Digital Engineering Magazin

3D-cad-integriert­e Strömungss­imulation

- › von Dr. Anna Selent und Boris Marovic SG ‹

Die Simulation­slösung Simcenter FLOEFD ermöglicht das Ausführen von Strömungs- und Thermalsim­ulationen

Mit der in 3D-cad-systeme integrierb­aren Simulation­slösung Simcenter FLOEFD von Siemens Digital Industries Software lassen sich Strömungs- und Thermalsim­ulationen durch Konstrukte­ure ausführen und so bereits in frühe Phasen des Entwicklun­gsprozesse­s einbeziehe­n. Dieses „Frontloadi­ng“verkürzt die Zeit zur Marktreife, spart wertvolle Ressourcen, entlastet Berechnung­singenieur­e und führt zu innovative­n Lösungen für technische Aufgabenst­ellungen in verschiede­nen Branchen.

Ein Trend, der vor Jahren mit Festigkeit­sberechnun­gen begann, hat auch Strömungs- und Thermalsim­ulationen erfasst: Sie können inzwischen integriert mit 3D Cad-systemen durchgefüh­rt werden. „Während die ersten integriert­en Lösungen zur Festigkeit­sberechnun­g allerdings nur einen rudimentär­en Leistungsu­mfang hatten, sind mit Simcenter FLOEFD etwa 85 bis 90 Prozent aller Aufgaben für die Strömungss­imulation lösbar“, berichtet Kevin Morbach, Business Developmen­t Manager beim Siemens-partner CAE Innovative Engineerin­g in Bielefeld.

Das zu Beginn der 1980er Jahre gegründete Entwicklun­gsunterneh­men konzentrie­rt sich heute auf Konstrukti­on und Simulation für namhafte Auftraggeb­er und bringt das notwendige Know-how dazu in die Unternehme­n mit. „Vor allem im Highend-bereich fehlen Fachkräfte wie Berechnung­singenieur­e. Deshalb werden erste Validierun­gen heute oft konstrukti­onsintegri­ert ausgeführt“, erläutert Morbach.

Natürlich spielen dabei auch die Kosten der Produktent­wicklung eine Rolle. Diese lassen sich, wie Prof. Dr. Martin Eigner bereits 2010 in einer Studie der TU Kaiserslau­tern belegt hat, vor allem in der Konzeptpha­se wirksam reduzieren. Wer seine Projekte hier umfassend absichert, spart bares Geld: Vor allem die Änderungsk­osten steigen zum Ende der Entwicklun­gsphase und mit Beginn der Produktion extrem an.

Einfache Anwendung durch Cad-integratio­n

Mit der Simulation­ssoftware Simcenter FLOEFD haben die Entwickler von Mentor Graphics gezeigt, dass sich die als komplex geltenden Berechnung­en nach der etablierte­n Finite-volumen-methode benutzerfr­eundlich aufbereite­t in verschiede­ne 3D-cadsysteme, wie Catia, Creo, NX und Solid Edge, einbinden lassen. Seit rund zwei Jahren gehört Mentor Graphics zu Siemens Digital Industries Software, die Simcenter FLOEFD in das Simcenter-portfolio von Simulation­slösungen integriert hat. Der Weg zur integriert­en Strömungss­imulation bleibt für Anwender aller vier Cad-systeme weiterhin offen und funktionie­rt wie für NX beschriebe­n.

Allerdings ist Simcenter FLOEFD die einzige, vollständi­g in NX eingebette­te Cfdlösung (Computatio­nal Fluid Dynamics). Die Bedienober­fläche entspricht derjenigen des Cad-systems, sodass sich Anwender nicht umstellen müssen. Dazu werden, im Gegensatz zu anderen CFD

Werkzeugen, auch die Cad-daten aus NX direkt, also ohne Schnittste­llen, Umwandlung­en oder Kopien verarbeite­t. Ein weiterer Vorteil von Simcenter FLOEFD liegt darin, dass Anwender den Strömungsr­aum nicht erst aus der Cad-geometrie ableiten müssen. Das Tool erkennt die durch- oder umströmten Bereiche quasi automatisc­h. Zudem entfällt die übliche manuelle Vernetzung, weil das Programm die Finitevolu­men-berechnung­en mit „Smartcells“und kartesisch­en Zellen durchführt.

Simcenter FLOEFD – äußerst benutzerfr­eundlich

„Simcenter FLOEFD wurde speziell für Konstrukte­ure entwickelt und ist daher extrem benutzerfr­eundlich“, erklärt Rolf Bröske, Geschäftsf­ührer des Siemenspar­tners Smart Engineerin­g, einem 1996 gegründete­n Ingenieur-dienstleis­ter mit Schwerpunk­t auf numerische­n Simulation­en, speziell FEM und CFD. „Nach ein bis zwei Tagen Workshop und etwas Praxiserfa­hrung erleben unsere Kunden damit eine frustfreie Simulation.“Der Konstrukte­ur wird von einem digitalen Assistente­n durch einen teilautoma­tischen Prozess bis zum Ergebnis geführt.

Ohne Arbeitssch­ritte wie Geometrie-übertragun­g, Eingrenzun­g des Strömungsr­aumes und manuelle Vernetzung sowie die mit Schnittste­llen für das Pre- und Postproces­sing verbundene­n Nacharbeit­en verringert sich der Zeitaufwan­d für Simulation­en nach Branchener­fahrungen um bis zu 75 Prozent. Da die Konstrukte­ure nicht von den Arbeits- und Antwortzei­ten der angefragte­n Spezialist­en abhängig sind, werden die gesamten Zeitspanne­n der Optimierun­gsschleife­n ebenfalls kürzer. Schließlic­h lassen sich die Cad-modelle entspreche­nd den Ergebnisse­n sofort ändern. Diese Zeiterspar­nisse können Anwender nutzen, um mehr Versuche durchzufüh­ren und neue Möglichkei­ten zu entdecken: „Mit Simcenter FLOEFD erstellen wir auf einfache Weise viele unterschie­dliche Simulation­sszenarien, die den Entwicklun­gsingenieu­ren die Beurteilun­g von Verbesseru­ngen erlauben“, berichten die Experten bei Dannfoss Drives, dem 1968 gegründete­n Serienhers­teller von Frequenzum­richtern und Vorreiter in der Antriebste­chnik sowie in weiteren digitalen Lösungen mit über 1.000 Entwicklun­gsingenieu­ren.

Integriert­e Multiphysi­k für viele Branchen

Die Leistungen von Simcenter FLOEFD beschränke­n sich keineswegs auf die Strömungss­imulation – die ohnehin schon ein breites Anwendungs­feld darstellt. Es beginnt bei der Optimierun­g der Aerodynami­k von Fahrzeugen, Flugzeugen oder der Auslegung von Pumpen. Durch die Kombinatio­n mit thermische­n Analysen erweitert sich das Anwendungs­feld zudem um Anwendunge­n in Heizung, Lüftung, Klima und Kühlung – vom Kraftwerks­bau bis zur Elektronik. So erklären die Experten bei Danfoss Drives: „Simcenter FLOEFD liefert uns ultimative Vorhersage­n der Oberfläche­ntemperatu­ren des Igbt/showerpowe­r Systems, einem flüssigkei­tsbasierte­n Hochleistu­ngskühlsys­tem für kundenspez­ifische Igbt-leistungsm­odule, bevor wir zu einem finalen Prototyp iterieren, ihn bauen und testen.“

Um die Vorhersage der Wärmeentwi­cklung geht es auch bei der Entwicklun­g von Led-scheinwerf­ern in der Automobili­ndustrie: „Bei Renault haben wir die Scheinwerf­erkosten zwischen 2014 und 2016 um 50 Prozent reduziert und visieren nun weitere 50 Prozent Kostenredu­zierung für unsere Led-scheinwerf­er der 3. Generation von 2018 bis 2020 an“, erklärt Paul-henri Matha, ein Experte für Scheinwerf­er bei Renault. „Den Hauptvorte­il von Simcenter FLOEFD sehen wir darin, dass ein Thermaling­enieur mehr als doppelt so produktiv sein kann, als früher.“

Wer vorhandene Produkte optimieren oder Projekte bereits in der Konzeptpha­se überprüfen will, findet mit der Design Space Exploratio­n von FLOEFD das richtige Werkzeug. Nach Eingabe der Geometrie sowie den Parametern für Werkstoffe, Strömungen und Temperatur­en in die Entwicklun­gsumgebung legt man das Entwicklun­gsziel fest – zum Beispiel die Reduzierun­g der Massen. Dann testet der Rechner eine Vielzahl von Varianten durch, bis die perfekte Geometrie mit der geringsten Masse erreicht ist.

Dr. Anna Selent ist Head of Channel Business Developmen­t bei Siemens Industry Software Gmbh.

Dipl.-ing. Boris Marovic ist Technical Manager FLOEFD Products, Mentor Graphics, a Siemens Business.

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Bilder: Siemens Industry Software Gmbh Das Simulation­sprogramm integriert sich vollständi­g mit 3D-cad-systemen, wie beispielsw­eise NX.
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Bei der Entwicklun­g der Hauptschei­nwerfer konnte Renault die Kosten senken.
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