmung und Anwesenheit beim Versuch (3 Tage á 8 h x 100 €/h): 2.400,- €.

Eine Iterationsschleife an einem realen Prototyp kostet also zusätzlich 8.400,- €.

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Entwicklungskosten für alternative Vorgehensweise mit virtueller Produktentwicklung

Wir kalkulieren hier die Kosten für die Einführung von Simulation auf Basis einer Open-Source-Software. Der Mitarbeiter führt sein erstes Simulationsprojekt mit zwei Optimierungsschleifen in der Einführungsphase mit unserer Unterstützung durch. Er nutzt dafür die normalen Arbeitstage und klärt seine Fragen an den Coaching-Tagen.

Einführungskosten für Simulation

Um dem Mitarbeiter einen schnellen, reibungsfreien Einstieg zu ermöglichen, wird er bei der Fortbildung zum Simulation Specialist in zwei Schritten an die eigenständige Durchführung von Simulationsprojekten herangeführt:

1. Aufbau von Basiswissen im Rahmen eines 3-tägigen Einführungs-Seminars: 1.450,- €
2. Aufbau von unternehmensspezifischem Spezialwissen im Rahmen eines 8-wöchigen Individual-Coaching (training on the job): 7.800,- €

Fortbildungskosten: 9.250,- €

Hinzugerechnet werden die internen Personalkosten für Schulung (3 Tage) und Coaching (8 Tage), die für den Mitarbeiter anfallen (11 Tage x 8 h x 100,- EUR/h): 8.800,- €

Heute ist die Leistungsfähigkeit einer CAD-Workstation nach aktuellem Stand der Technik für die meisten Simulationen in der industriellen Anwendung ausreichend. Im Beispielunternehmen waren diese zahlreich vorhanden. Deshalb fallen keine Hardwarekosten an.

Und das beste: Da wir die Open-Source-Simulationssoftware Code_Saturne eingesetzt haben, fallen keine laufenden Softwarelizenzgebühren an.

Das Beispielunternehmen konnte somit das gesamte Budget in die Fortbildung der Mitarbeiter investieren.

Die Gesamtkosten für die Einführung (Fortbildung + interne Personalkosten) betrugen 18.050,- €.

Entwicklungskosten für Simulation und Optimierung eines neuen Produktes nach Abschluss der Einführungsphase

Nach der Fortbildung ist der Mitarbeiter fähig, in 3 Tagen das Simulationsmodell aufzubauen und die Simulationsergebnisse zu bewerten. Für jede Iteration zur Optimierung des Produkts auf Grundlage der Simulationsergebnisse benötigt er 1 Tag. Es fallen nur interne Personalkosten und keine Softwarelizenzkosten an.

Die Kosten für den virtuellen Prototyp eines neuen Produktes liegen dann bei (24 h x 100,- €/h): 2.400,- €.

Jede zusätzliche Iteration zur Optimierung kostet einen Arbeitstag (8 x 100,- €/h): 800 €.

Eingesparte Entwicklungskosten bei zwei Iterationsschleifen

Im Beispielunternehmen sind im Durchschnitt zwei Iterationen bis zum optimalen Produkt (optimale Strömungsgeometrie) nötig. Davon ausgehend ergibt sich für den Vergleich zwischen Produktentwicklung mit realen Prototypen und der virtuellen Produktentwicklung mit Open-Source-Simulationssoftware und eigenen Mitarbeitern das folgende Bild:

Produktentwicklung mit realen Prototypen bei 2 Iterationen: 37.200,- €.

Produktentwicklung mit virtuellen Prototypen (2 Iterationen): 4000,- €.

Kosteneinsparung: 33.200,- € (89 %).

Bevor sich Unternehmen für die Einführung der Simulation entscheiden wird häufig gefragt:

Wann hat sich diese Investition amortisiert?

Die Kosten für die Einführung der Simulation betrugen in diesem Projekt 18.050,- €.

Die Einsparung der Entwicklungskosten im ersten Projekt dass der Mitarbeiter eigenständig abwickelt betrugen 33.200,-€.

Die Kosten haben sich also schon nach dem ersten Simulationsprojekt amortisiert, dass der Mitarbeiter eigenständig abwickelt! Zusätzlich ergibt sich in diesem ersten Projekt dann immer noch eine Ersparnis der Kosten in der Produktentwicklung von 15.150,-€.

Bei allen nachfolgenden Projekten liegt die Ersparnis bei ca. 90 %.

Einsparung von Entwicklungskosten in Abhängigkeit der notwendigen Optimierungs-Iterationen

Wir erleben es in der Praxis oft, dass bei komplexen Projekten nicht nur 3, sondern bis zu 10 und mehr Anpassungen am realen Prototyp erforderlich sind, bis das Produkt die Anforderungen im Betrieb erfüllt.

Natürlich explodieren dann die Kosten und es wird immer schwieriger, den Projektplan einzuhalten.

Die Anpassung und Optimierung virtueller Prototypen erfolgt (selbstverständlich) rein virtuell. Das geht schnell und erfordert keinen physischen Material- und Arbeitseinsatz. Die Anpassung realer Prototypen ist wesentlich zeitaufwendiger und verursacht zusätzlich den Verbrauch von Rohstoffen und Maschinenstunden (Verschleiß, Energiekosten).

Das erklärt warum eine Optimierungsschleife mit virtuellen Prototypen wesentlich geringere Entwicklungskosten verursacht als eine Optimierungsschleife mit realen Prototypen. Deshalb steigen die Einsparungen bei den Entwicklungskosten deshalb mit der Anzahl der erforderlichen Optimierungsschleifen leicht an.

Diesen Effekt verdeutlichen wir im konkreten Beispiel, wenn wir die Kostenentwicklung in Abhängigkeit der erforderlichen Iterationsschleifen für einen realen und einen virtuellen Prototyp in einem Diagramm vergleichen.

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Entwicklungskosten bei realen Prototypen mit jeder erforderlichen Iterationsschleife viel stärker ansteigen als bei den virtuellen Prototypen. Das absolute Einsparpotential ist deshalb besonders groß, wenn bei der Produktentwicklung viele Iterationsschleifen notwendig sind, damit das Produkt den Anforderungen im Betrieb standhält.

Dies ist in vielen Fällen bei der Entwicklung komplexer Anlagen im Sondermaschinenbau der Fall.

Da sich hier die Entwicklungskosten häufig auf eine geringe Stückzahl verteilen sind Einsparungen besonders relevant. Nachfolgendes Diagramm zeigt die Entwicklung der Ersparnis in Abhängigkeit der Iterationen.

Sollten in einem aufwendigen Projekt also mal 8 Iterationen notwendig sein, liegt die Ersparnis im konkreten Fallbeispiel bei fast 80.000,-€. In Relation zu den Entwicklungskosten bei der Produktentwicklung mit realen Prototypen (87.600,- €) liegt die relative Ersparnis hier bei 91 %.

Wenn wir diesen Wert mit der Ersparnis bei 2 Iterationen (89 %) vergleichen fällt auf, dass die relative Ersparnis mit der Anzahl der Iterationen sogar noch leicht zunimmt. Logischerweise wird die Produktentwicklung mit virtuellen Prototypen immer lohnenswerter, je optimierungsintensiver die Produktentwicklung ist.

Aber mehr ehrlich, bei einer ungefähren Ersparnis von 90 %, wen interessiert da schon ob es jetzt 89 % oder 91 % sind!?

Zusätzlich ist, insbesondere bei sicherheits- oder prozesskritischen Komponenten in großen Anlagen, bei einem Schadensfall mit hohen Schadensersatzforderungen für

• Personen- und Sachschäden,
• stillstehende Fertigungseinrichtungen,
• Konventionalstrafen,
• Umsatzausfälle,

zu rechnen

Die Erfahrung zeigt, dass es bei der Arbeit mit realen Prototypen häufig nicht möglich ist frühzeitig und umfangreich zu prüfen, ob Bauteile den Betriebsbelastungen standhalten. Dies führt zu Schadensfällen, die mit der virtuellen Produktentwicklung zu vermieden sind. Das macht den Einsatz von virtueller Produktentwicklung nochmals lohnenswerter.

Fazit zu Entwicklungskosten

Meine erstes Fallbeispiel zeigt, dass der strategische Einsatz der virtuellen Produktentwicklung in Kombination mit Open-Source-Simulationssoftware Einsparungen bei den Entwicklungskosten von bis zu 90 % ermöglicht. Zu begründen ist dies im konkreten Fall mit der immensen Kostenersparnis beim Einsatz virtueller Prototypen anstatt realer Prototypen.

Schon wenige virtuelle Prototypen genügen, um durch Einsparungen ein Mehrfaches der Kosten für die Einführung von Simulation mit Open-Source-Code zurückzugewinnen. Je mehr Iterationsschleifen für die Reifung eines Prototyps benötigt werden, desto wirtschaftlicher wird der Einsatz von Simulation, wie die Diagramme verdeutlichen.

Hinzu kommt noch ein Effekt der sich im Hinblick auf den „Return of Invest“ gar nicht so genau quantifizieren lässt. Für mich ist es aber der faszinierendste Vorteil bei der Einführung virtueller Produktentwicklung:

Simulation ermöglicht Ihnen viel leichter hochwertige Produkte und optimale Fertigungsprozesse zu entwickeln. In der Produktentwicklung werden Sie so schneller, flexibler und sicherer. Ihre Produkte werden besser und günstiger als die Ihrer Mitbewerber. Sie können stärker auf die individuellen Bedürfnisse Ihrer Kunden eingehen.

Mit der Zeit führt das zu mehr Kundenzufriedenheit und ist so ein unschlagbarer Wettbewerbsvorteil. Welche finanziellen Vorteile entstehen lässt sich im Vorfeld schwer abschätzen. Der „Return of Invest“ und die Verbesserung der Gesamtsituation sind aber i.d.R. immens.

Wenn Sie die Wettbewerbsfähigkeit Ihres Unternehmens schnell und mit geringem finanziellem Einsatz steigern wollen, dann ist Simulation mit Open-Source-Software sicher eine gute Idee. Wo sonst können Sie ohne den Einkauf teurer Hard- und Software derart hohe Einsparpotenziale abschöpfen!

Mich fasziniert das! Wie sieht es bei Ihnen aus?

Jedoch treten diese Vorteile nicht zwangsläufig ein, wenn man eine Simulationssoftware installiert und einen Lehrgang besucht. Entscheidend ist, dass Sie eine Simulations-Strategie entwickeln, die zu Ihrem Unternehmen passt.

Nur wenn man die virtuelle Produktentwicklung strategisch und zielgerichtet einsetzt sind solch großartige Ergebnisse möglich. Dafür ist es auch wichtig über das Know-How zur Softwarebedienung hinaus das nötige Hintergrundwissen im Unternehmen aufzubauen.

Im zweiten Teil meiner Artikelserie „Entwicklungskosten mit Simulation um 90% senken“ betrachten wir die Fälle 2 und 3.

• Fall 2 | Mitarbeiter zu Simulation Specialist ausgebildet und dadurch ermöglicht, dass Simulationsprojekte intern mit Open-Source-Simulationssoftware durchgeführt werden anstatt extern als Berechnungsdienstleistungen
• Fall 3 | Im kostenfreien Beratungsgespräch festgestellt, dass sich der Einsatz von Simulation im konkreten Fall derzeit nicht lohnt.

Der zweite Teil erscheint in Kürze!

Eine Einsparung von 90 % wird sicher nicht für alle Unternehmen zutreffen. Dennoch zeigt unsere Erfahrung aus vielen Kundenprojekten regelmäßig ein so großes Einsparpotenzial, dass wir Ihnen eine eigene Kalkulation empfehlen.

Schauen Sie doch mal mit einer überschlägigen Rechnung, welche Kosteneinsparungen in Ihrem Unternehmen durch Simulation möglich sind. Ich lade Sie einfach meine an die Zahlen Ihres Unternehmens anzupassen

Jetzt bin ich gespannt auf Ihr Feedback zu meinem Fallbeispiel.

Können Sie sich ähnliche Ersparnisse und Vorteile auch in Ihrem Unternehmen vorstellen? Oder sind Sie der Meinung, dass dies in Ihrem Unternehmen nicht möglich ist?

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Umströmte Bauteile (z.B. Flügel von Windrädern) oder durchströmte Bauteile (z.B. Kühlkanäle) müssen geometrisch so gestaltet werden, dass die Interaktion zwischen Strömung und Bauteil die gewünschten technischen Anforderungen (z.B. Kühlleistung) erfüllt.

Bei der Produktentwicklung muss bereits in einem frühen Stadium geprüft werden, ob die konzipierten Geometrien diese technischen Anforderungen optimal erfüllen.

Wie kann uns die CFD Simulation hierbei unterstützen? Damit beschäftigen wir uns in diesem Artikel.

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Strömungssimulation mit CFD und FSI im Produktentwicklungsprozess

Die Auslegung durch- oder umströmter Bauteile ist in der Regel eine größere Herausforderung, weil die komplexen mechanischen und thermischen Interaktionen zwischen Bauteilen und Strömungen rein intuitiv häufig schwer zu greifen sind.

Deshalb sind in vielen Branchen aufwendige Versuche mit realen Prototypen immer noch fester Bestandteil der Produktentwicklung.

Hierbei sind die Versuchsaufbauten meist kompliziert und kostspielig und die Sichtbarmachung von Strömungsverläufen im realen Experiment ist aufwendig.

Man verwendet maßstabsgerecht verkleinerte Modelle von Schiffen, Flugzeugen und PKW im Strömungskanal und macht die Strömung mit Nebel und anderen Methoden sichtbar.

Auf dieser Grundlage können die Konstrukteure Maßnahmen einleiten, die zur Optimierung der Strömung hinsichtlich Geräuschentwicklung und Energieverbrauch dienen.

Statt der aufwendigen und teuren Arbeit mit realen Prototypen bietet sich der Einsatz der Simulation von Strömungen als Alternative an.

Die Simulation von Strömungen wird auch als CFD (Computational Fluid Dynamics) bezeichnet.

In diesem Blog-Artikel möchten wir unsere Sicht auf die anwendungsorientierten Grundlagen der Strömungssimulation mit Ihnen teilen.

Zusätzlich werden wir den Unterschied zwischen einer reinen Strömungssimulation und einer Fluid-Struktur-Interaktion definieren.

Zum Abschluss gehen wir auf den konkreten Nutzen ein, den der Einsatz der Strömungssimulation in Ihrer Produktentwicklung haben kann.

FSI macht Wechselwirkungen zwischen Bauteil und Strömung sichtbar

Treten durch die Strömung Kräfte auf, die die angeströmten Festkörper, wie Flügel, Tanks, Rohrleitungen und Ventilgehäuse, stark verformen oder in Schwingungen versetzen, kann die Wechselwirkung zwischen Strömung und Verformung der Bauteile nicht vernachlässigt werden.

In diesem Fall sind die Simulationen der Strömung und der Verformungen des Festkörpers miteinander zu koppeln. Das wird als Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) bezeichnet.

Eine Liste interessanter technischer Anwendungen zeigt das Potenzial der Simulation mit CFD und FSI:

• Nachhaltiger Verkehr ist Zukunftsthema: Minimieren des Strömungswiderstands von PKW, LKW, Schiff und Flugzeug. E-Autos brauchen extrem geringen Luftwiderstand (CFD).
• Allgemeiner Maschinenbau: Kühlströmungen in der Fertigungstechnik, wie Kühlen von Spritzgießwerkzeugen. Ziel ist die gleichmäßige Kühlung mit geringem Energiebedarf. Effizienzerhöhung durch Minimierung der Druckverluste (CFD).
• Wassertechnik und Wohnkomfort: Armaturen für Bad und Küche verbessern zur Vermeidung störender Geräusche. Schwingungen im hörbaren Bereich durch Turbulenzanregung minimieren, also Fluid-Struktur-Interaktion (FSI). Auch hier: Druckverluste minimieren für Energieeffizienz.
• Heizungstechnik und Solarthermie: Gleichmäßige Übertragung von Wärme. Effizienzerhöhung mit Strömungsoptimierung (CFD).
• Lebensmittel- und Tierfutterindustrie: Totwassergebiete ausschließen. Schimmelbildung kann durchströmende Lebensmittel unbrauchbar machen. Großer finanzieller Schaden und Gefahr für Leben und Gesundheit möglich (CFD).
• Kraftwerks-, Nuklear-, Raffinerie-, Chemie- und Pharma-Industrie: Insbesondere Effizienz und Sicherheit: Große Durchflussmengen in langen Rohrleitungen und großen Anlagen müssen effizient befördert werden. Druckverluste sind zu minimieren. Um Explosionen zu vermeiden, muss bei manchen Fluiden die Entstehung von Turbulenzwirbeln minimiert werden. Rohrleitungen müssen den Innendrücken standhalten (CFD).

CFD und FSI anschaulich erklärt am Benchmark von TUREK und HRON

Die Simulation von Strömungen (CFD) hat sich, ähnlich wie die Simulation im Bereich der Festkörpermechanik, zu einem weitläufigen Fachgebiet mit vielen Facetten entwickelt.

Wie im Artikel „FEM Berechnung – Eine anwendungsorientierte Einführung in die Finite Elemente Methode“ wollen wir Ihnen in diesem Artikel einen einfachen, anschaulichen Einstieg in die Simulation von Strömungen bieten.

Auch dieses Mal wählen wir als Ausgangspunkt die Betrachtung der Ergebnisse einer Simulation mit CFD. Als Simualtions-Modell haben wir hierfür dasin der CFD-Szene sehr bekannte Benchmark von Stefan Turek und Jaroslav Hron verwendet.

Es handelt sich hierbei um eines der ansprucksvollsten Benchmarks zur Erprobung der Ergebnisgenauigkeit und Performance von Simulationssoftware bei der Analyse von Strömungen (CFD) und Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI). Weitere Details finden Sie in der zugehörigen Veröffentlichung „Proposal for Numerical Benchmarking of Fluid–Structure Interaction Between an Elastic Object and Laminar Incompressible Flow„.

Wir haben dieses Benchmark vor einigen Jahren angewendet um die Ergebnisgenauigkeit und die Performance von Open-Source-Simulationssoftware bei der Analyse komplexer Fluid-Struktur-Interaktionen zu erproben.

Ich kann soviel verraten: Die Ergebnisse waren durchweg beeindruckend 😉

Im zugehörigen Simulationsmodell ist in einem rechteckigen Strömungskanal ein starrer Zylinder quer zur Strömung angebracht.

Am Zylinder ist eine flexible Platte befestigt, die in Richtung der Strömung zeigt. Das Fluid strömt von der linken Seite in den Strömungskanal ein und tritt an der rechten Seite aus. Die nachfolgenden Bilder zeigen alle Details.

Wie im vorangegangenen Abschnitt bereits besprochen, ist die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) unter bestimmten Voraussetzungen vernachlässigbar.

An diesem Beispiel erklären wir diese Voraussetzungen. Hierfür betrachten wir nachfolgend zwei Fälle. In Fall (1) ist die FSI vernachlässigbar, in Fall (2) nicht.

Fall (1): Flexible Platte mit hoher Steifigkeit

In diesem Fall ist die flexible Platte so steif, dass die Verformungen vernachlässigbar klein sind. Dann ist auch die Beeinflussung des Strömungsgebietes durch die Platte vernachlässigbar klein. Seine Berandung kann als starr betrachtet werden.

Deshalb reicht eine Simulation mit CFD, um die Verhältnisse in der Strömung zu ermitteln. Als Beispiel für das Ergebnis einer CFD-Simulation zeigen wir hier die Darstellung des Geschwindigkeitsverlaufes im Strömungskanal. Das nachfolgende Bild zeigt den Geschwindigkeitsverlauf der Strömung.

Der Einfluss der Störgeometrie (Zylinder, Platte) auf die Strömung ist hieran deutlich zu sehen. Allerdings ist auch deutlich erkennbar, dass sich die Geometrie infolge der Strömungskräfte nicht deformiert.

Zu erkennen ist auch die Ausprägung einer Wirbelstraße, die durch periodische Ablösungen der Strömung am Zylinder entsteht.

Der farbige Verlauf in den CFD-Ergebnissen ermöglicht es, Gebiete mit hoher und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit einfach zu identifizieren.

Infolge der Wirbelablösung wirken auf die Platte Kräfte von Widerstand und Auftrieb mit periodisch schwankender Größe. Diese bilden sich erst im Zeitverlauf stationär aus.

Die Widerstandskräfte werden im nachfolgenden Diagramm in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Da es sich um ein rein mathematisch-theoretisches Benchmark handelt wird in allen Diagrammen auf die Angabe von Einheiten verzichtet. Aber nur ganz ausnahmsweise 😉

Die Auftriebskräfte werden im nachfolgenden Diagramm in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Bei der vorliegenden Modellierung als reine CFD Simulation, also mit starrer Berandung des Strömungsgebiets, muss sichergestellt, dass die dargestellten Widerstands- und Auftriebskräfte die Geometrie nur im vernachlässigbaren Bereich verformen.

Signifikante Verformungen würden nämlich aufgrund der Annahme der starren Berandung nicht mit modelliert.

Fall (2): Flexible Platte mit geringer Steifigkeit

Ist die Platte sehr nachgiebig, tritt die Wechselwirkung zwischen der Strömung und der schwingenden Platte ein. Die flexible Platte verhält sich wie eine Fahne im Wind.

Schauen wir uns dazu die Vorgänge in der Simulation etwas genauer an: Beim Start der Simulation biegt sich die flexible Platte unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten und federt dann zurück. Das umgebende Fluid dämpft diese Schwingung.

Ist die Strömungsgeschwindigkeit gering, klingt die Schwingung ab und ein stabiler Zustand wird erreicht. Wird die Geschwindigkeit der Strömung gesteigert, bildet sich im Nachlauf des Zylinders eine Wirbelstraße aus.

Durch die Wirbelablösungen wird durch die Schwingbewegung der elastischen Platte angeregt, welche wiederum die Wirbelablösung verstärkt und somit auch wieder die Schwingbewegung vergrößert usw..

Es sind deshalb drei Zustände zu unterscheiden:

• Die Schwingung der Platte kann zum stationären Zustand abklingen,
• sie kann eine stationäre Schwingung ausbilden und
• sie kann sich zum instabilen Verlauf aufschwingen.

Wenn die Schwingung der Platte wirklich abklingt, reicht eine CFD-Simulation, die die Verhältnisse des abgeklungenen Zustands in der Strömung beschreibt.

Treten eine stationäre Schwingung der Platte oder ein instabiler Verlauf, ein Aufschwingen der Platte, auf, muss die Wechselwirkung zwischen der Strömung und der Platte simuliert werden. Die CFD-Simulation ist dann mit einer FEM-Simulation zu koppeln.

Das wird als Simulation der FSI (Fluid-Struktur-Interaktion) bezeichnet. In einem späteren Blogartikel werden wir uns ausführlich mit der Fluid-Struktur-Interaktion befassen.

Welche Physik steckt im CFD-Modell?

Die umfassendste mathematische Modellierung der physikalischen Verhältnisse in einem strömenden Fluid wird von den Navier-Stokes-Gleichungen repräsentiert.

Eine Vereinfachung ist die Euler-Gleichung, hier in der Form für instationäre, eindimensionale Strömungen:

Die Vereinfachung besteht in der Annahme, dass die Strömung frei von Reibung ist. Die Viskosität wird vernachlässigt.

Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit der Strömungssimulation

Bis heute (Stand 17.12.21) ist keine geschlossene (analytische) Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen bekannt.

Das Finden einer geschlossenen Lösung für die Navier-Stokes-Gleichungen wurde vom Clay Mathematics Institute (CMI) als eines von 7 Millenium Problemen benannt.

Für die Lösung vergibt das CMI einen Geldpreis in Höhe von 1 Million US-Dollar. Nur falls Sie im nächsten Urlaub noch nichts vorhaben 😉

Bis auf wenige Sonderfälle, die für die industrielle Praxis meist wenig Relevanz besitzen, sind deshalb nur numerische Näherungslösungen möglich.

Das Fachgebiet der Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) stellt die entsprechenden Methoden für diese Näherungslösungen bereit.

Hierbei verfolgt die CFD einen ähnlichen Ansatz wie die FEM. Das Strömungsgebiet wird bei der Vernetzung in kleinere Teilgebiete, die Zellen, unterteilt. Der Vorgang wird als Diskretisierung bezeichnet.

Das Netz muss in Bereichen mit hohen Gradienten verfeinert werden, um die nötige Abbildungsgüte zu erreichen.

Hohe Gradienten tauchen in der Strömungsmechanik typischerweise in der wandnahen Schicht, der Grenzschicht, auf. Charakteristisch für CFD-Vernetzungen sind daher die geringen Abmessungen der Zellen, d.h. die hohe Netzfeinheit, in der Nähe der Ränder des Strömungsgebietes.

Wie bei der FEM gilt auch hier die Regel für die Abbildungsgüte: je feiner das Netz, desto besser die Ergebnisse. Allerdings gilt ebenso wie bei der FEM auch die Einschränkung, dass mit zunehmender Netzfeinheit die Rechenzeiten ansteigen.

Im Unterschied zur FEM können vielfach Polyeder für die Diskretisierung in der CFD eingesetzt werden. Die Netzgenerierung mit automatisch ablaufenden Algorithmen wird dadurch bedeutend vereinfacht und beschleunigt.

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Ablauf einer CFD-Simulation

Der Ablauf einer CFD-Simulation ist ähnlich strukturiert wie beim Einsatz der Finite-Elemente-Methode.

Nach der Übernahme oder der Erzeugung der Geometrie wird diese vernetzt. Anschließend werden die Fluid-Eigenschaften angegeben und die Randbedingungen für das Strömungsfeld festgelegt.

Festlegungen für den Rechenlauf, wie Auswahl des CFD-Gleichungslösers, Abbruchkriterien für die Konvergenz und die Zahl der einzusetzenden Prozessoren folgen als Nächstes.

Der Rechenlauf wird gestartet und beobachtet. Tritt die gewünschte Konvergenz nicht ein, kann der Rechenlauf gestoppt, korrigiert und wiederholt werden.

Schließlich sind die Ergebnisse der CFD-Simulation auszuwerten und die nötigen konstruktiven Maßnahmen einzuleiten, um das Produktdesign in den funktionsfähigen Zustand zu versetzen.

Vorteile der CFD Simulation für den Maschinenbau

Wie beim Einsatz der FEM sind auch durch den Einsatz von CFD-Simulation vielfach reale Prototypen einzusparen, was für Unternehmen enorme Kostenvorteile in der Entwicklung bedeuten kann.

Hinzu kommt die Absicherung grundlegender Entscheidungen über das Produktdesign in einer frühen Phase von dem Produktentwicklungsprozess.

Ein weiterer Vorteil ist, dass auf Anfragen von Kunden schneller mit belastbaren Machbarkeitsaussagen reagiert werden kann.

CFD-Simulation unterstützt die Senkung der Energiekosten bei Herstellung und Betrieb von Produkten.

Die Einsparung von Energiekosten im Betrieb der Produkte gewinnt kontinuierlich an Relevanz, weil z.B. immer höhere Packungs- und Leistungsdichten in Maschinen und Geräten eine aufwendigere Kühlung erforderlich machen.

Verbessert die CFD-Simulation die Kühlung, verbessern sich auch die Lebensdauer und die Möglichkeiten zur Steuerung der Lebensdauer.

Da, wo bei realen Prototypen umweltbelastende, giftige, verderbliche, kontaminierende, infektiöse und explosive Medien eingesetzt werden müssen, um realitätsgetreue Versuchsergebnisse zu erzielen, hilft die Verwendung von CFD-Simulation mit virtuellen Prototypen, Gefahren für Gesundheit, Leben und Umwelt zu vermeiden.

Interessante Anwendungen der CFD-Simulation finden sich zum Beispiel in der Entwicklung von Corona-Masken und in der Untersuchung der Tröpfchenausbreitung in geschlossenen Räumen.

Mehr Informationsgehalt in CFD-Ergebnissen

Noch stärker als bei der Anwendung der FEM in der Festkörpermechanik kommt bei CFD-Simulationen der steigende Informationsgehalt der Ergebnisse gegenüber realen Prototypen zum Tragen.

Im realen Versuch ist es schwer, Strömungsfelder, insbesondere für die Druckverteilung, anschaulich zu visualisieren.

Denn auch mit sehr vielen Drucksensoren ist es kaum möglich, die Druckfelder einer dreidimensionalen Strömung derart umfangreich abzubilden, wie es mit der CFD möglich und für die Optimierung und Beurteilung häufig erforderlich ist.

Zudem kann eine große Anzahl von Drucksensoren und ihre Verkabelung das Strömungsgebiet beeinflussen und so zu unrealistischen Ergebnissen führen.

Mit CFD Simulation sind die Ergebnisse auf Knopfdruck abzurufen und können mit Farben, Schnitten, Perspektiven, Verläufen, Stromlinien und Vektorpfeilen vielfältig gestaltet werden. Die Simulationsergebnisse müssen immer verifiziert und validiert werden, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.

In den meisten Unternehmen kann jedoch mit wenigen Versuchen und somit geringem Aufwand ein breites Spektrum an Anwendungen aus dem Produktportfolio validiert und abgesichert werden.

Die gemeinsame Betrachtung und Auswertung solcher Simulationsergebnisse im Team ist eine breite Basis für neue Ideen.

Strömung am PKW – Vergleich von Windkanal und Strömungssimulation

Als Beispiel für die Arbeit mit realen Prototypen und CFD betrachten wir die Untersuchung eines PKWs im Luftstrom. Bei konventioneller Vorgehensweise sind umfangreiche Untersuchungen im Windkanal nötig.

Dafür muss zunächst ein passender Windkanal gefunden und mit Personal für den Betrieb und die Messungen gebucht werden. Das Fahrzeug muss als Modell, Mockup oder in Originalgröße hergestellt werden.

Der Aufbau der Messgeräte und die Anbringung von Sensoren und andere Maßnahmen zur Sichtbarmachung der Strömung, wie Nebelsonde, Rauchgenerator, Turbulenzfäden und spezielle Anstriche sind durchzuführen.

Schon kleine Veränderungen am Fahrzeug können je nach Ziel der Untersuchung große Veränderungen der Messwerte mit sich bringen.

In der Folge sind oftmals wieder zeitraubende Veränderungen an den realen Prototypen und Messeinrichtungen nötig.

Durch die Anwendung von CFD-Simulation können verschiedene Vorteile genutzt und Kosten gespart werden. Die Einsparung der realen Prototypen für den PKW senkt die Kosten erheblich.

Im Gegensatz zum realen Prototyp im Strömungskanal ist beim virtuellen Prototyp die Modellierung der Rotation der Räder einfach umzusetzen und sorgt für eine realitätsnahe Umströmung am Fahrwerk.

Ebenso kann die Bewegung des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahn simuliert werden, was im Windkanal schwerlich möglich ist und zu großen Messabweichungen im Bereich des Unterbodens führt.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die CFD-Simulationen ohne Zeitdruck durch ein knapp bemessenes Zeitfenster wie im Windkanal stattfinden können. CFD-Simulationstools sind zudem jederzeit verfügbar.

Es ist keine Wartezeit für Windkanalversuche in die Produktentwicklung einzukalkulieren.

Die positiven Veränderungen durch CFD-Simulation gegenüber konventioneller Vorgehensweise sind anhand dieses Beispiels aus der Fahrzeug-Aerodynamik gut erkennbar.

Entwicklungskosten mit CFD Simulation senken

Wenn man im Bereich der Strömungstechnik, bzw. bei der Entwicklung um- und durchströmter Körper, die Arbeit mit realen Prototypen und Versuchen durch virtuelle Produktentwicklung mit CFD und FSI ersetzt, sind Einsparungen bei den Entwicklungskosten von bis zu 90 % möglich.

Ggf. erscheinen Einsparungen von bis zu 90% als „zu schön um wahr zu sein“. Deshalb soll dieser Zahlenwert nicht ohne Untermauerung einfach in den Raum geworfen werden.

Im Artikel „Entwicklungskosten mit Simulation um 90% senken“ zeige ich an einem konkreten Fallbeispiel, welche Einsparungen durch den Einsatz der CFD Simulation möglich sind.

Mit diesem Artikel möchte ich Ihnen die nötigen Hintergrundinformationen bereitsstellen mit denen Sie selbst abschätzen können, ob der Einsatz von Simulation auch in Ihrem Fall lohnenswert ist.

Wie sind Ihre Erfahrungen mit der CFD Simulation? Setzen Sie die Strömungsimulation bereits erfolgreich in Ihrer Produktentwicklung ein?

Haben Sie ähnlich gute Erfahrungen gemacht?

Oder würden Sie die CFD Simulation gern nutzen um optimalere Produkte zu entwickeln, haben es aber bisher noch nicht geschafft?

Wenn dem so ist, was sind die Gründe hierfür? Erscheinen Ihnen die Kosten für die Simulationssoftware als zu hoch?

Oder haben Sie das Gefühl, dass es in Ihrem Unternehmen an Know-How und Zeit fehlt um die Simulation wirklich erfolgreich einzusetzen?

Lassen Sie es uns wissen! Schreiben Sie uns einen Kommentar! Ich bin gespannt auf Ihr Feedback!

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Der Beitrag CFD Simulation im Maschinen- und Anlagenbau erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Für unsere diesjährige Weihnachtssimulation haben wir eine numerische Modalanalyse mit der FEM Freeware Salome Meca durchgeführt. Hierzu möchte ich Ihnen heute Pfeffi vorstellen. Pfeffi ist ein Lebkuchenmann, ist ca. 400 mm groß und besteht aus Aluminium (E=70.000N/mm²). Für unsere Weihnachts-Simulation konnten wir Pfeffi überreden sich einer numerischen Modalanalyse zu unterziehen. Zusatzmassen in seinen Armen und Beinen inspirieren Pfeffi zu nachfolgenden Eigenmoden:

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• Say-Yes-Mode: 397 Hz
• Walk-Mode: 445 Hz
• Run-Mode: 1.152 Hz
• Say-No-Mode: 1.430 Hz
• Dance-Mode: 1.963 Hz
• Merry-Christmas-Mode: 2.129
• Sports-Mode: 2.423 Hz

Die Moden werden im nachfolgenden Video nacheinander visualisiert:

Welcher von Pfeffi’s Eigenmoden gefällt Ihnen am besten? Schreiben Sie uns einen Kommentar! Haben Sie Lust auf eine eigene Weihnachts-Simulation? Gerne teilen wir Pfeffi’s Step-Datei und auch das zugehörige Simulationsmodell aus der kostenlosen FEM Software Salome Meca mit Ihnen! Schreiben Sie mir hierfür einfach eine Nachricht. Denken Sie daran: Andere Zusatzmassen führen zu anderen Moden. Vielleicht gelingen Ihnen ja noch lustigere Lebkuchenmann-Moden. Unsere Weihnachts-Simulation ist in Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartnern und guten Freunden von WS Produktentwicklung entstanden. Vielen Dank Mathis, dass du Pfeffi ein Leben als Virtueller Prototyp ermöglicht hast.

Numerische Modalanalyse mit der FEM Freeware Salome Meca (Code_Aster)

Das dynamische Verhalten von Bauteilen und Baugruppen verursacht in der industriellen Praxis häufig unangenehme Überraschungen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Baugruppen die in der Vergangenheit nur statisch belastet wurden aufeinmal mit dynamischen Belastungen beaufschlagt werden. Sollte das Bauteil hierbei in einer seiner Eigenfrequenz angeregt werden, erhöhen sich die Belastungen unerwartet stark. Das führt meistens zum Versagen des Bauteils und schädigt ggf. auch die umliegende Struktur. Beispielsweise können während eines Erdbebens die Oberflächenbewegungen einen Druck-Behälter in starke Schwingungen versetzen und so einen Schadensfall mit verherenden Konsequenzen verursachen. Zum Glück können die Eigenfrequenzen und Eigenmoden mit der numerischen Modalnanalyse, einem Verfahren auf Grundlage der Finite Elemente Methode, schon vor der ersten Realisierung am virtuellen Prototyp ermittelt werden. Mit der numerischen Modalanalyse können wir schnell und einfach sicherstellen, dass Baugruppen später im Betrieb nicht in Ihren Eigenfrequenzen angeregt werden und hierdurch in Resonanz gehen. Zusätzlich wird über die Eigenfrequenzberechnung geprüft ob für Festigkeitsnachweise von dynamisch belasteten Systemen mit statischen Ersatzlasten gearbeitet werden darf. Für die Umsetzung unserer Weihnachts-Simulation und für die numerische Modalanalyse im Allgemeinen verwenden wir die FEM Freeware Salome Meca mit dem Open-Source FE-Solver Code_Aster. Zusammen ergeben beide Software-Tools eine leistungsstarke Simulationsumgebung für die Strukturdynamik und viele weitere klassiche Anwendungen der Finite Elemente Analyse.

FEM Freeware hat den Vorteil, dass unsere Kunden und wir sie kostenfrei uneingeschränkt kommerziell nutzen dürfen. Also ohne Softwarelizenzkosten!

Mit diesem Gedanken gehen wir mit unserem Blog nun in die Weihnachts-Pause. Im neuen Jahr melden wir uns zurück mit einem Blog-Artikel über die Strömungssimulation und die Analyse von Fluid-Struktur-Interaktionen. Wir wünschen Ihnen schöne Weihnachtstage und dann einen guten Start ins neue Jahr.

Der Beitrag Numerische Modalanalyse – Weihnachts-Simulation 2021 erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

In unserem ersten Blog-Artikel Digitaler Zwilling und Virtueller Prototyp in Industrie 4.0 – Simulation macht sie lebendig haben wir zunächst die Begriffe Digitaler Zwilling, Virtueller Prototyp und Simulationsmodell definiert.

Anschließend haben wir erklärt, warum Simulationsmodelle in der Produktentwicklung das Fundament für den Einsatz von Digitalen Zwillingen bilden.

In unserem zweiten Blog-Artikel Simulation in der Produktentwicklung – der schnelle Weg zu optimalen Produkten und Fertigungsprozessen haben wir gezeigt, welche Chancen und Herausforderungen der Einsatz von Simulation mit sich bringt.

Wenn es uns mit diesen Artikeln gelungen ist unsere Begeisterung für Simulation mit Ihnen zu teilen, haben Sie sich vielleicht schon gefragt:

Wie wird der Einsatz von Simulationsmodellen konkret in die Tat umgesetzt?

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Um diese Frage zu beantworten, müssen wir den Begriff Simulation zunächst noch mit etwas mehr Leben füllen.

Um ein Simulationsmodell für eine konkrete Fragestellung aufzubauen, werden Simulationsmethoden und Simulationssoftware verwendet.

Je nachdem welche physikalische Fragestellung Sie primär beschäftigt benötigen Sie unterschiedliche Simulationsmethoden und eine passende Simulationssoftware für die praktische Umsetzung.

Wir werden uns in diesem Artikel zunächst mit einer der wichtigsten Simulationsmethoden im Maschinenbau widmen, der

Finite Elemente Methode.

Die Finite Elemente Methode (FEM) wird häufig auch als FEM Berechnung oder Finite Elemente Analyse (FEA) bezeichnet. Sie ist eine der meistverwendeten numerischen Simulationsmethoden.

Die FEM Berechnung kann zur Analyse von Fragestellungen aus der Strukturmechanik (Statik/Dynamik), der Wärmeübertragung und sogar zur Behandlung elektrischer bzw. elektormagnetischer Probleme verwendet werden. Beginnen wir mit der Frage:

Was kann die FEM Berechnung im Produktentwicklungsprozess für uns leisten?

In der Produktentwicklung sind Baugruppen von Maschinen und Anlagen zu dimensionieren. Je nach Anwendung müssen hierfür unterschiedliche Fragen beantwortet werden. Für jede Baugruppe ist zu prüfen, ob sie den Belastungen standhält.

Bei dynamischen Belastungen ist, abhängig von den Lastkollektiven, die Betriebs- oder Dauerfestigkeit sicherzustellen.

Wenn die Verformungen im Sinne der Funktion bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten dürfen (z.B. Wellen, Kräne, Brücken) muss dies zusätzlich geprüft werden.

All diese Fragen lassen sich für beliebig komplexe Baugruppen und Maschinen mit der FEM Berechnung beantworten.

Statt mit trockener Theorie wollen wir Ihnen die FEM an einem konkreten Beispiel vorstellen. Als Anwendungsbeispiel haben wir hierfür einen auskragenden Träger, der mittels einer angeschweißten Platte an eine Wand angeschraubt wird, ausgewählt.

Nachfolgendes Bild zeigt das Verformungsfeld des zugehörigen Simulationsmodells, welches mit der FEM Berechnung ermittelt wurde. Hierfür wurde die Open-Source-Simulationsumgebung Salome-Meca mit dem integrierten FEM-Solver Code_Aster verwendet.

Die Verformungen u(x,y,z) werden auf der Oberfläche des Biegebalkens dargestellt und erlauben dem Betrachter eine anschauliche Zuordnung der Werte u zu den Positionen (x,y,z) auf dem Balken.

Verläufe von Verformungen, Spannungen, Temperaturen usw. sind typische Ergebnisse von FEM Berechnungen. Es handelt sich hierbei um sog. ortsabhängige Feldgrößen. Die oben gezeigte Art der Darstellung von Feldgrößen wird als Konturplot bezeichnet.

Noch ein Effekt wird sichtbar: Die FEM Berechnung ist ein Werkzeug, um den Verlauf physikalischer Größen an nahezu beliebig geformten Bauteilen zu berechnen. Häufig sind komplexere Geometrien als der dargestellte Träger zu behandeln.

Sogar im hier vorliegenden Beispiel können mit der „Handrechnung“ (z.B. Kragbalkenformel) nur die Nennspannungen im Anschluss berechnet werden und nicht die lokalen Spannungs-Peaks in der Schweißnaht.

FEM Berechnung – von der Differentialgleichung zum praktischen Ergebnis

Physikalische Zusammenhänge werden in Differentialgleichungen formuliert, wie für eine Platte unter gleichförmig verteiltem Druck

Die Frage ist, wie wir diese Differentialgleichungen lösen. Denn die gesuchte Größe ist das Verformungsfeld u(x,y).

In den Differentialgleichungen stehen Ableitungen dieser Feldgröße. Wir können die Gleichung also nicht einfach nach der gesuchten Größe umstellen.

Die Lösung ist mathematisch nicht einfach, weil wir eine zur Geometrie passende Ansatzfunktion benötigen.

Diese zu finden, wird immer schwerer, je komplexer die Geometrie ist. Somit wird die Lösung für komplexe Geometrien auf diesem Weg schwer bis unmöglich.

Für einfache Geometrien, wie Dreiecke und Tetraeder, finden wir problemlos Ansatzfunktionen und die Differentialgleichungen wird lösbar.

Baut man eine Struktur aus diesen Geometrien, den Finiten Elementen, auf (das nennt man Diskretisierung oder Vernetzen) und fügt sie an den Knoten mathematisch zusammen, entsteht ein großes lineares Gleichungssystem.

Durch die Diskretisierung wandeln wir also komplexe Differentialgleichungen in eine größere Menge gewöhnlicher linearer Gleichungen um.

So erhalten wir oft sehr große lineare Gleichungssysteme die problemlos durch Computer gelöst werden können. Wir verringern so die Komplexität, erhöhen aber den Arbeitsaufwand.

Das ist aber kein Problem, weil diese einfache Arbeit problemlos ein Rechner für uns erledigen kann. Wir müssen nur noch warten.

Als Ergebnis liefert die FEM Berechnung uns die Verläufe verschiedenster physikalischer Feldgrößen, wie Spannungen und Verformungen, über die vernetzte Struktur.

Dieser Verlauf verrät weit mehr über das Geschehen in der Struktur, als es durch Messungen an realen Prototypen möglich wäre.

Messungen liefern nur Einzelwerte an ausgesuchten Messstellen.

Die Anzahl der Messstellen ist i.d.R. über das verfügbare Budget für die Messtechnik begrenzt.

Ein weiterer Nachteil des Messens ist, dass offen bleibt, was zwischen den Messstellen passiert.

Die Messung ist allerdings eine hervorragende Möglichkeit, um Simulationsmodelle an einzelnen Stellen zu validieren. Die große Bandbreite der Erkenntnisse liefert dann oft das Simulationsmodell.

Ablauf einer FEM Berechnung

Eine FEM Berechnung besteht aus drei Arbeitsbereichen:

• Aufbau des Simulationsmodells (Präprozessing),
• Rechenlauf und
• Auswertung (Postprozessing).

Es kann sich eine Optimierung anschließen, die wir zur Vereinfachung nicht betrachten.

Der Aufbau des Simulationsmodells erfolgt schrittweise.

Zuerst wird die Geometrie erstellt oder aus einem CAD-Programm übernommen und es werden alle erforderlichen Definitionen, z.B. für das Aufbringen von Belastungen, durchgeführt.

Nachfolgende Abbildung zeigt ein Beispiel dieses Präprozessings in Salome-Meca.

Anschließend wird die so erstellte Geometrie mit Finiten Elementen vernetzt. Funktionen für die Netzgenerierung nehmen dem Anwender die meiste Arbeit ab.

Die Finite-Elemente-Methode liefert eine Näherungslösung deren Abbildungsgüte von der Netzgenerierung abhängt. Es gibt immer eine Abweichung vom realen Verlauf der betrachteten physikalischen Größen. Sie wird auch als Abbildungsgüte bezeichnet und kann durch die lokale Verfeinerung des Netzes verbessert werden.

Ist die Netzgenerierung abgeschlossen, werden die Verschiebungsrandbedingungen und die Lasten definiert.

Zu unterscheiden ist zwischen:

• Festhaltungen,
• Einzellasten und Drücken
• Klebekontakten,
• Couplings und
• nichtlinearen Kontakten.

Festhaltungen blockieren alle Freiheitsgrade eines Knotens (ui = 0). Damit wird eine unendliche Steifigkeit modelliert, die so in der Realität nicht vorkommt. Um unphysikalische Effekte zu vermeiden, müssen Festhaltungen mit Bedacht eingesetzt werden.

Ähnliches gilt für die Kopplung von einer Gruppe von Knoten mit der Starrkörperbewegung eines Referenzknotens (Coupling). Bei Klebekontakten, also der Verbindung von Knoten unterschiedlicher Elemente, erfahren die verbundenen Knoten dieselbe Verschiebung.

Können die Oberflächen von in Kontakt befindlichen Bauteilen sich unter Belastung voneinander lösen, wie es bei Schraubverbindungen und Wälzlagern der Fall ist, werden nichtlineare Kontakte eingesetzt.

Im Zuge der Modelldefinition folgen die Auswahl eines passenden Materialgesetzes und die Eingabe der zugehörigen Parameter, wie E-Modul und Querkontraktionszahl.

Hinzu kommen die nötigen Angaben für den Lauf des FEM-Gleichungslösers, wie Anzahl der zu nutzenden Prozessoren und Konvergenzkriterien.

Schließlich muss noch festgelegt werden, welche Größen in die Ergebnisdateien der FEM Berechnung auszugeben sind.

Das können

• Verschiebungen,
• Verzerrungen,
• Spannungen,
• Vergleichsspannungen,
• Temperaturen

und viele andere Werte sein, die in der Struktur feldartig verteilt sind.

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Verschiedene Bereiche der Physik in der FEM Berechnung nutzen

Jede FEM Software unterstützt verschiedene Bereiche der Physik, wie Statik und Dynamik in der Festkörpermechanik, Thermodynamik, Bruchmechanik und Wechselwirkungen, wie Fluid-Struktur-Interaktion. Neben grundlegenden Funktionen werden häufig eigene Module angeboten, die ausgewählte Teilbereiche der Physik unterstützen.

Über interne und externe Kopplungen können mehrere physikalische Domänen in einer FEM Berechnung zusammenwirken. Anwendungen der Thermo-Hydro-Mechanik und Fluid-Struktur-Interaktionen sind eindrucksvolle Beispiele hierfür.

Die Kopplung verschiedener physikalischer Domänen kann innerhalb eines FEM Programmes erfolgen. Sind die nötigen Schnittstellen vorhanden, können auch verschiedene Simulationssoftware-Tools für eine gekoppelte Analyse eingesetzt werden.

So werden für eine Fluid-Struktur-Interaktion oft die FEM- und CFD-Solver unterschiedliche Softwarepakete gekoppelt

Die FEM Berechnung bietet unschlagbare Vorteile im Maschinenbau

Der Einsatz der FEM Berechnung in der Produktentwicklung hat viele praktische Vorteile, von denen wir hier einige erörtern. Die größten Vorteile liegen häufig in der Einsparung von Kosten und Zeit.

Ein großer Teil der Kosteneinsparung ergibt sich, wenn reale Prototypen teilweise oder ganz eingespart werden können. Am Ende dieses Artikels liefern wir Ihnen hierzu noch ein einfaches Zahlenbeispiel.

Die FEM Berechnung gehört im Ingenieurwesen zu den meistverwendeten numerischen Methoden.

Deshalb sind viele Artikel, Berichte, Beispielrechnungen und Kontakte in Internetforen dazu verfügbar. Materialmodelle für häufig eingesetzten Werkstoffe, wie Stahl, Aluminium und Faserverbundwerkstoffe ermöglichen Vergleichsrechnungen mit dem Ziel der Materialeinsparung, des Leichtbaues und der Verringerung der Umweltbelastung.

Simulationen mit der FEM Berechnung bieten viel mehr Informationsgehalt als Messergebnisse.

Dadurch entsteht eine neue, weit umfangreichere Basis für Ideen und die Produktoptimierung. Dieser Punkt sollte nicht unterschätzt werden, weil er hilft, im Wettbewerb wichtige Vorteile durch Innovationen zu sichern.

Die Rechenergebnisse werden als Verläufe im berechneten Bauteil ermittelt. Der Erkenntnisgewinn ist nicht nur punktuell, wie bei einem Messwert.

Die FEM Berechnung ermöglicht die isolierte Betrachtung einzelner Bauteile mittels äquivalenter Randbedingungen.

Es muss nicht das ganze System gebaut werden, wie bei einem realen Prototyp, um einzelne Komponenten zu testen. Die fehlenden Bauteile können mit Randbedingungen simuliert werden.

Im Simulationsmodell können physikalische Gesetze nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden. Der Anwender gewinnt genaue Erkenntnisse über die Einflussgrößen.

Auch in der Anwendung der FEM Berechnung wächst die Flexibilität. Liegt das FEM-Modell vor, kann es für verschiedene Simulationen eingesetzt werden.

An einem realen Prototyp müsste dagegen jedesmal der Versuchsaufbau geändert werden.

Oft ist der Raum für die Anbringung und Verkabelung von Sensoren an einem Maschinenbauteil nicht gegeben oder die Notwendigkeit dafür wird erst nach dem Zusammenbau erkannt. In diesen Fällen spart FEM-Simulation viel Zeit und Geld.

Hohe Realitätsnähe durch nichtlineare FEM Berechnung

Zur Steigerung der Realitätsnähe einer FEM Berechnung können Nichtlinearitäten berücksichtigt werden. Es werden drei Arten von nichtlinearen Effekten unterschieden:

• nichtlineare Kinematikmodelle (große Verformungen),
• nichtlineares Materialverhalten,
• nichtlinearer Kontakt.

Bei den nichtlinearen Verformungen sind die großen Rotationen von besonderem Interesse.

Für die Abbildung von nichtlinearem Materialverhalten existieren zahlreiche Stoffgesetze für nichtlineare Elastizität, Plastizität, Anisotropie, Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte usw.

Mit nichtlinearem Kontakt kann die Berührung und Ablösung von Bauteilen, d.h. Strukturvariabilität, untersucht werden.

Auch die Veränderung einer Kontaktfläche bei Erhöhung der Anpresskraft (Hertzsche Pressung) lässt sich mit dem nichtlinearen Kontakt im Unterschied zum linearen Kontakt, auch als Klebekontakt bezeichnet, darstellen.

Kostensenkung mit FEM Berechnung

Vor der Einführung von FEM Berechnung ist es hilfreich, Rechenschaft über die bisherige Vorgehensweise abzulegen. In vielen Unternehmen werden noch heute reale Prototypen eingesetzt, um Funktion und Belastbarkeit der Produkte sicherzustellen.

Nicht selten wird dafür ein intuitives Try & Error-Verfahren angewendet. Den Beteiligten ist oft nicht bewusst, dass es sich so lange um einen realen Prototyp handelt, bis alles funktioniert. Das gilt auch für den Bau eines Einzelstückes, wie einer Sondermaschine.

Der Preis ist, dass die Produkte häufig überdimensioniert und unnötig teuer in der Herstellung sind. Würde stattdessen von Anfang an ein Virtueller Prototyp mit Simulation genutzt, könnten auch bei geringen Stückzahlen hohe Potenziale für Kosteneinsparung und Qualitätserhöhung abgeschöpft werden.

Gleichzeitig steigt die Termintreue und die Belastung für die Mitarbeiter sinkt. Wie so oft im Leben ist auch hier alles eine Frage der Konsequenz.

Zahlenbeispiel für Kostensenkung

Die positive Veränderung gegenüber der konventionellen Vorgehensweise lässt sich in Zahlen leicht abschätzen. Betrachten wir dafür ein einfaches Beispiel.

Die Kosten für einen Prototyp liegen typischerweise im 4- oder 5-stelligen Bereich. Gehen wir zunächst vereinfachend davon aus, dass die realen Prototypen komplett eingespart werden. Sind normalerweise 10 reale Prototypen mit Kosten von je 5.000 Euro pro Jahr zu fertigen, ergeben sich hierfür Kosten von

10 x 5.000,- € = 50.000,- €.

Die Einsparungen, welche mit der FEM Berechnung zu erreichen sind, lassen sich so einfach ausrechnen.

Werden durch den Einsatz der FEM Berechnung alle realen Prototypen eingespart, ergeben sich Kostensenkungen von bis zu 50.000,- €.

50.000 EUR Einsparung in einem Jahr sind ein üppiges Budget um eine eigene Simulationsstrategie zu entwickeln und das nötige Simulations-Know-How aufzubauen.

Diese Rechnung wird nach unserer Erfahrung in Unternehmen selten gemacht. Hier liegt viel verschenktes Geld und viel Potenzial für leicht verdiente Wettbewerbsvorteile.

Wird eine FEM Freeware (Open-Source-Software) für die FEM Berechnung genutzt, ergibt sich zusätzlich ein hoher wirtschaftlicher Vorteil gegenüber Unternehmen, die kommerzielle Simulationsoftware einsetzen.

Schließlich müssen diese Unternehmen die jährlichen Lizenzkosten auf ihre Kundenprojekte umlegen.

In meinem Artikel „Entwicklungskosten mit Simulation um 90% senken“ finden Sie eine ausführlichere Berechnung der möglichen Kostenersparnisse anhand eines konkreten Fallbeispiels.

Anwendungsbeispiel Festigkeitsberechnung einer Halterung mit der FEM Berechnung

Nachfolgend sehen Sie das diskretisierte Simulationsmodell (links) und den Konturplot der von-Mises-Vergleichsspannungen für eine einfache Festigkeitsberechnung eines Halters.

Es wird deutlich, dass die maximalen Spannungen (50 N/mm²) weit unterhalb der Fließgrenze (207 N/mm²) des verwendeten Materials liegen. Es ergibt sich eine Sicherheit von ca. 4 gegen Fließen.

Wir würden sagen: Hier kann ruhig noch etwas Material eingespart und optimiert werden. Gerade wenn es sich um ein Serienteil handelt, ist dies äußerst lohnenswert.

Haben Sie noch Fragen zur FEM Berechnung oder gibt es noch Unklarheiten? Setzen Sie die Finite Elemente Analyse bereits in Ihrem Unternehmen ein? Hat unser Artikel Ihr Interesse am Einsatz von Simulationsmodellen geweckt? Ich freue mich auf Ihre Fragen und Ihr Feedback in den Kommentaren.

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Der Beitrag FEM Berechnung – Eine anwendungsorientierte Einführung in die Finite Elemente Methode erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Sie stehen, so wie die Großen, unter hohem Erwartungsdruck ihrer Kundschaft. Produkte müssen immer schneller auf den Markt gebracht werden, sollen immer intelligenter sein und am besten noch weniger kosten als ihre Vorgängermodelle.

Das alles natürlich bei gleichbleibender oder sogar noch besserer Qualität.

In so einer Situation ist jede Lösung willkommen, die mit überschaubarem Aufwand für die Umsetzung große, positive Effekte für den Unternehmenserfolg bringt.

Eine solche Lösung verbirgt sich in der digitalen Transformation der Abläufe in der Produktentwicklung mit Einführung und Nutzung des Digitalen Zwillings.

Der Digitale Zwilling ermöglicht u.a. die Simulation (virtuelle Abbildung) des physikalischen Verhaltens von einzelnen Bauteilen, Baugruppen oder ganzen Maschinen.

Unternehmen und Freiberuflern steht damit ein großes, immer noch in weiten Teilen ungenutztes Potenzial für die Verbesserung des Produktentstehungsprozesses (PEP) und die Optimierung ihrer Produkte und Fertigungsprozesse zur Verfügung.

In diesem Blogartikel zeige ich Ihnen, welchen Chancen und Herausforderungen der Einsatz von Simulation insbesondere in kleinen und mittelständischen Unternehmen mit sicht bringt.

Ich zeigen das immense Potential von Simulation sowohl die Digitalisierung als auch Innovationen in der Produktentwicklung voranzutreiben.

Zusätzlich gehe ich aber auch auf die Einstiegshürden ein, die es insbesondere kleineren Unternehmen und Freiberuflern schwer machen die Simulation konsequent für die Erreichung ihrer Unternehmensziele einzusetzen. Konkrete Lösungsansätzen sollen helfen diese Einstiegshürden zu senken.

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Simulation erschließt ungenutztes Potenzial im PEP und baut den Druck ab

Zur Analyse der Wettbewerbsfähigkeit von KMU gehört auch die Betrachtung der Digitalisierung, die sich in den Unternehmen mehr oder weniger strategisch gesteuert vollzieht.

Die Produktentwicklung kann dabei als ein Prozess gesehen werden, der sich z.B. von der ersten Kundenanfrage bis zur Auslieferung des fertigen Produktes zieht. Chancen zur Digitalisierung mit geringem Aufwand und großem Nutzen ergeben sich insbesondere in der Produktentwicklung.

Diese Chancen wurden von einigen Unternehmen bereits lange bevor Digitalisierung zum allgegenwertigen Must-Have wurde intensiv genutzt.

CAD-Systeme, Simulationstools und die Anbindung an das allgegenwärtige ERP-System gehören seit Langem zu den Selbstverständlichkeiten der Unternehmens-IT von Großunternehmen.

Der sogenannte digitale Faden verbindet die digitalisierte Produktentwicklung mit allen Phasen des Produktentstehungsprozesses.

Je umfangreicher die Datenhaltung in den dargestellten Teilprozessen und je ausgereifter die Schnittstellen zwischen den digitalen Komponenten, desto stärker wird der digitale Faden.

Der digitale Faden zeigt allerdings einen Soll-Zustand, der so in vielen kleinen und mittelständischen Unternehmen noch nicht erreicht ist.

Zu den ungenutzten Potenzialen des digitalen Fadens gehört in KMU häufig die Simulation. Das kann daran liegen, dass in den Konstruktionsabteilungen zu wenig Kenntnisse über Simulation und deren Leistungsfähigkeit existieren.

Häufig mangelt es aus diversen Gründen an Fachkräften, welche die Simulation sicher und zielgerecht anwenden können. Ein weiterer Grund, den wir in der Praxis regelmäßig beobachten, sind die hohen Lizenzkosten für kommerzielle Simulationssoftware.

Die Kombination beider Aspekte erhöht die Einstiegshürde für viele Unternehmen immens. Das führt dazu, dass erfolgversprechende Simulationsprojekte nicht durchgeführt werden.

Diese Einstiegshürden hemmen oft unnötigerweise den Fortschritt bei der Anwendung von Simulation und somit die digitale Transformation. Im Starting-Simulation-Guide befassen wir uns deshalb damit, wie man diese Einstiegshürden verringert oder sogar komplett eliminiert.

Ein Ansatz hierfür ist der EInsatz von Open Source Simulationssoftware. In meinem Artikel „FEM Freeware – Schnell und sicher einsteigen und der Konkurrenz einen Schritt voraus sein“ erfahren Sie mehr darüber.

In einer digitalisierten Produktentwicklung kann die Simulation mit virtuellen Prototypen zum neuen Kristallisationspunkt von Erkenntnissen und Entscheidungen im PEP werden und die Entwicklung zum Soll-Zustand stark beschleunigen.

In unseren Blog-Beiträgen wollen wir zeigen, wie die Simulation des pysikalischen Verhaltens von Produkten und Fertigungsprozessen genutzt werden kann, um brach liegende Potenziale zu nutzen und den Druck aus dem Produktentstehungsprozess zu nehmen.

Was ist Simulation und wo wird sie eingesetzt?

Bevor wir uns mit der Frage befassen, wie Simulation helfen kann, ist zu klären, was mit dem Begriff „Simulation“ gemeint ist und wie wir ihn hier anwenden.

Die industrielle Nutzung der Simulation umfasst ganz allgemein die Untersuchung physikalischer Zustände und Abläufe an realen und virtuellen Modellen.

Ein reales Modell kann der Tragflügel eines neu entwickelten Verkehrsflugzeugs sein, der in einem Versuchsaufbau auf seine Biegesteifigkeit hin untersucht wird.

Derselbe Versuch kann mit einem virtuellen Modell im Computer durchgeführt werden. In unseren Blog-Beiträgen werden wir uns bei der Verwendung des Begriffes „Simulation“ auf die Arbeit mit virtuellen Modellen beschränken.

Für uns geht es bei der Simulation darum, reale Produkte und Fertigungsprozesse virtuell abzubilden und so Ihr physikalisches Verhalten vorherzusagen.

Simulation wird heute in fast allen Bereichen des Ingenieurwesens eingesetzt, um physikalische Vorgänge in Bauteilen und Produkten sichtbar zu machen. Für den Aufbau der Simulationsmodelle, die Analyse und die Ergebnisvisualisierung ist insbesondere im industriellen Umfeld eine Simulationssoftware erforderlich.

Zur Wahl stehen Softwarepakete von kommerziellen Anbietern, welche i.d.R. hohe Fixkosten (Lizenzgebühren) verursachen.

Weitestgehend unbekannt ist, dass auch kostenfreie Alternativen in Form von Open-Source-Simulationssoftware verfügbar sind, die uneingeschränkt kommerziell genutzt werden dürfen.

Sie ermöglichen dem geschulten Anwender die Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM), der Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) und der Mehrkörpersimulation (MKS) für die Lösung praktischer Ingenieuraufgaben.

Wie kann Simulation KMU helfen, den Druck im PEP abzubauen?

Im Produktentwicklungsprozess werden Qualität, Kosten und Zeitaufwand für die Produktentstehung bereits früh festgelegt.

Allerdings können diese im klassischen Produktentwicklungsprozess häufig erst nach der Fertigstellung von realen Prototypen überprüft und korrigiert werden.

Gemessen an den heute üblichen Produktlebenszyklen ist der klassische Produktentstehungsprozess mit realen Prototypen deshalb zu schwerfällig.

Hinzu kommen die Kosten für den Bau einer oder mehrerer Prototypgenerationen, welche die Produktentwicklung meist unnötig verteuern.

Simulation – Virtuelle Prototypen liefern Machbarkeitsaussagen viel früher

Werden virtuelle Prototypen für die Untersuchung der Produkteigenschaften verwendet, sinken Zeit und Kosten für die Erstellung der Prototypen stark ab.

Hat das Team in der Konstruktion die Erfahrungen vorangegangener Simulationsprojekte an ähnlichen Prototypen in einer Wissensdatenbank gesammelt und ausgewertet, genügen bei ausgereiften Algorithmen für die Modellbildung bereits wenige Mausklicks, um einen virtuellen Prototyp zu erstellen und valide Simulationsergbebnisse zu generieren.

So lässt sich die Simulation effizient in den Produktentstehungsprozess integrieren. Machbarkeitsaussagen sind bereits vor der Angebotserstellung mit geringem Aufwand möglich.

Trotzdem behalten die verantwortlichen Mitarbeiter die Hände frei für das Alltagsgeschäft.

Ist die rechnerische Simulation durchgelaufen, werden die Ergebnisse ausgewertet. Falls nötig, kann eine erneute Simulation mit einem optimierten virtuellen Prototyp gestartet werden.

Die konsequente Nutzung Virtueller Prototypen erlaubt es, Entscheidungen im Produktentwicklungsprozess viel früher zu treffen.

Fertigungsprozesse und Produkte können von Anfang an optimiert und Kosten gespart werden.

Für alle, denen die Begriffe Virtueller Prototyp, Digitaler Zwilling und Industrie 4.0 noch nicht so geläufig sind, haben wir in unserem Blogartikel „Digitaler Zwilling und Virtueller Prototyp in Industrie 4.0 – Simulation macht sie lebendig“ unsere Sicht auf diese, derzeit leider noch nicht einheitlich definierten, Begriffe wiedergegeben.

Aktuelle Situation im Produktentstehungsprozess

In den vorangegangenen Abschnitten haben wir gezeigt, dass die Simulation mit Virtuellen Prototypen u.a. helfen kann, den Druck aus dem Produktentstehungsprozess rauszunehmen. Das ist so natürlich noch keine Grundlage für eine strategische Entscheidung.

Wir wollen deshalb etwas weiter auf die aktuelle Situation im Produktentstehungsprozess, auf den Status der Simulation in KMU und auf die neue Rolle, die die Simulation in Industrie 4.0 spielt, eingehen.

Durch die Möglichkeiten des Internets und internationale Handelsbeziehungen sehen sich auch kleine und mittelständische Unternehmen zunehmend globaler Konkurrenz ausgesetzt.

Hinzu kommen kaum vorhersehbare Veränderungen der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen durch disruptive Technologien, das Umschwingen der öffentlichen Meinung (z.B. Klimaschutz, Nachhaltigkeit) und damit einhergehende Gesetzesänderungen.

Kurze Produktlebenszyklen, hohe Produktindividualisierung und Losgrößenverminderung gehören auch für KMU zu den Herausforderungen, die den Produktentstehungsprozess maßgeblich beeinflussen.

Aus der Fülle der Aufgaben und Herausforderungen, denen sich Unternehmen heute stellen müssen, haben wir nur einige herausgegriffen. Die Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die Situation wird sicher nicht überall genau so erlebt.

Es kann dennoch generell davon ausgegangen werden, dass auf dem Produktentstehungsprozess und darin besonders auf den Teilprozessen der Produktentwicklung ein hoher Druck zur Optimierung und Kosteneinsparung lastet.

Das Meistern dieser Herausforderungen bietet jedoch auch die Chance noch innovativer zu werden, hierdurch die Wettbewerbsfähigkeit zu steigern und Kunden durch die Erfüllung individueller Wünsche zurfriedener zu machen.

Es ist die Chance neue Wege zu gehen und sich neue Alleinstellungsmerkmale in einer Welt mit zunehmendem Innovations- und Digitalisierungsdruck zu verschaffen.

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Bisherige Nutzung von Virtuellen Produktentwicklung

In langjähriger Beobachtung hat sich gezeigt, dass Simulation in KMU, wenn überhaupt, nur sporadisch genutzt wird.

Typische Motivationen hierfür sind das Erreichen der Grenzen des bestehenden Erfahrungswissens, auf dessen Grundlage Entscheidungen getroffen werden, und Schadensfälle, bei denen es um einen genauen Nachweis des Produktverhaltens geht.

Das üblicherweise geringe Wissen über Simulation, der hohe Zeitdruck in den Projekten und begrenzte Personalkapazitäten sind klassische Hemmschwellen für kleine und mittelständische Unternehmen bei der erfolgreichen Nutzung von Simulation.

Demgegenüber steht, dass Unternehmen jeder Größenordnung, von der One-Man-Show bis zum Großkonzern, seit langer Zeit intensiv mit Simulation arbeiten und hervorragende Resultate erzielen.

Die Nutzung reicht von der einfachen Simulationsfunktion im CAD-Programm mit Lösung auf einem Arbeitsplatz-PC bis zu Großrechneranwendungen mit komplexen Simulationsmodellen, die auf Tausenden von Prozessoren gelöst werden.

Bemerkenswert ist, dass der positive Effekt auf die Wertschöpfung dabei nicht unbedingt von der Größe des Simulationsprojektes abhängt.

Für eine große Zahl der im Ingenieurwesen relevanten physikalischen Phänomene sind inzwischen Simulations-Werkzeuge verfügbar.

Sie liegen als kommerzielle und Open-Source-Tools vor und sind nach entsprechender Schulung nicht nur für Ingenieure, sondern auch für berufserfahrene Konstrukteure, Meister und Techniker nutzbar.

Wie sehen die Vorteile der Virtuellen Produktentwicklung für KMU konkret aus?

Die Simulation bietet kleinen und mittelständischen Unternehmen eine Reihe von Vorteilen. Zu den interessantesten Vorteilen gehören die Möglichkeiten zur Einsparung von Kosten und Zeit.

Die offensichtlichste Möglichkeit zur Kosteneinsparung im Produktentstehungsprozess ist der Ersatz von realen Prototypen durch virtuelle Prototypen.

Die Anfertigung realer Prototypen ist ein teures Unterfangen und schon lange wird an vielen Stellen nach Möglichkeiten gesucht, sie durch virtuelle Prototypen zu ersetzen.

Der Einsatz zukunftsweisender Simulationsmethoden erschließt hier ein hohes Maß an Einsparpotenzial.

Das nachfolgende Schaubild vergleicht die Produktentwicklung mit realen Prototypen mit dem Einsastz der virtuellen Produktentwicklung und verdeutlicht das Potential für Kosten- und Zeitersparnis.

Möglichkeiten zur Kosteneinsparung durch Simulation finden sich auch an anderer Stelle. Viel Potenzial liegt im Einsatz preisgünstigeren Materials, das durch einen optimierten Kraftfluss besser ausgenutzt wird.

Der Kraftfluss kann mit der Simulation sichtbar gemacht und verbessert werden. Analog lässt sich das Temperaturmanagement im Produkt mit Simulationen zur Einsparung von Kosten einsetzen.

Die Optimierung der Geometrie von Bauteilen und Baugruppen zur Verringerung der Masse bei gleicher Steifigkeit oder zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens kann ebenfalls zur Kosteneinsparung aber auch zu mehr Kundenzufriedenheit beitragen.

Je kürzer die Produktlebenszyklen, desto wichtiger wird der frühe Markteintritt, um entgangene Umsätze, d.h. verlorene Gewinne, zu reduzieren.

Die Nutzung von Simulation hilft KMU an vielen Stellen im Produktentstehungsprozess Zeit einzusparen, wie durch den Einsatz virtueller Prototypen.

Dementsprechend kann der Markteintritt mit dem Produkt nach vorn gezogen werden. Analog können im Sondermaschinenbau individuelle Kundenwünsche präziser und schneller erfüllt werden.

Das folgende Beispiel der Umformsimulation eines Rohres zeigt einen weiteren, wichtigen Vorteil. Simulation kann nicht nur zur Verbesserung des Produktes, sondern auch zur Optimierung des Fertigungsprozesses herangezogen werden.

Dies ist eine vielfach übersehene und derzeit in KMU nur selten genutzte Chance die o.g. Ziele zu erreichen.

Vorteile von Simulation für KMU am konkreten Beispiel einer Umformsimulation

Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Stadien eines Umformprozesses, der mit Simulation untersucht wurde. Im Initialzustand liegt ein Rohr in einem geöffneten Umformwerkzeug.

Durch das Schließen des Werkzeugs wird das Rohr umgeformt. Abschließend liegt das umgeformte Rohr im offenen Werkzeug.

Ziel der Simulation war es, wichtige Kenngrößen des Prozesses an einem Virtuellen Prototyp zu ermitteln. Dazu gehören die Rückfederung, deren Kompensation oft das primäre Ziel ist, die Werkzeugbelastung und die Umformgrade im Schließvorgang.

Durch eine Anpassung des Werkzeugs und eine erneute Umformsimulation kann z.B. die Kompensation der Rückfederung iterativ optimiert werden.

Bei guten Eingangsdaten (z.B. Werkstoffkennwerte) sind die Simulationsergebnisse bei Umformsimulationen sehr valide.

Zur Validierung der Simulationsmodelle unserer Kunden aus der Umformtechnik vermessen wir reale Fertigteile ausgesuchter Referenzprozesse mit hochauflösenden 3D-Scannern und prüfen anschließend die Abweichung zum Simulationsergebnis.

Hierbei erreichen wir maximale Abweichungen im Bereich weniger hundertstel Millimeter, je nach Dimension der Umformteile.

Für unsere Kunden bedeutet dies, dass Sie mit den Simulationsergebnissen eine valide Entscheidungshilfe haben, lange bevor das erste reale Werkzeug hergestellt wird.

Die oben aufgeführten Kenngrößen des Prozesses konnten in der früher konventionell durchgeführten Produktentwicklung erst nach der Herstellung der Umformwerkzeuge ermittelt werden.

Bei hohen Abweichungen von den Sollwerten war es erforderlich, eine weitere Prototypgeneration zu bauen. Dies führt zu einer Verzögerung des Serienanlaufes und sehr hohen Kosten für die Anpassung des Umformwerkzeuges.

Durch den Einsatz Virtueller Prototypen lassen sich Entwicklungskosten und -zeiten in der Umformtechnik massiv zu reduzieren.

Vertrauenswürdigkeit der Rechenergebnisse und kostenlose Simulationssoftware für KMU

Wie oben beschrieben ist die Vertrauenswürdigkeit der Rechenergebnisse von entscheidender Bedeutung um auf ihrer Grundlage sichere Entscheidungen treffen zu können.

Eine sorgfältige Validierung ist deshalb von entscheidender Bedeutung für den Simulationserfolg.

Die Fähigkeit, Simulationen fachgerecht durchzuführen und valide, sichere Ergebnisse zu erzielen, umfasst kostbares Knowhow, das im Unternehmen gehalten werden sollte.

Deshalb empfehlen wir KMU, eigene Kompetenzen für die Simulation aufzubauen und diese wichtige Schlüsselfähigkeit nicht nach extern zu delegieren.

Die dafür nötige Software muss keineswegs teuer erworben werden. Es sind viele leistungsfähige Open-Source-Simulationstools (z.B. Salome-Meca bzw. Code_Aster) erhältlich, die kostenlos im Internet heruntergeladen werden können.

In unserem Starting-Simulation-Guide zeigen wir Ihnen Wege auf, wie Sie diese kostenlosen Simulationstools effektiv nutzen können.

Wie empfinden Sie die Chancen und Herausforderungen beim Einsatz von Simulation?

Nutzen Sie Simulation bereits in Ihrem Unternehmen?

Welche Einstiegshürden haben Ihnen bei der Einführung von Simulation in Ihrem Unternehmen am meisten Schwierigkeiten bereitet?

Waren es eher die hohen Software-Lizenzkosten oder mangelndes Simulations-Know-How bzw. Fachkräftemangel?

Ich freue mich auf Ihr Feedback!

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Der Beitrag Simulation in der Produktentwicklung – der schnelle Weg zu optimalen Produkten und Fertigungsprozessen erschien zuerst auf Vonstein & Partner.

Das ist gut, denn digitale Zwillinge regen zum Nachdenken über die Abläufe im eigenen Produktentstehungsprozess an.

Begriffe, wie Industrie 4.0, virtueller Prototyp und Simulation kursieren und müssen mit möglichst einheitlicher Bedeutung gefüllt werden.

In diesem Blog-Beitrag möchten wir Ihnen einen Überblick über die Bedeutung dieser Begriffe geben und ein gemeinsames Verständnis aufbauen.

Die Diskussion über den digitalen Zwilling ist dabei keineswegs abgehoben und akademisch. Sie bringt die industrielle Anwendung der digitalen Transformation auf den Punkt, auch in kleinen und mittelständischen Unternehmen.

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Digitaler Zwilling treibt die Digitalisierung im Produktentstehungsprozess voran

Zu erwarten ist, dass die Entwicklung neuer Schnittstellen-Standards und einer eigenen Sprache für die Kommunikation des Digitalen Zwillings schon in näherer Zukunft für Unternehmen ganz praktische Auswirkungen haben wird.

Um die Tragweite dieser Entwicklung zu verstehen, brauchen Sie als Beispiel nur daran zu denken, wie selbstverständlich der Download von CAD-Dateien für Zukaufteile für den Konstrukteur heute ist.

Früher reichten ihm die Kataloge der Hersteller von Maschinenkomponenten, wie Schrauben, Ventile und Sicherheitsschalter. Heute erwartet er ganz selbstverständlich, die CAD-Dateien dieser Maschinenkomponenten im Internet zum Download vorzufinden, um sie in die eigenen CAD-Modelle hineinzukopieren.

Hersteller, die die CAD-Dateien ihrer Produkte nicht zum Download in bekannten Formaten wie IGES, STEP und VDA-FS anbieten, haben einen schweren Stand. Eine ähnliche Entwicklung darf im Hinblick auf den digitalen Zwilling erwartet werden.

Am Ball bleiben wird nur, wer in der Lage ist, seine eigenen Digitalen Zwillinge, Virtuellen Prototypen und Simulationsmodelle mit denen anderer Hersteller und Kunden kommunizieren zu lassen.

Konzertierte Aktion schafft Klarheit – Plattform Industrie 4.0

Unter der Leitung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, des Bundesministeriums für Bildung und Forschung und einer Reihe von namhaften Industrieverbänden und -unternehmen entwickelt die Plattform Industrie 4.0 ein umfassendes Angebot von Informationen und Strategien für die digitale Transformation der Produktion in Deutschland.

In Anlehnung an Plattform Industrie 4.0 und andere Quellen geben wir hier unser Verständnis der Begriffe Digitaler Zwilling, virtueller Prototyp und Simulation wieder.

Unsere Darstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und Allgemeingültigkeit, sondern soll Ihnen das Lesen in unseren Beiträgen erleichtern.

Unterschiede Digitaler Zwilling, Virtueller Prototyp und Simulationsmodell

Digitaler Zwilling

Der Digitale Zwilling ist nach unserem Verständnis ein Datencontainer, auch als Verwaltungsschale bezeichnet. In ihm sind die Daten, die im Laufe eines Produktlebenszyklus gesammelt werden, gespeichert. Die Speicherung geschieht in sogenannten Teilmodellen.

Jedes Teilmodell steht für die Daten einer bestimmten Anwendung, die für Entwicklung, Produktion, Vertrieb und Wartung eines Produktes erzeugt werden.

Der Digitale Zwilling ist ein virtuelles Modell des realen Produktes.

Er unterscheidet sich vom Virtuellen Prototypen durch die zusätzlich gespeicherten Daten für die Herstellung, Nutzung und Wartung des Produktes und seiner einzelnen Instanzen.

Virtueller Prototyp

Als Virtuellen Prototyp verstehen wir das Pendant zum realen Prototyp. Der Virtuelle Prototyp ist ein digitales Modell eines Maschinenteils oder Produktes. Neben der CAD-Geometrie kann er ein oder mehrere Simulationsmodelle umfassen.

Je nach Detailgrad des Virtuellen Prototyps können Simulationsmodelle für Mechanik, Thermodynamik, Strömung und viele weitere physikalische Fachgebiete zugeordnet werden. Der Virtuelle Prototyp ist ein Teilmodell des Digitalen Zwillings.

Simulationsmodell

Das Simulationsmodell setzt sich aus dem geometrischen Modell, den ausgewählten physikalischen Gesetzen, den Einstellungen für die Berechnung und vielen weiteren Parametern zusammen.

Hinzu kommen die Rechenergebnisse, gegebenenfalls Daten zur Validierung und Aufzeichnungen zu den Auswertungen und abgeleiteten Maßnahmen.

Simulationsmethoden – Werkzeuge für die Erstellung digitaler Zwillinge

In der digitalisierten Produktentwicklung soll der digitale Zwilling (virtuelle Prototyp) reale Prototypen ersetzen, um Kosten zu sparen und frühe, sichere Entscheidungen zu ermöglichen.

Simulationsmethoden, wie FEM, CFD und MKS, sind Werkzeuge, um in der Produktentwicklung digitale Zwillinge zu erstellen.

Auch wenn sie im alltäglichen Sprachgebrauch innerhalb eines Unternehmens nicht als Virtuelle Prototypen bezeichnet werden, sind sie oft schon da, in Form von CAD-Dateien, Simulationsmodellen und sonstigen Aufzeichnungen.

Der digitale Zwilling und der virtuelle Prototyp muss, wie sein reales Pendant, mit Werkzeugen erstellt werden. Die Werkzeuge für die Erstellung digitaler Zwillinge werden von den Simulationsmethoden bereitgehalten.

Mit ihnen sind Daten zu Geometrie, Werkstoff, Randbedingungen, Lasten, anzuwendender Physik (Mechanik, Temperatur, Schwingung), Einstellungen für die Berechnung (Schrittweiten, CPU-Anzahl, Abbruch-Kriterien), Rechenergebnisse, Kommentare und viele weitere Einzelinformationen für den digitalen Zwilling zu erstellen und zu verwalten.

Simulationsmethoden bilden das physikalische Verhalten des digitalen Zwillings ab, indem sie nach der Modellerstellung die Gleichungssysteme lösen. In den folgenden Abschnitten geben wir Ihnen eine kurze Übersicht über diese Methoden.

Kollisionsprüfung im CAD

Ein frühes Einsatzfeld des digitalen Zwillings war die Kollisionsprüfung von Bauteilen im CAD.

Die CAD-Modelle nebeneinander angeordneter Bauteile wurden auf Durchdringung und Montierbarkeit geprüft, um sicherzustellen, dass sie genügend Platz hatten.

Dies stellt bereits eine einfache Form der Simulation mit Virtuellen Prototypen dar. Sie konnte bereits lange vor der Fertigstellung von realen Prototypen durchgeführt werden und bot enorme Kostenvorteile.

FEM in der Festkörpermechanik

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) gehört zu den bekanntesten numerischen Verfahren für die Lösung von Gleichungssystemen in der Festkörpermechanik und anderen Fachgebieten des Ingenieurwesens.

Sie wurde in den 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts zunächst in der Forschung und in Großunternehmen eingesetzt.

Seit dem Aufkommen leistungsfähiger Desktop-PCs in den 80ern findet die FEM eine breite Anwendung in Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Bauingenieurwesen und vielen weiteren Branchen.

Zahlreiche physikalische Phänomene und Gesetze aus Mechanik, Thermodynamik, Schwingungslehre und anderen Disziplinen sind in der FEM abgebildet und können in den verfügbaren FEM-Lösungen abgerufen werden.

FEM-Software steht in Form von kommerziellen Produkten und als Freeware (Open Source Software) in großer Auswahl zur Verfügung.

Der Ablauf einer FEM-Anwendung ist in Modellerstellung (Preprocessing), Rechenlauf und Ergebnisauswertung (Postprocessing) gegliedert.

Die heute verfügbaren Programme bieten viele Funktionen für eine schnelle Modellerstellung. Die Lernkurve der Anwender ist steil, weil die Arbeit am eigenen Produktspektrum die Konzentration auf eine überschaubare Auswahl von Programmfunktionen ermöglicht.

CFD und FSI für Strömungssimulation

Mit Computational Fluid Dynamics (CFD) wird ein eigenständiges Fachgebiet der Simulationsmethoden für die Strömungssimulation bezeichnet.

Strömungssimulation verwendet Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gleichungen, Potenzialgleichungen und andere Systeme, die mit verschiedenen numerischen Methoden gelöst werden.

CFD galt lange Zeit als Thema mit sehr hohem Anspruch an das physikalische Verständnis der Anwender und die Rechnerleistung. Inzwischen sind CFD-Systeme mit komfortablen Benutzeroberflächen entwickelt worden, die die Konstrukteure bei vielen alltäglichen Simulationsaufgaben unterstützen.

Sie laufen auf der im Konstruktionsbüro üblichen Hardware, ermöglichen aber auch Rechenläufe auf Großrechnern. Mit der Verbindung von CFD und FEM sind Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) zu untersuchen.

MKS / EMKS Mehrkörpersimulation

Optisch nicht ganz so eindrucksvoll, in der praktischen Anwendung aber nicht minder bedeutsam ist die Mehrkörpersimulation (MKS).

In der MKS werden Anordnungen von starren Festkörper nahezu unabhängig von ihrer realen Geometrie betrachtet. Ziel ist die Untersuchung des kinematischen Systems, dass die stark vereinfachten Körper zusammen mit idealisierten Gelenkverbindungen bilden.

Die Bewegung der Mehrkörpersysteme wird durch Differentialgleichungen beschrieben, die auf dem Rechner gelöst werden. Ist das elastische Verhalten eines Festkörpers nicht zu vernachlässigen, wird von einem elastischen Mehrkörpersystem (EMKS) gesprochen. Es kann mit einer Kopplung der Methoden von MKS und FEM untersucht werden.

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Digitale Zwillinge, Virtuelle Prototypen und Simulationsmodelle in der industriellen Praxis

Im einfachsten Fall wird ein Virtueller Prototyp bereits durch ein einzelnes Simulationsmodell abgebildet und dient zur Klärung der offenen Fragestellungen.

Ein Virtueller Prototyp, der für eine einfache FEM-Simulation mit einem linear-elastischen Materialgesetz genutzt wird, kann im Produktentwicklungsprozess frühzeitig entscheidende Hinweise auf die Tauglichkeit der Konstruktion liefern.

Natürlich kann ein Virtueller Prototyp auch aus mehreren Simulationsmodellen bestehen, um verschiedene Aspekte des physikalischen Verhaltens zu erfassen.

Ein Beispiel ist der Virtuelle Prototyp einer Werkzeugmaschine mit einem FEM-Simulationsmodell für die Verformung des Gestells, einem MKS-Modell für das dynamische Verhalten von Spindel, Werkzeug, Werkstück, Antrieb und Getriebe und einem CFD-Modell für die Kühlung des Prozesses mit Schneidflüssigkeit.

Simulationsmodelle sind ein wesentlicher Bestandteil des Digitalen Zwillings

Der Digitale Zwilling ist als ein universeller Datencontainer zu verstehen, der einen Produkttyp und seine einzelnen Instanzen durch den Produktlebenszyklus begleitet.

Er kann ein oder mehrere Teilmodelle enthalten, die bestimmten Anwendungen, wie einem Simulationsprogramm, zugeordnet sind.

Wird ein Simulationsmodell für eine Berechnung, wie für die linear-elastische Simulation eines Maschinenhebels, angefertigt, steht ein Teilmodell im Digitalen Zwilling für die Speicherung der Eingabedaten und Rechenergebnisse über den gesamten Produktlebenszyklus zur Verfügung.

Dem aufmerksamen Leser wird sich die Frage aufdrängen, wieso Simulationsmodelle ein „wesentlicher“ Bestandteil des Digitalen Zwillings sind.

Die Antwort ist aus unserer Sicht recht einfach: Die Simulation der Reaktion eines Maschinenbauteils oder Virtuellen Prototyps macht aus einer bloßen Datensammlung ein im virtuellen Raum lebendiges Objekt.

Sein Verhalten als Reaktion auf äußere und innere Belastungen kann in nahezu beliebiger Genauigkeit studiert werden.

Der Anwender wird damit vom Datensammler zum Beobachter und gewinnt tiefe Einsicht in das Funktionieren des Virtuellen Prototyps. Deshalb sind Simulationsmodelle für die Nutzung des Digitalen Zwillings wesentlich.

Simulationsmodelle bilden das Fundament für den Virtuellen Prototyp

Simulationsmodelle bilden das Fundament für die virtuelle Beschreibung der physikalischen Eigenschaften von Produkten und Fertigungsprozessen.

Die Beschreibung der physikalischen Eigenschaften erfolgt in Simulationsmodellen nicht nur über einzelne Parameter, sondern über virtuelle Funktionen, also Rechenläufe, die das physikalische Verhalten des Produktes untersuchen und für den Betrachter nachvollziehbar, d.h. optisch, wiedergeben.

Bei der Simulation geht es um das Verhalten des Virtuellen Prototyps, nicht nur um starre physikalische Werte, wie Farbe, Höhe, Gewicht, Drehzahl und Steckertyp.

Wie sehen Sie die Rolle der Simulation im Kontext von Digitalisierung und Industrie 4.0? Wie ist Ihr Verständnis der Begriffe Digitaler Zwilling, Virtueller Prototyp und Simulationsmodell? Wir freuen und auf Ihr Feedback!

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