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Physikalische Simulation – die digitale Realität

| Autor/ Redakteur: Michael Werner* / Thomas Günnel

Computerunterstütztes Konstruieren mittels Computer-Aided Design (CAD) reizt die technologischen Möglichkeiten nicht aus. Die physikalische Simulation erlaubt es, der digitalen Geometrie ein Abbild ihres physikalischen Verhaltens hinzuzufügen.

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Die physikalische Simulation erlaubt es, der digitalen Geometrie ein Abbild ihres physikalischen Verhaltens hinzuzufügen – zum Beispiel das Geräuschverhalten eines Ventilators.
Die physikalische Simulation erlaubt es, der digitalen Geometrie ein Abbild ihres physikalischen Verhaltens hinzuzufügen – zum Beispiel das Geräuschverhalten eines Ventilators.
(Bild: Dassault Systémes)

Die physikalische Simulation ermöglicht es, das physikalische Verhalten in die Simulation zu integrieren, zum Beispiel das Geräuschverhalten eines Ventilators. Die mechanische Bewegung des Rotors und seine spezielle Form bringt Luft in Bewegung und sorgt so für die gewünschte Abkühlung. Im Entwicklungsprozess sind daher unter anderem folgende Fragen interessant:

  • Wie muss der Rotor geformt sein, um möglichst effizient die versprochene Abkühlung zu liefern?
  • Welcher Motor wird benötigt, um einerseits energieeffizient, aber auch langanhaltend die gewünschten Drehgeschwindigkeiten zu liefern?
  • Wie muss der Mechanismus aussehen, damit der Ventilator in unterschiedlichen verschiedene Richtungen wirkt?
  • Wie sehen Standfuß und Gehäuse aus?
  • Wie lässt sich ein langlebiges Produkt entwickeln und kostengünstig produzieren, das hohe Kundenzufriedenheit generiert?

Warum simulieren?

Der Vorteil der Simulation ist, dass virtuelle Tests der Bauteile sehr realistisch möglich sind. So lassen sich früher, schneller und kostengünstiger Design- und Konstruktionskonzepte testen. Noch wichtiger ist jedoch die simulationsunterstützte Konstruktion und Produktentwicklung in frühen Phasen. So kann Simulation funktionale Bauteilgeometrien vorschlagen, die die angegebenen Funktionsanforderungen, zum Beispiel mit minimalem Gewicht und Materialeinsatz optimal erfüllen – oder frühzeitig Designalternativen aus Produktions-, Lebensdauer-, oder Performanzgründen ausschließen.

Die Simulationstechnologien

Von den Möglichkeiten nun weiter zu den Technologien: Beim Software-Entwicklungsunternehmen Dassault Systèmes deckt die Marke „Simulia“ den Technologiebereich Simulation ab. Das Werkzeug bietet mit „Abaqus“ unter anderem den Bereich der „Finite Elemente“-Technologie an. Hierbei wird die Geometrie aus dem CAD-System durch viele kleine Rechenelemente diskretisiert und abgebildet. So lassen sich an den Elementknoten – genauer gesagt an den mathematischen Integrationspunkten der finiten Elemente – unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Größen berechnen, analysieren und Entscheidungen ableiten.

So wie sich die Rechenleistungen und Computersysteme verändert haben, wandeln sich auch die zu entwickelnden Produkte. Mechanik ist oft nur noch ein kleiner Teil der Wertschöpfung. Entsprechend hat sich über die Zeit das Simulia-Lösungsportfolio durch Eigenentwicklungen und Akquisitionen erheblich vergrößert. Ingenieure und Entwicklungsabteilungen müssen oft sehr unterschiedliche Disziplinen vereinen. Am Beispiel des Ventilators: Einerseits werden Mechanik, Strömungsmechanik und Lebensdauer betrachtet, aber auch vermehrt Elektrik und Software.

Soll der Ventilator nun „smart“ sein, sich also mittels Smartphone per Bluetooth oder WLAN steuern lassen, kommt schnell noch die elektromagnetische Simulation hinzu: zur Absicherung der elektromagnetischen Konformität, aber auch zur idealen Positionierung der nötigen Antennen. Da das Gehäuse und das gesamte Produkt als Antenne fungieren, können sich bereits kleinste Designänderungen auf die Antennenleistung auswirken.

Das des smarten Ventilators zeigt, wie die Produktkomplexität selbst bei recht einfachen Produkten schnell zunimmt. Flugzeuge oder Pkws, vielleicht bereits als vollständig elektrifiziertes Modell und vollgepackt mit Sensoren als Vorbereitung für (teil-)autonomes Fahren, steigern die Komplexität um ein Vielfaches.

Eine Plattform für alle Daten

Um die unterschiedlichen Disziplinen, Menschen und Daten zusammenzubringen, hat Dassault Systèmes die sogenannte „3D Experience Plattform“ entwickelt. In diese Plattform mit einem einheitlichen Datenmodell und Datenhaltung lassen sich unterschiedliche Lösungen mit einheitlichen Benutzeroberflächen integrieren. So können diverse Abteilungen im Unternehmen auf die Tools und Daten zugreifen und sie gemeinsam bearbeiten und diskutieren.

Speziell aus Sicht der Simulation bringt das einige Vorteile: Einerseits lassen sich nun Geometrie und Simulation viel enger miteinander verzahnen, Definitionen für die Simulation werden direkt auf der Geometrie durchgeführt. Änderungen an der Geometrie lassen so die Simulationsdefinitionen weiter gültig bleiben.

Mittels eines Updates und nachfolgender Neuberechnung lassen sich schnell neue Ergebnisse berechnen. Durch eine gemeinsame Plattform lassen sich auch sogenannte Co-Simulationen, also die Simulation gekoppelter physikalischer Phänomene, deutlich einfacher lösen.

*Michael Werner, Simulia Portfolio Introduction Specialist, Dassault Systémes

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