Infoplaner 1/2010

Ausgabe 01/2009
01/2010
www.cadfem.de
Infoplaner
FEM: Software · Support · Seminare · Consulting · Entwicklung
FEM-Simulation von der Geometrieübernahme bis zum Projektbericht:
ANSYS – das volle Programm
• ANSYS Anwendungen im Konsumgüterbereich
• Für jeden etwas: Viele neue ANSYS Produkte
• CAE-Weiterbildung bei esocaet
Editorial
CADFEM – 25 Jahre in den Charts
Ich freue mich, den 25. Geburtstag der
CADFEM GmbH ankündigen zu dürfen.
Der Notartermin der CADFEM GmbH war
am 29. März 1985. Das war zu der Zeit,
als Kanzler Kohl regierte, Michael Gorbatschow zum Generalsekretär der KPdSU
gewählt wurde, Joschka Fischer als erster
grüner Minister – in Turnschuhen – die Ernennungsurkunde überreicht bekam und
Boris Becker zum ersten Mal Wimbledonsieger wurde.
Die FEM hatte bereits etwa 15 Jahre zuvor
ihre ersten Schritte in der indiustriellen Anwendung gemacht. Einer der Pioniere war
John Swanson, der Entwickler von ANSYS,
der seine Firma SASI, Inc.1970 gründete.
Sie war 1985 auf 75 Mitarbeiter angewachsen und machte einen Umsatz von
rund 10 Millionen US $. Gerechnet wurde
damals auf so genannten Mainframes im
Timesharing-Verfahren, aber auch schon
lokal auf Abteilungsrechner wie der VAX
11/750 oder der MicroVAX II, die sich unsere junge Firma für 100.000 DM gerade
noch leisten konnte. Mit ihren 2 MB Hauptspeicher und 150 MB Festplatte und einem
Tektronix-Bildschirm (40.000,– DM) wurde
versucht, Kunden von der interaktiven Arbeitsweise zu überzeugen. Support habe
ich, wenn unterwegs, im Telefonhäuschen
gegeben, versorgt mit einer Hosentasche
voll Münzen. Die waren manches Mal verbraucht, bevor die Fragen beantwortet werden konnten. Programmdaten von fehlerhaften Läufen wurden auf Band gespeichert und per Post versandt. Bis zur Lieferung hatte sich erfreulicherweise das Problem oft von selbst gelöst oder der Kunde
hat sich nicht mehr daran erinnert, dass er
ein Problem hatte.
Von den alten Zeiten gibt es viel zu berichten. Von einem aufwändigen Firmengeschichtsbuch wollte ich absehen. Zeitgemäß
habe ich mich für das Medium Internet entschieden und so werden Sie unter der Rubrik „CADFEM 25“ auf www.cadfem.de
ausgewählte Dokumente, die über das Jahr
stückweise hochgeladen werden, studieren können. Wer CADFEM von den Anfangszeiten noch kennt, wird sicher gerne
darin browsen und vielleicht interessiert
sich auch die jüngere Generation, wie Pioniere der FEM gearbeitet haben. Beiträge
von Kunden der ersten Stunde nehme ich
gerne auf.
Bedanken möchte ich mich bei unseren
Kunden, insbesondere bei jenen aus der
Anfangszeit, die so mutig waren, einem
jungen Unternehmen ihr Vertrauen zu
schenken. Mein Dank gebührt auch den
treuen Softwarepartnern wie ANSYS, Inc.
Meilensteine – die ersten Jahre
1982 Gründung Ingenieurbüro für
Maschinenbau und Bauwesen
Dr.-Ing. Günter Müller
ANSYS Support Representative Europe
1985 Gründung CAD-FEM GmbH
ANSYS Support Distributor
1986 Anschaffung einer MicroVAX II
2 MB Hauptspeicher, 150 MB Festplatte
1987 Vertriebspartner von LSTC (LS-DYNA)
1988 Forschungsprojekt CARMAT 2000 im
Rahmen von EUREKA
1989 Erster Infoplaner
1990 Projekt Very Large Telescope (VLT),
European Southern Observatory (ESO)
Erste Kontakte zu Uni Dresden,
Chemnitz, Magdeburg
1991 Erste Firmenbroschüre
Geschäftsstellen in Stuttgart, Hannover
40.000 Unbekannte auf PC gelöst
über Nacht
1992 1. Auflage FEM für Praktiker
10. Users’ Meeting in Arolsen
Partnerschaft mit SVSFEM in Tschechien
1993 1. Users´ Meeting in Tschechien
Umzug nach Grafing: Wildbräu Gebäude
1994 Partnerschaft mit MESco in Polen
1995 31 Mitarbeiter, 6,9 Millionen Umsatz
Gründung CAD-FEM AG in Aadorf,
Schweiz zusammen mit Markus Dutly
und LSTC, deren Produkte ANSYS und
LS-DYNA zu den Marktführern zählen und
die den Grundstein für das Gedeihen der
Firma CADFEM gelegt haben. Nicht zuletzt
gilt der Dank den Mitarbeitern, die sich für
die Firma einsetzen.
Kunden, Softwarepartner und Mitarbeiter
und etwas Glück haben dazu beigetragen,
dass sich die Firma von anfangs zwei Mitarbeiter auf heute gut 130 vergrößert hat.
Zählt man die verbundenen Unternehmen
dazu, dann sind wir rund 300 Mitarbeiter,
vertreten in mehreren Ländern in Europa,
in Asien und in den USA. In unserem Geschäftsfeld der numerischen Simulation
zählen wir in Zentraleuropa zu den führenden Anbietern und sind auch weltweit gut
bekannt. CADFEM war von Anfang an und
jedes Jahr profitabel und musste noch nie
Mitarbeiter entlassen oder Kurzarbeit anmelden. Unsere Mitarbeiter sind am Erfolg
der Firma über Bonuszahlungen beteiligt.
Selbst im Weltkrisenjahr 2009 gab es einen
Bonus, was von den Mitarbeitern sehr
positiv aufgenommen wurde. Wir sind ein
typisches Familienunternehmen, das langfristig denkt und den Mitarbeitern viel
Selbständigkeit erlaubt, aber auch verantwortliches Handeln abverlangt. Starre
Regeln und Bürokratie werden auf ein
Minimum begrenzt, ein gewisses Maß an
Chaos in Kauf genommen, gesunder Menschenverstand, Bodenständigkeit und aktives Mitdenken groß geschrieben. Das verleiht CADFEM Flexibilität und ermöglicht
eine schnelle Anpassung an ein sich ständig änderndes Umfeld.
Den Geburtstag wollen wir feiern. Mit Mitarbeiter und Angehörigen beim Sommerfest am 25. Juni. An diesem Freitag bitten
wir Sie, Supportfragen und selbst Bestellungen auf den folgenden Montag zu verschieben.
Mit unseren Kunden wollen wir bei der
ANSYS Conference und 28. CADFEM
Users‚ Meeting vom 3. – 5. November in
Aachen auf 25 Jahre anstoßen. Dazu laden wir Sie heute schon ein.
Falls Sie jetzt stutzen und sich fragen,
warum in 2010 das 28. Jahrestreffen durchgeführt wird: Das liegt daran, dass ich
schon seit 1982 selbständig bin und das 1.
Meeting 1983 stattfand.
Dr.-Ing. Günter Müller
Infoplaner 01/2010
1
CADFEM
ANSYS Conference
& 28. CADFEM Users’ Meeting 2010
03. – 05. November 2010, Aachen, Eurogress
www.usersmeeting.com
ANSYS CONFERENCE
& 28. CADFEM USERS’ MEETING
•
•
•
•
•
•
•
•
Strömungsmechanik
Strukturmechanik
Multiphysik
Elektromagnetik
Schaltungen & Systeme
Batterien & Brennstoffzellen
Materialdesign
Medizin und Biomechanik
•
•
•
Werkzeugmaschinen & Simulation
Kunststoffe & Simulation
Motoren & Simulation
Anwendervorträge
Software-Neuheiten
Kompaktseminare
➔ www.usersmeeting.com
03. – 05. November 2010, Aachen, Eurogress
Einladung & Call For Papers
➔ www.usersmeeting.com
© Foto: aachen tourist service e.v.
ANSYS Conference
& 5. CADFEM Austria Users’ Meeting
ANSYS Conference
& 15. Schweizer CADFEM Users’ Meeting
22. – 23. April 2010
Wien, Schloss Schönbrunn
17. – 18. Juni 2010
Zürich, Hotel Zürichberg
➔ www.usersmeeting.at
➔ www.usersmeeting.ch
2
Infoplaner 01/2010
CADFEM
Land der Ideen:
Technologietransfer vom Automobil
zum Patienten
Computergestützte plastische Chirurgie ist das Thema der Forschungsgruppe CAPS (Computer Aided Plastic
Surgery), einem engen Partner der CADFEM GmbH im Bereich Medical. Jetzt erhielt die Gruppe unter der
Leitung von Privatdozent Dr. Laszlo Kovacs, Klinik für Plastische Chirurgie und Handchirurgie am Klinikum rechts
der Isar der TU München die Auszeichnung „Ausgewählter Ort 2010“ im Wettbewerb „365 Orte im Land der
Ideen” in der Kategorie Wissenschaft und Technik. Prämiert wurde das Projekt „Vom Automobil zum Patienten:
Technologie und Medizin finden zusammen”, das am 27. März 2010 bei einem Symposium in der BMW Welt
München der Öffentlichkeit vorgestellt wurde.
© Foto: BMW Welt
„Räumliche Modelle sind in der industriellen Produktentwicklung bereits weit verbreitet. Unser Ziel ist es, auch den menschlichen Körper dreidimensional exakt abzubilden, um den Erfolg von Operationen in
der Plastischen Chirurgie objektiv messbar
zu machen und die Versorgung unserer Patienten zu verbessern”, fasst Kovacs die
ausgewählte Arbeit seiner Forschungsgruppe zusammen. Unter der Schirmherrschaft des Bundespräsidenten prämiert die
Initiative „Deutschland – Land der Ideen“
im Rahmen des bundesweiten Wettbewerbes seit fünf Jahren innovative Ideen,
die sich als „Ausgewählte Orte“ der Öffentlichkeit präsentieren. Der Preis wurde
von Andreas Brandt von der Deutschen
Bank, einem der Projektpartner des Wettbewerbs, verliehen.
Die Forschungsgruppe CAPS nutzt 3D-Technologien, die in der Industrie bereits etabliert sind, um Modelle von Patienten zu
entwerfen. So können bereits vor der Operation körperliche Veränderungen simuliert
werden. Zudem erhalten Patienten vorab
eine Vorstellung vom zu erwartenden
Ergebnis eines Eingriffs. Mit dem Einsatz
der neuen Technologie betritt die Gruppe
medizinisches Neuland. Unterstützt wird
sie dabei auch von den Industriepartnern
CADFEM GmbH und Materialise GmbH,
die eine sehr große, langjährige Expertise
auf dem Gebiet der Simulation und Modellierung mit einbringen.
Im Rahmen des Symposiums wurde der
Brückenschlag von der Industrieanwendung moderner Simulationsverfahren zum
Nutzen dieser Technologien in der Medizin anhand von Beispielen vorgestellt.
Verschiedene Fachbeiträge konkretisierten
das Thema der Veranstaltung „Vom Automobil zum Patienten: Technologie und Medizin finden zusammen”. Kovacs: „Da die
erfolgreiche Entwicklung von CAPS nicht
ohne das fruchtbare Umfeld der TU München hätte stattfinden können, wollten wir
das Symposium in enger Partnerschaft mit
Vertretern der TU München und mit ko-
operierenden High-Tech-Unternehmen ausrichten. So konnten wir die innovativen
Technologien in Vorträgen und mit Hilfe
von Demoständen auch für den Laien ver<<
ständlich darstellen.“
i
| Information
Weitere Informationen
über den Wettbewerb
www.land-der-ideen.de
Über CAPS – Computer Aided Plastic Surgery
www.caps.me.tum.de
Ansprechpartner CADFEM Medical
Christoph Müller, CADFEM GmbH
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-43
E-Mail cmueller@cadfem.de
Infoplaner 01/2010
3
Inhalt
Inhalt
FEM-Simulation: Überall zuhause
In der produzierenden Industrie sind Simulationsprodukte von CADFEM praktisch in allen Branchen anzutreffen. Die Anwendungsbreite von ANSYS und komplementären Tools macht dies
möglich. Sie ist auch der Garant dafür, dass ANSYS, LS-DYNA und Digimat innerhalb einer Branche für sehr vielfältige und komplexe Aufgabenstellungen herangezogen werden. Ein Streifzug
durch die Konsumgüterbranche zeigt das Spektrum bei führenden Markenartikelherstellern.
10
Seite 10 – 25
Berufsbegleitend zum CAE-Master
Mit dem berufsbegleitenden Master-Studiengang der esocaet (European School of Computer
Aided Engineering Technology) besteht eine einzigartige Möglichkeit, Arbeiten und praxisorientiertes Studieren miteinander zu verbinden.
09
Seite 09
Noch mehr herausholen aus ANSYS!
Das umfassende ANSYS Seminarprogramm von CADFEM unterstützt ANSYS Kunden dabei,
schnell und gezielt ANSYS Know-how auf- und auszubauen.
36
Seite 36
High Performance Computing
Mit High Performance Computing (HPC) kann die Rechenzeit von sehr großen und sehr komplexen Modellen drastisch verkürzt werden. Wir haben wichtige Informationen zu ANSYS HPC
zuammengefasst.
38
Seite 38
Nichtlinearitäten in der strukturmechanischen FEM-Berechnung
Nichtlinear ist, wenn es nicht konvergiert, jedenfalls nicht auf Anhieb. Wohl dem, der durch
Kenntnis der Theorie und der Algorithmen gezielt vorgehen kann.
48
4
Infoplaner 01/2010
Seite 48
Inhalt / Impressum
01 Editorial
CADFEM
02 CADFEM Users’ Meetings 2010
03 Land der Ideen: Technologietransfer vom Automobil zum Patienten
06 CADFEM Consulting: Simulation mit Tiefgang
26 Weit weg & hoch hinaus
43 CADFEM Consulting: Hydro-Acoustic Simulation of a Hydraulic Hammer
52 Rückblick: CADFEM Users’ Meeting 2009 in Leipzig
CAE-Weiterbildung
08 Das CAE-Training eFEM für Praktiker: Simulation verstehen
09 Berufsbegleitendes CAE-Studium: Der praktische Weg zum Spezialisten
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
10 FEM-Simulation: Überall zuhause
11 Time for ANSYS: ANSYS at Audemars Piguet & Cie. S.A.
14 ANSYS Simulation in Reinkultur bei der V-ZUG AG
16 Hansgrohe: Ein Fall für ANSYS Explicit
18 Effizienzverbesserung von Staubsaugergebläsen
20 Integrative Simulation mit Digimat bei MIELE
22 Black & Decker ... & LS-DYNA
24 Wenn ein LAMY Schreibgerät auf den Boden fällt ...
ANSYS & Neue ANSYS Produkte
28 ANSYS & CADFEM: Ihr Competence Center FEM
30 Elektromagnetische Feldsimulationen mit Maxwell
31 Simulation von mechatronischen und Multi-Domain-Systemen mit Simplorer
32 Integrierte Betriebsfestigkeitsanalyse mit ANSYS nCode DesignLife
33 Mehrkörpersimulation mit ANSYS Rigid Dynamics
34 Simulation von Faserverbundwerkstoffen mit ANSYS Composite PrepPost
35 Aufbereitung von CAD-Geometrien mit ANSYS SpaceClaim
36 Vertiefungs- und Effizienzseminare: Noch mehr herausholen aus ANSYS!
38 High Performance Computing mit ANSYS
40 ANSYS Workbench: Noch flexibler durch Diffpack-Integration
42 Die CADFEM Toolbox zur Erweiterung von ANSYS Workbench
44 Mikromechanische Untersuchung von faserverstärkten Kunststoffen mit ANSYS HPC
Grundlagen und Technologie
46 3D-Kunststoffdruck: Materialsimulation auf multiplen Skalen
48 Nichtlinearitäten in der strukturmechanischen FEM-Berechnung
54 Veranstaltungen
55 Neue Fachzeitschrift: CAME – Computer Aided Medical Engineering
56 Bestellformular für Bücher und Software
U2 Anzeige Microsoft
U3 Anzeige Hoppenstedt Publishing
U4 Adressen
Impressum
Herausgeber:
CADFEM GmbH
Marktplatz 2
85567 Grafing b. München
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-0
Fax +49 (0) 80 92-70 05-77
E-Mail marketing@cadfem.de
www.cadfem.de
Anzeigen/Koordination/Redaktion:
Alexander Kunz, akunz@cadfem.de
Christoph Müller, cmueller@cadfem.de
Titelbild:
V-ZUG AG, Zug (CH)
Layout:
christian loose grafik design, Aßling/Lorenzenberg
Produktion:
Bechtle Druck & Service, Esslingen
Auflage 35.000 Exemplare
Copyright:
© 2010 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten.
Gedruckt in Deutschland. Jede Verwertung außerhalb
der engen Grenzen des Urheberrechtsschutzes ist
ohne Zustimmung der CADFEM GmbH unzulässig.
Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Warenzeichen/eingetragene Warenzeichen:
ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS,
ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics,
ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench,
ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN,
ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft
Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer,
RMxprt, PExprt, ANSYS nCode DesignLife, ANSYS
Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite
PrepPost, ANSYS HPC und alle Produkt- oder Dienstleistungsnamen von ANSYS, Inc. sind registrierte
Warenzeichen oder Warenzeichen von ANSYS, Inc.
und Ansoft Corp.. LS-DYNA, LS-OPT und LS-PrepPost
sind registrierte Warenzeichen der Livermore Software
Technology Corp..
Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamen sind
Warenzeichen oder registrierte Warenzeichen ihrer jeweiligen Eigentümer. Aus dem Fehlen der Markierung
kann nicht geschlossen werden, dass eine Bezeichnung ein freier Warenname ist. Irrtümer und Änderungen vorbehalten.
Trademarks:
ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS,
ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics,
ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench,
ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN,
ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft
Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer,
RMxprt, PExprt, ANSYS nCode DesignLife, ANSYS
Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite
PrepPost, ANSYS HPC and all ANSYS, Inc. product and
service names are registered trademarks or trademarks
of ANSYS, Inc. and Ansoft Corp.. LS-DYNA, LS-OPT,
and LS-PrepPost are registered trademarks of
Livermore Software Technology Corp..
All other trademarks or registered trademarks are the
property of their respective owners. Missing trademark
symbols do not indicate that names of companies or
products are not protected. All information subject to
mistakes and alteration.
Infoplaner 01/2010
5
CADFEM
CADFEM Consulting
Simulation mit Tiefgang
Ein nicht alltägliches Projekt wurde im vergangenen Jahr an das CADFEM Consulting herangetragen:
Die holländische Dutch Amphibious Transport Vehicles BV (DATV) aus Nijmegen nahm die Dienste des
CADFEM Consulting Teams in Anspruch, um ein außergewöhnliches Buskonzept zu realisieren, den Amfibus.
Neben der Ermittlung eines optimalen
Designs für das Amphibienfahrzeug, das
zusätzlich zum „normalen“ Straßenverkehr,
auch den festen Untergrund verlassen und
seine Reise „im Tiefgang“ durch Flüsse und
andere Gewässer hindurch fortsetzen kann,
mussten auch die notwendigen Zulassungsnachweise auf dem Wege der Simulation mit LS-DYNA erbracht werden.
Der Amfibus kann bis zu 45 Passagiere
transportieren. Das Fahrzeug basiert auf
einem Volvo-Chassis und einem Schiffskörper. Beim Übergang von der Straße in
ein Gewässer aktiviert der Fahrer ein doppeltes Wasserdüsenaggregat, was den Amfibus beim Flussübergang zu einer echten
Alternative zu einer traditionellen Fähre
macht. Zudem eröffnet er dem Tourismus
ganz neue Perspektiven – man denke an
eine Stadtrundfahrt durch die Amsterdamer Grachten.
6
Infoplaner 01/2010
Der Amfibus beim Wechsel vom Wasser auf die Straße
Realtest des Busumsturzes
Das Berechnungsprojekt
Analysiert wurde vom CADFEM Consulting
Team das Busumsturzszenario des Amphibienbusses nach den ECE.R66 Regularien
der UNECE (United Nations Economic Commission for Europe).
zu erteilen. Insbesondere Eindringungen in
den festgelegten Überlebensraum der Passagiere sind nach den Regularien nicht
zulässig.
Die Erfüllung der in der ECE R66 Regularien festgelegten Kriterien ist notwendig,
um Busfahrzeugen die Straßenzulassung
Die Berechnung des Busumsturzes wurde
mit LS-DYNA durchgeführt und im Anschluss durch den RDW (Rijksdienst voor
het Wegverkeer) in den Niederlanden begutachtet.
CADFEM
www.datbv.com
Foto: Dutch Amphibious Transport Vehicles BV
i
| Information
Ansprechpartner CADFEM Consulting
Deutschland
Dr.-Ing. Marold Moosrainer
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45
E-Mail mmoosrainer@cadfem.de
Oder via CADFEM CAE-Line
Tel. +49 (0) 800-6 64 87 58
E-Mail consulting@cadfem.de
Simulationsergebnis des Busumsturzes
Minimaler Abstand zum Überlebensraum in der endgültigen
Variante des Busses.
Schweiz
Philipp Huber
In Zusammenarbeit mit dem Kunden wurden auf Basis der Ergebnisse der Simulationen verschiedene konstruktive Varianten analysiert bis die Erfüllung der ECE.R66
Regularien durch die Simulation gewährleistet werden konnte. Auch wurden dem
RDW die Berechnungen präsentiert und in
Detailfragen so aufgelöst, dass eine Zertifizierung nach den ECE R66 Regularien erfolgen konnte.
Durch die Simulation des Busumsturzes
konnte die Anzahl der notwendigen Realtests deutlich reduziert werden. Basierend
auf den Berechnungsergebnissen wurde
die Zulassung durch den RDW erteilt.
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06
E-Mail philipp.huber@cadfem.ch
Österreich
Christoph Schlegel
Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-12
Auf zusätzliche Realtests des gesamten Bus<<
ses konnte verzichtet werden.
E-Mail christoph.schlegel@cadfem.at
Informationen zum Amfibus
www.datbv.com
Infoplaner 01/2010
7
CAE-Weiterbildung
CAE-Training:
Simulation verstehen
„eFEM für Praktiker“ vermittelt Konstrukteuren, Versuchsingenieuren und Technikern die Grundlagen der FEMSimulation in einer praxisorientierten, flexiblen und effizienten Kombination aus e-Learning und Präsenzseminaren. Der intensive Lerndialog und eine konsequente Begleitung durch einen Tutor sichern den Lernerfolg.
Warum kann das CAE-Training „eFEM für
Praktiker“ für Sie als Konstrukteur, Versuchsingenieur oder Techniker eine wichtige Zusatzqualifikation sein? Weil Wissen
auf dem Gebiet der Simulationstechnik für
Sie bedeutet, ein noch besseres Verständnis Ihrer Bauteile und Baugruppen zu entwickeln. Sie können diesen und andere Vorteile, die sich durch den Einsatz der Simulation ergeben, konsequent in Ihrer täglichen Arbeit nutzen. Das gezielte Vermeiden möglicher Fehlerquellen erhöht zudem
die Qualität Ihrer Produkte. Ziel dieses neuen CAE-Trainingsangebotes von esocaet
(European School of Computer Aided Engineering Technology) ist es, dass Sie Simulationsaufgaben im Bereich der linearen Strukturmechanik selbstständig und
Ressourcen sparend lösen können.
Kursinhalt
Im Laufe des Kurses erwerben Sie folgende Fähigkeiten:
• Festlegung der Simulationsziele
• Grundkonzepte der Finite-ElementMethode
• Import von CAD-Daten und deren
Aufbereitung
8
Infoplaner 01/2010
• Richtiges Erfassen auftretender
Belastungen
• Durchführung geeigneter mechanischer Validierungsberechnungen
• Ergebnisauswertung und -dokumentation
• Vermeidung typischer Fehler
Das erworbene Wissen vertiefen Sie in einer
abschließenden Fallstudie: Anhand eines
realen Bauteils führen Sie eine umfassende FE-Simulation durch.
FEM-Ausbildung am Arbeitsplatz
oder zu Hause
• Praxisorientierte Vermittlung der
Lehrinhalte
• Intensiver Lerndialog durch kleine
Lerngruppen
• 140 Lerneinheiten in 3 Monaten
(ca. 8 Stunden/Woche)
• Zeitliche Flexibilität durch e-Learning
• 3 Präsenzseminare & regelmäßige
Onlinesprechstunden
• Kontinuierliche Unterstützung
durch Tutoren
Für die Teilnahme am e-Learning benötigen
Sie einen Rechner mit Browser und Breitbandinternetanschluss. Bei Bedarf können
wir Ihnen für die Kursdauer den Zugriff auf
eine Trainingslizenz gewähren.
Zielgruppe
• Konstrukteure
• Versuchsingenieure
• Techniker
Kosten
3.200,– EUR (inkl. MwSt.)
Der Kurs ist nach AZWV zertifiziert.
i
| Information
Kurse
ab 17. Juni 2010 in Grafing
ab 30. September 2010 in Dortmund
Firmenschulung auf Anfrage
Teilnahmevoraussetzungen
Für die erfolgreiche Teilnahme am Kurs
benötigen Sie grundlegende Mechanikkenntnisse aus einer technischen Ausbildung. Auch sollten Sie mit der Handhabung
einer gängigen CAD- und Internetsoftware
(Browser, E-Mail, Texteditor) vertraut sein.
Ansprechpartner
Anja Höller
CADFEM GmbH
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-74
E-Mail info@esocaet.com
www.esocaet.com/eFEM
CAE-Weiterbildung
CAE-Studium:
Der praktische Weg zum Spezialisten
Mit dem zweijährigen berufsbegleitenden Master-Studiengang der esocaet (European School of Computer
Aided Engineering Technology) besteht eine einzigartige Möglichkeit, Arbeiten und praxisorientiertes Studieren
miteinander zu verbinden, um den staatlich anerkannten Abschluss als „Master of Engineering“ zu erlangen.
esocaet ist ein Geschäftsbereich der
CADFEM GmbH, der sich auf die softwareunabhängige CAE-Weiterbildung spezialisiert hat. Der Master-Studiengang „Applied
Computational Mechanics“ wird in einer
so genannten Private-Public-Partnership
gemeinsam mit den Hochschulen Ingolstadt und Landshut angeboten. Im September 2010 startet zum sechsen Mal der
englischsprachige Kurs, den bisher insgesamt mehr als 50 Studierende aus Europa,
Asien und Amerika belegten.
Der modulare Aufbau des CAE-Studiums
berücksichtigt umfassende und tiefgehende Lehrinhalte aus den verschiedenen Anwendungsbereichen der Simulation innerhalb der virtuellen Produktentwicklung. Dabei werden sowohl die theoretischen
Grundlagen als auch die industrieorientierten praktischen Anwendungen vermittelt.
Für Ingenieure mit Berufserfahrung
Das Angebot wendet sich an Ingenieure mit
Berufserfahrung, die sich berufsbegleitend
weiterbilden wollen. Vorausgesetzt werden
ein erster Hochschulabschluss und anschließende Berufserfahrung. Diese ist eine
äußerst sinnvolle Grundlage, um die Lehrund Praxisangebote der Masterausbildung
möglichst umfassend nutzen zu können.
Qualifizierte Weiterbildung
Mit den Hochschuldozenten aus Ingolstadt
und Landshut, aber auch aus anderen
Hochschulen und Universitäten sowie CAESpezialisten aus unterschiedlichen Industriebranchen wird eine qualifizierte Ausbildung in kleinen Gruppen mit ca. 10-15
Studierenden organisiert, die aus Vorlesungen, praktischen Übungen und Laboreinheiten besteht. Dadurch kann eine be-
sonders intensive Betreuung der Teilnehmer abgesichert werden. Dies ist sinnvoll,
da es sich um ein sehr anspruchsvolles Studium handelt, das viel Energie und Engagement erfordert. Für die Arbeitgeber der
Studierenden zahlt sich die Zeitinvestition
hier aus, schließlich werden aktuelle Simulationsprobleme mit den erfahrenen
Lehrkräften aus Wissenschaft und Industrie
diskutiert.
Praxisorientierung
Die Praxisorientierung des Studiums bezieht sich aber auch auf „Randthemen“,
mit denen sich jeder versierte Simulationsspezialist beschäftigen sollte: Qualitätsmanagement, Prozessentwicklung, Projektmanagement, Teambildung sowie der
generellen Organisation des Produktentstehungsprozesses von der Idee über die
Konstruktion bis zur Fertigung.
Die 28 Absolventen, die den Master-Studiengang schon erfolgreich abgeschlossen
haben – 25 weitere Studenten sind zur Zeit
in der berufsbegleitenden CAE-Weiterbildung – sind bestens ausgebildet, um Positionen als qualifizierte CAE-Spezialisten,
Projektmanager oder Entwicklungsleiter zu
übernehmen. Da die international anerkannte Ausbildung in englischer Sprache
durchgeführt wird, können so auch geeignete Mitarbeiter von ausländischen
Niederlassungen (Osteuropa, Asien, Südamerika usw.) während eines unternehmensinternen Trainee-Programms ausgebildet werden.
Lohnende Investition
Auf den ersten Blick mögen die Gebühren
von 5.000 Euro pro Semester relativ hoch
erscheinen, wenn sie mit rund 500 Euro
Semesterbeitrag einer staatlichen Universität verglichen werden. Beim genaueren
Hinsehen ist jedoch schnell erkennbar, dass
die höhere Summe gut angelegt wurde:
Der Absolvent eines Bachelor-Studiengangs
oder eines ähnlichen Studiums steigt (zwei
Jahre) früher ins Berufsleben ein, und sorgt
folglich auch schon früher für seine Rente, als derjenige, der sofort nach dem ersten Studienabschluss mit einer Masterausbildung beginnt. Unterm Strich entsteht
so für Master-Absolventen eines berufsbegleitenden Studiums schon nach wenigen Jahren, trotz der Bezahlung der Studiengebühren, ein erhebliches Plus auf
ihrem Konto. Außerdem sind Aufwendungen für diese Weiterbildung in der Regel steuerlich absetzbar.
Oft übernimmt der Arbeitgeber aber auch
einen Teil der Kosten für das Masterstudium, weil er direkt von der zusätzlichen
Qualifikation des Mitarbeiters profitiert.
<<
✒|
Autor
Gerhard Friederici
i
| Information
Bewerbung
bis zum 15. Juni 2010 möglich
Ansprechpartner
Anja Vogel
CADFEM GmbH
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-52
E-Mail info@esocaet.com
www.esocaet.com/studium
Infoplaner 01/2010
9
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
FEM-Simulation: Überall zuhause
In der produzierenden Industrie sind Simulationsprodukte von CADFEM praktisch in allen Branchen anzutreffen. Die Anwendungsbreite von ANSYS und komplementären Tools macht dies möglich. Sie ist auch der
Garant dafür, dass ANSYS, LS-DYNA und Digimat innerhalb einer Branche für sehr vielfältige und komplexe
Aufgabenstellungen herangezogen werden. Ein Streifzug durch die Konsumgüterbranche zeigt das Spektrum bei führenden Markenartikelherstellern.
Auf den folgenden Seiten geben namhafte Hersteller von höchst unterschiedlichen
Haushaltsgeräten und Gütern des täglichen
Lebens Einblick in ihre Entwicklungsprozesse. Sie haben gemeinsam, dass dabei
Simulationstechnologien und Dienstleistungen von CADFEM und ANSYS eine
wichtige Rolle spielen.
Wie die Beispiele aus den Bereichen Uhren, Haushaltsgeräte, Sanitär oder Schreibgeräte zeigen, ist ANSYS längst auch in der
Konsumgüterbranche zuhause. Ausnahmen bestätigen die Regel, rücken doch die
Beiträge von Black & Decker und Miele die
CADFEM Simulationslösungen LS-DYNA
und Digimat in den Mittelpunkt, wobei
auch diese Unternehmen darüber hinaus
<<
auf ANSYS setzen.
Uhren: Time for ANSYS
ANSYS, LS-DYNA und optiSLang in der Uhrenentwicklung bei Audemars Piquet & Cie. SA
Seite 11 – 13
Haushaltsgeräte: ANSYS Simulation in Reinkultur
Entwicklungsbegleitende ANSYS Anwendungen bei der Schweizer V-ZUG AG
Seite 14 – 15
Sanitär: Ein Fall für ANSYS Explicit
Falltestsimulation von Duschköpfen bei Hansgrohe
Seite 16 – 17
Effizienzverbesserung von Staubsaugergebläsen
Strömungssimulation mit ANSYS CFX
Seite 18 – 19
Haushaltsgeräte ll: Integrative Simulation mit Digimat bei Miele
Berücksichtigung des Spritzgusses in der Festigkeitsberechnung
Seite 20 – 21
Bohrhämmer: Black & Decker ... & LS-DYNA
Sicherstellung der strukturmechanischen Robustheit von Außenstruktur,
Hammerantrieb und Werkzeughalter
Seite 22 – 23
Wenn ein LAMY Schreibgerät auf den Boden fällt ...
Aufprallsimulation eines Drehbleistiftes von LAMY
Seite 24 – 25
10
Infoplaner 01/2010
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Time for ANSYS
Dimensioning and Optimization of Flexible Watch Industry Mechanical
Components with ANSYS/LS-DYNA, ANSYS Workbench and optiSLang
Watch industry mechanisms involve a large number of high precision flexible pre-constrained mechanical
components. Using traditional prototyping, the definition of non-deformed geometries for production is a
costly manual iterative process. The use of non-linear finite elements modeling improves this process and the
coupling of the finite elements codes to a stochastic optimization toolbox like optiSLang makes it automatic
and more robust.
Finite elements modeling provides an important contribution to the development
process at Audemars Piguet & Cie SA. Virtual prototyping is used to anticipate dimensioning problems and therefore reduce
the number of prototypes.
Amongst the wide range of components
constituting a bracelet watch, three key
mechanisms are presented below as examples where numerical simulation is used
nowadays.
Optimization of a Date Mechanism
with ANSYS/LS-DYNA
Figures 1a and 1b show the mechanism
that allows changing the date display every
24 hours. This mechanism is composed of
three main parts;
The mechanisms used in this study belong exclusively to
Audemars Piguet & Cie SA (www.audemarspiguet.com).
Pictures: Audemars Piguet & Cie SA
1. The display disc
2. The trigger bloc (that stores
energy and transfers it to the
display disc)
3. The jumper bloc (that brakes
the display disc)
Fig. 1a: Loaded date mechanism at time t=0.01s.
(display disc diameter = 12 mm
Fig. 1b: Zoom on the trigger bloc (cam diameter = 2.2 mm)
A cycle of this mechanism starts with
the loading of the trigger spring.
When the date has to change, the
cam blocking spring releases the pin
and the potential energy stored in the
trigger spring rotates the cam and its
finger that pushes a tooth of the display disc. The resulting rotation of the
display disc is braked by the jumper
and its spring so that only one tooth passes
the jumper and therefore the date changes by only one increment.
The complexity of this mechanism resides
in the need of setting and balancing the
way the energy is released by the trigger
string and the way the energy is dissipated
in the jumper bloc so that the date change
occurs instantaneously to the eye (typically within 0.015 s) but robustly enough so
that the display never jumps a date.
The geometrical shapes of the jumper
spring, the jumper and the trigger spring
were optimized with a three dimensional
Infoplaner 01/2010
11
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
dynamic model created with ANSYS/
LS-DYNA (fig. 1). The calculated angular
velocity of the display disc (fig. 2) shows a
positive acceleration of the disc by the trigger bloc (a-b), a sudden reversed accele-
piece via a pin. The pull-out piece can rotate on a fixed axis but is constrained by
the spring that pushes on a pin at its end
and therefore sets its actuation moment.
The maximum traction force on the win-
ces set within 2% of the required value
while the maximum stress was 10% smaller than the value calculated with the initial geometry (fig. 5). The mechanism was
produced and fulfilled expectations.
Fig. 2: Display disc angular velocity. A positive velocity means
a clockwise rotation on figure 1a.
ration when tooth 2 (fig. 1a) bounces on
the steep face of the jumper (b-c), a positive acceleration again when tooth 1 touches the jumper again (c-d) and a final stabilization between teeth 1 and 2 (d-e). The
loading moment of the trigger spring was
measured experimentally and is in good
agreement with the simulated values (fig.
3). Furthermore, the pre-series mechanism
that was produced based on the design
obtained with ANSYS/LS-DYNA has fulfilled acceptance criteria and allowed launching production without any further prototype.
Force Tuning of a Set Time Mechanism
with ANSYS Workbench and optiSLang
Figure 4 shows the set time mechanism
connected to the pull-out button of a
watch. The button actuates a winding shaft
that can be pulled up to its stop position;
its rotation then allows time setting. The
winding shaft is connected to the pull-out
Fig. 3: Comparison between simulated and measured trigger
bloc moments.
12
Infoplaner 01/2010
Fig. 4:
Set time mechanism
ding-shaft has to be 5N in order to ensure
a good sensitivity when pulling with the
fingers on the set time button. At the same
time, stresses in the spring have to remain
below the yield strength.
Fig.5: Spring initial shape (left) and tuned shape (right). The
A two dimensional parametric model of
the spring and its non-linear frictional
contact with the pin of the pull-out piece
was created with ANSYS Workbench and
coupled to optiSLang via the optiPlug interface. This allowed to run an automatic
parametric optimization of the spring‘s
shape based on eight geometrical input
parameters and three objectives:
1. Set the traction force
2. Set the pulling force
3. Minimize structural stresses
The optimization algorithm chosen was an
adaptive response surface method. After
91 automatic design evaluations, the resulting design had traction and pulling for-
pin of the pull-out piece is at the force inversion position
where stresses reach their maximum. The positioning and
angle of the two flat contact faces of the spring determine
the pull and push forces.
Robust Design Optimization of a Glass
Driving Process with ANSYS Workbench and optiSLang
Tightness between glass and watch-case
is ensured by a flexible joint (fig. 6). The
force needed to remove the glass has to
be maximized whereas the force required
to drive the glass should be minimized.
Plastic deformations in the joint (fig. 7) as
well as stresses in the glass and watch-case
should also be minimized.
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Fig. 6: Bodies taken into account in the model of a glass
Fig. 7: Typical results for the equivalent plastic strain in the
Fig. 8: Result of the Pareto optimization in optiSlang. The pro-
driving.
Hytrel joint a) during the driving process b) with the glass
bability density function for the maximum stress in the watch-
mounted c) after having removed the glass. All plots use the
case obtained with a robustness analysis for design 203 has
same scale.
been inserted.
In addition to this intuitive qualitative statement, optiSLang delivered quantitative
correlation values that helped defining objective functions for the optimization.
design along this front is motivated by the
need to increase the force (move towards
the left) while maintaining the stress low
enough (move down on the graph).
Due to these output parameters correlations, a Pareto optimization with two
objective functions was chosen; the first
objective is a weighted function of the
removal force and of the difference between driving and removal force. The second objective function is simply the sum
of stresses in the watch-case and in the
glass. After 209 design evaluations, the
result of this optimization, based on an
evolutionary algorithm, is a Pareto front
with designs that minimize both objectives
(fig. 8). In this case, the choice of a best
After having selected a candidate design
on the Pareto front, a robustness analysis
was run for this design. Probability density functions were defined for each input
parameter, including material properties.
The resulting output parameter probability density functions could then be integrated in optiSLang in order to get the probability of being higher than a given stress
threshold. This failure probability gives
quantitative information on whether the
design is sufficiently robust or not. In this
case, the failure probability of design
number 203 was 20% for gold (inacceptable) and negligible for steel (see 250 MPa
limit on the probability density function of
<<
fig. 8).
A quasistatic two dimensional axisymmetric
parametric model was created with ANSYS
Workbench and coupled to optiSLang in
order to run three different analyses on the
model:
1. A sensitivity analysis
2. A Pareto optimization
3. A robustness analysis
Amongst a list of 16 geometrical input
parameters (dimensions of glass, joint and
watch body), the sensitivity analysis delivered a list of 8 most important geometrical dimensions. According to the statistical linear coefficient of importance calculated by optiSLang, these parameters determine 86% of the maximal withdrawal
force, 77% of the maximum glace stress
and 65% of the joint maximum plastic
strain. In addition to the selection of a
subset of most relevant parameters,
the sensitivity analysis allowed to
gain understanding of the physical system. For instance, the correlations between outputs can
be seen at a glimpse in the
optiSLang post processing.
In this case, output values that have to be minimized (stresses and
strain) and the output value that has
to be maximized
(removal force) are
positively correlated between each
other, which means
that attempting to maximize the force will also maximize the stresses and strains.
✒|
Authors
Tiavina Niaritsiry, Audemars Piguet SA
E-Mail tiavina.niaritsiry@audemarspiguet.com
www.audemarspiguet.com
Joël Grognuz, CADFEM (Suisse) AG
E-Mail joel.grognuz@cadfem.ch
i
| Information
Contact
Roberto Rossetti, CADFEM (Suisse) AG
Phone +41 (0) 21-601-70-80
E-Mail roberto.rossetti@cadfem.ch
Infoplaner 01/2010
13
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
ANSYS Simulation in Reinkultur
Die V-ZUG AG ist Schweizer Marktführer im Bereich Haushaltgeräte. V-ZUG entwickelt, produziert und vertreibt hochwertige Geräte für Küche und Waschraum. Seit 2007 setzt V-ZUG auf CADFEM und auf ANSYS.
Eine Erfolgsgeschichte.
ANSYS Workbench wurden weitere FEMLösungen im Detail evaluiert. Als Testpersonen wurden neben dem langjährigen Berechnungsexperten auch zwei Konstrukteure mit nur wenig FEM-Erfahrung herangezogen. Die Testperiode, verknüpft mit
einer vorangehenden, individuellen Einführung, dauerte einen Monat. Während
dieser Zeit wurden die Lösungen intensiv
getestet und verglichen. Die Entscheidung
zu Gunsten von ANSYS Workbench fiel aufgrund folgender Kriterien:
• Benutzerfreundlichkeit:
Obwohl ANSYS Workbench nicht dem
Look & Feel der gewohnten CAD-Oberfläche entsprach, fanden sich die Konstrukteure schnell zurecht.
Bild 1: FEM-Gesamtsystem einer V-ZUG Waschmaschine (Bilder: V-ZUG AG)
In jedem zweiten Schweizer Haushalt hilft
ein ZUGer Gerät beim Kochen, Braten,
Backen, beim Geschirrspülen, beim Waschen oder beim Trocknen. Wenn die 1913
gegründete V-ZUG AG die Bedeutung ihrer Position nicht nur erhalten, sondern sogar ausbauen konnte, so vor allem, weil
die Wasch- und Küchengeräte aus Zug eine Philosophie widerspiegeln, die besonders auf die Wünsche des Schweizer Käufers zugeschnitten sind. Dazu gehören vor
allem Sparsamkeit im Gebrauch, Langlebigkeit und ein schonender Umgang mit
14
Infoplaner 01/2010
Ressourcen. Seit 1996 werden Berechnungen in der Entwicklung eingesetzt. Im
Jahre 2007 wurde das Simulationsportfolio
unter Berücksichtigung neuer Anforderungen einer gründlichen Prüfung unterzogen. Der Einsatz von Simulationswerkzeugen in der Konstruktion und in der Entwicklung wurde forciert. Bereits während
den ersten Konstruktionsideen sollte der
Entwicklungsprozess durch Simulationen
unterstützt und beschleunigt werden. Die
Vielfalt und Häufigkeit der Berechnungsaufgaben erforderte es, die Simulationswerkzeuge in der Konstruktionsabteilung
breiter zugänglich zu machen. Es war
schlicht nicht mehr möglich, alle anfallenden Berechnungsaufgaben durch den FEMSpezialisten alleine abzudecken. Für CADnahe Berechnungen musste demzufolge
für die sporadischen Anwender aus der
Konstruktion – V-ZUG nutzt CATIA V5 –
ein neues und besonders benutzerfreundliches CAE-Tool gefunden werden.
ANSYS Workbench überzeugte bei der
Umsetzung aller Anforderungen. Neben
• Zusammenarbeit zwischen Konstruktion und Berechnungsspezialisten:
Die ANSYS Workbench deckt sowohl die
Bedürfnisse von konstruktionsbegleitender Berechnung wie auch die Ansprüche von komplexen Berechnungsaufgaben ab.
• Lokaler Support
Ausschlaggebend war zudem, dass mit
CADFEM ein lokaler Ansprechpartner
verfügbar vorhanden ist, der mit ergänzenden Dienstleistungen wie Support,
Seminare und Consulting die Anwender
flexibel und kompetent unterstützen
kann.
• CAD-Integration
Die Anbindung des CAD an die Simulationsumgebung (Workbench) erfolgt
über die assoziative CATIA-CADNEXUS
Schnittstelle. Der Datenaustausch zwischen allen gängigen MCAD Systemen
und Workbench entspricht dem einer
„integrierten“ Schnittstelle. Diese Integration erlaubt Parameteraustausch und
Optimierung. Schnelle Variantenrechnungen, die Basis für eine effiziente Entwicklung, werden somit möglich.
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Bild 2:
Dynamische Berechnungen
am Schwingsystem
Leiser Schleudern
Der Bereich der Anwendungen bei V-ZUG
ist sehr vielfältig. Von linearen, statischen
Berechnungen, über dynamische Systembetrachtungen bis hin zu komplexen nichtlinearen Berechnungen. Eine qualitativ wichtige Eigenschaft einer Waschmaschine ist
der ruhige Lauf während des Schleuderns
der nassen Wäsche. Aufgrund der Unwucht
(= die exzentrisch liegende nasse Wäsche)
erzeugt das System Schwingungsamplituden, welche über eine geeignete Aufhängung gemindert werden müssen. Es gilt zu
vermeiden, dass das gesamte System in Resonanz gerät. Kritische Eigenfrequenzen
bedeuten für die einzelnen Bauteile zu hohe Belastungen für deren Lebensdauer. Von
großem Interesse ist auch, wie sich das
System beim Hochfahren bis zur Schleuderdrehzahl verhält. Dazu wird mittels harmonischer Anregung das System in Schwingung gebracht. Die resultierenden Verformungen und Beanspruchungen in den beteiligten Bauteilen werden bestimmt und
gegebenenfalls wird die Konstruktion angepasst. Mit diesem Berechnungsmodell
lassen sich noch nicht alle physikalischen
Phänomene abbilden. Als nächster Schritt
erfolgen bei V-ZUG transiente Analysen.
Um die Schwingungsamplituden während
eines Schleudervorgangs zu reduzieren, entwickelte V-ZUG das innovative und weltweit erste Vibration Absorbing System
(VAS). Dieses System gleicht aktiv die Unwucht während des Schleuderns aus. Dadurch können die auftretenden Schwin-
gungen eliminiert und der erzeugte Körperschall reduziert werden.
Dicht Dank SOLID285
Mit dem Release ANSYS 12.0 hielt neben
vielen neuen Features auch ein neues Element (Solid285) Einzug. Dieses Element,
ein lineares Tetraeder-Element mit zusätzlichem Druckfreiheitsgrad, eignet sich hervorragend für die Analyse von Gummibauteilen mit sehr großen Dehnungen
(> 100%). Im Gegensatz zu Hexaeder-Elementen und auch Elementen mit quadratischen Ansatzfunktionen, sind wesentlich
höhere Deformationen möglich, bei einem
stabileren Konvergenz-Verhalten. Skeptiker von linearen Tetraeder-Elementen seien beruhigt. Die Genauigkeit von SOLID285
leidet nicht unter seiner hohen Effizienz.
Als idealer Prüfstein für dieses neue Element bot sich bei V-ZUG die Gummidichtung zwischen oszillierendem Bottich und
Gehäuse an. Kostbare Zeit konnte bereits
bei der Vernetzung eingespart werden. Vor
ANSYS 12 mussten Hexaeder-Elemente eingesetzt werden, dies bedeutete erheblichen Aufwand auf der Seite des Anwenders. Nun lassen sich auch komplexe Geometrien automatisch mit SOLID285 Tetraedern vernetzen. Die Berechnung der Gummidichtung erfolgte quasi-statisch. In einem ersten Lastschritt wird das Aufspannen des Balges und das Verpressen durch
Schließen der Waschmaschinentüre simuliert. Nachfolgend wird der Bottich in 8
Schritten in einer exzentrischen Kreisbahn
verschoben. Untersucht werden dabei die
Faltenbildung und die auftretende Beanspruchung des Balges. Die Übereinstimmung mit früheren Berechnungen und mit
Versuchen war sehr gut. Somit konnten
viele Design-Varianten in kurzer Zeit gerechnet und der Entwicklungsprozess
beschleunigt werden. Die Hausfrau, der
Hausmann kann sich gut vorstellen, dass
sich ein undichter Balg nachhaltig auf das
Image des Waschmaschinenherstellers auswirken würde. Das Image von V-ZUG in der
Schweiz ist, auch dank umfangreicher Simulationen, sehr gut!
Saubere Lösung für Entwickler
und Kunden
Die Wahl von V-ZUG, ANSYS als umfassendes Berechnungstool zu nutzen, hat
sich als gut erwiesen, denn ANSYS Structural für den FEM-Spezialisten und ANSYS
DesignSpace für den Konstrukteur eignen
sich bestens für die hohen Anforderungen
an Qualität und Effizienz bei V-ZUG.
CADFEM hat sich als zuverlässiger Partner
im Berechnungsalltag etabliert. Die Anzahl
der Simulationen von Geometrievarianten
konnten gegenüber dem Vorgängersystem
wesentlich gesteigert werden. Unbekannte Effekte wurden sichtbar und erklärbar.
Das gewonnene Wissen und Know-how
fließen direkt in die zukünftigen V-ZUG
Geräte ein, zum unmittelbaren Nutzen von
fleißigen Hausfrauen und Hausmännern.
<<
✒|
Autoren
Hilmar Meienberg, V-ZUG AG
Urs Bänninger, CADFEM (Suisse) AG
Bild 3: Gummibalg dank SOLID285 schnell und genau berechnet
www.vzug.ch und www.vzug.com
Infoplaner 01/2010
15
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Ein Fall für ANSYS Explicit
Innovativ und technisch führend sind bei Hansgrohe nicht nur die Produkte, sondern auch die
Entwicklungsmethoden. In einem Gemeinschaftsprojekt mit CADFEM wurde eine neue Handbrause am
virtuellen Prototypen mit dem Programm ANSYS Explicit STR verschiedenen Falltest-Szenarien unterzogen.
Als Innovator und technologieorientiertes
Unternehmen ist die rechnerische Simulation bei Hansgrohe seit Jahren fest im Produktentstehungsprozess verankert. Bei der
Auslegung und Optimierung der innovativen Armaturen- und Brausesysteme nutzt
das Entwicklungsteam in der Zentrale in
Schiltach intensiv die Simulationsplattform
ANSYS Workbench für verschiedene strukturmechanische, thermische oder strömungsmechanische Fragestellungen. Längst
hat sich ANSYS Workbench zum zentralen
CAE-Tool bei Hansgrohe entwickelt. Insbesondere durch die funktionelle Anbindung an die CAD-Umgebung und die ge-
Das Unternehmen Hansgrohe mit Stammsitz in Schiltach im Schwarzwald hat sich
in seiner über 100-jährigen Firmengeschichte innerhalb der Sanitärbranche den
Ruf als einer der Innovationsführer in Technologie und Design erworben. Mit seinen
Brausen, Armaturen und Duschsystemen
schafft Hansgrohe die Originale, die das
Bad funktionaler, komfortabler und schöner machen. 2007 erwirtschaftete das
Unternehmen mit seinen Marken Axor,
Hansgrohe, Pharo und Pontos einen Umsatz von rund 661 Mio. Euro, im Vergleich
zum Vorjahr ein Plus von 16 Prozent. Weltweit beschäftigt die Hansgrohe Gruppe
heute rund 3.200 Mitarbeiterinnen und
Mitarbeiter, davon etwa zwei Drittel im Inland. Das Unternehmen, das intensiv gegen Plagiate und Ideenklau vorgeht, produziert in sechs deutschen Werken, in
Frankreich, in den Niederlanden, in den
USA und in China.
16
Infoplaner 01/2010
koppelten Analysemöglichkeiten zwischen
Strömungs- und nichtlinearer Strukturmechanik gewinnen die Entwickler in einem
frühen Stadium wichtige Erkenntnisse über
das Funktionsverhalten der künftigen Produkte und reduzieren Optimierungsschleifen an den Nullserienteilen.
Falltest Handbrause
Mit der Entscheidung, die neuste Brausengeneration auch komplexen Falltestsimulationen zu unterziehen, hat Hansgrohe einmal mehr als einer der ersten der Sanitätsbranche einen neuen Weg eingeschlagen. In einem Gemeinschaftsprojekt
mit dem langjährigen Partner des Unternehmens im Bereich der FEM-Simulation,
der CADFEM GmbH, wurde die Handbrause „PuraVida“ verschiedenen Aufprallszenarien ausgesetzt. Ziel war, bereits
vor dem Bau erster Prototypen das Verhalten des Produktes unter extremen Be-
lastungen, wie sie beim Aufprall entstehen, kennenzulernen und daraus gegebenenfalls Konsequenzen abzuleiten.
Für Crash-Simulationen, d.h. der Abbildung
hochgradig nichtlinearer, transient-dynamischer Vorgänge, empfiehlt sich grundsätzlich die Verwendung eines expliziten
FE-Solvers. Bedenkt man, dass die überwältigende Mehrheit der Unternehmen,
die FEM-Simulationen einsetzen, mit sogenannten impliziten FE-Programmen (für
Statik, Dynamik, Schwingungen) arbeitet,
ist eine solche Entscheidung vielfach mit
der Anschaffung einer neuen Software verbunden. Im Falle
von ANSYS Workbench zieht die Erweiterung des Simulationsspektrums
keinerlei Umstellung der Berechnungsumgebung
nach sich. Vielmehr
kann in der geBilder: Hansgrohe
wohnten ANSYSUmgebung das
Modul ANSYS Explicit STR aktiviert werden, in dem der Anwender auf die integrierte Solvertechnologie des expliziten
Codes AUTODYN Zugriff hat. ANSYS Explicit STR ist seit der Version ANSYS 12 erhältlich und verbindet Berechnungsmethoden der expliziten Zeitintegration mit
den bewährten Vorteilen der Workbench:
bidirektionale CAD-Schnittstellen, Direktzugriff auf Materialdaten, effiziente Vernetzungsroutinen oder Kontaktdefinitionen. Zudem ist bei Bedarf eine einfache
Kopplung mit anderen Workbench-Tools
möglich.
Ziel der rechnerischen Analyse bei Hansgrohe war die Vorhersage des strukturmechanischen Verhaltens einer neuen Handbrause beim Aufprall auf einen starren
Untergrund. Es sollten Fragen zum Deformationsverhalten der Gesamtstruktur
sowie von einzelnen Schnappverbindun-
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Bild 1: Gesamtmodell und Schnittmodell der Brause
gen und zur Verteilung von plastischen Verzerrungen und ersten Hauptdehnungen in
den Kunststoffmaterialien beantwortet
werden.
Aufbau der Brause
Die Brause besteht aus 12 Einzelteilen,
wobei die beiden äußeren Kunststoffschalen durch mehrere Schnappverbindungen miteinander verbunden sind. Auch
die zwei Halbschalen der innen liegenden
Wasserführung sind miteinander über
Schnappverbindungen verbunden. Zusätzlich ist eine Verschraubung mit 4 Schrauben vorgesehen.
Die verwendeten Werkstoffe, Kunststoff
und Stahl, wurden mit geeigneten Materialmodellen abgebildet. Alle Kontaktstellen zwischen den Bauteilen wurden mit
dem Standardkontakt und mit einem
Aufprallzenarien
Insgesamt wurden 3 Szenarien in Form
einer transient-dynamischen, nichtlinearen
Analyse unter Berücksichtigung großer Verformungen und nichtlinearer Kontakte
betrachtet. Für den Falltest wurde eine Fallhöhe von 2 m angenommen, die die Erdbeschleunigung mit einbezieht. Als Anfangsgeschwindigkeit ergab sich 6.25
mm/ms aus der Umwandlung von potentieller in kinetischer Energie.
Szenario 1 war ein freier Fall mit Aufprall
auf eine starre Unterlage mit der Spitze der
Handbrause. Ergebnis: Die mittleren Abstufungen öffnen sich zuerst, ohne dass
sich die Brause an der Spitze öffnet.
am meisten beansprucht werden, sind
bei Szenario 2 die Oberschale und die seitlichen Schnapphaken am meisten belastet.
In Szenario 3 wirken die stärksten Kräfte
auf den Hals in Ober- und Unterschale
sowie auf die Wasserführung. Schon vor
dem Bau der ersten Prototypen der Handbrause konnten sich die Entwickler von
Hansgrohe vergewissern, dass das neue
Modell wichtigen Stabilitäts- und Funktionskriterien entspricht. Jochen Armbruster, Leiter CAE bei Hansgrohe: „Die Simulationen eröffneten die detaillierte Betrachtung des Verhaltens sensibler spritzgegossener Kunststoffbauteile. Sie gaben
wichtige Anhaltspunkte für mögliche kleine
konstruktive Optimierungen des Produktes im Sinne einer exzellenten Produkt<<
qualität.“
i
| Information
Ansprechpartner ANSYS Explicit
Szenario 2 war ein freier Fall mit Aufprall
auf eine starre Unterlage mit der flachen
Oberschale, in Szenario 3 erfolgte der
Dr.-Ing. Matthias Hörmann, CADFEM Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41
E-Mail mhoermann@cadfem.de
www.hansgrohe.de
2
!
| Veranstaltungshinweise
■ Kostenfreier Informationstag
1
ANSYS Strukturmechanik
29. April 2010 in Nürnberg
05. Mai 2010 in Hamburg
18. Mai 2010 in Stuttgart
22. Juni 2010 in Hannover
30. Juni 2010 in Hanau
09. September 2010 in Dortmund
Details, weitere Termine, Anmeldung
3
www.cadfem.de/infotage
■ Seminar
Einführung in die explizite Strukturmechanik mit ANSYS Explicit STR
Bild 2: Verschiedene Aufprallszenarien
Standardreibwert definiert. Stoffschlüssige
Verbindungen zwischen Weichkomponente/Strahlscheibe sowie Verteiler/Verteilerdeckel wurden mit einem Verbundkontakt
definiert und angenommen, dass kein Klaffen zwischen den Bauteilpaaren auftreten
kann.
Aufprall mit der Unterschale mit einem
Neigungswinkel von 10°. Erwartungsgemäß liegt die maximale Beanspruchung in
Abhängigkeit von der Aufprallposition an
verschiedenen Stellen. Während im Szenario 1 die Spitze der Ober- und Unterschale sowie die vorderen Schnapphaken
01. – 02. Juni 2010 in Wien
15. – 16. Juli 2010 in Grafing b. München
12. – 13. Oktober 2010 in Aadorf (CH)
25 – 26. November 2010 in Dortmund
Details, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/seminare
Infoplaner 01/2010
17
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Effizienzverbesserung von Staubsaugergebläsen
Die Strömungssimulation mit ANSYS CFX ist integraler Bestandteil von Leistungsuntersuchungen an Radialgebläsen.
gruppe am LSTM-Erlangen spezialisiert. Das
Feld reicht dabei vom Rotor einer Windkraftanlage mit 130 Metern Durchmesser
bis hin zu Herzpumpen mit gerade einmal
15 Millimetern Durchmesser. Das ganz besondere Interesse der Gruppe gilt der Untersuchung und Optimierung von Radialgebläsen, zu denen auch die mit 30.000
bis 50.000 U/min rotierenden Staubsaugergebläse gehören.
Für ihre Arbeit können die Wissenschaftler – insgesamt sind am LSTM-Erlangen 65
Mitarbeiter beschäftigt – auf neueste Verfahren und Methoden sowie modernste
Ausrüstung zurückgreifen. So haben sie
Zugriff auf die Ressourcen des regionalen
Rechenzentrums Erlangen (RRZE) und das
dort installierte Woodcrest-Cluster. Das an
Position 329 der Top500-Liste geführt Rechnernetz besteht aus 217 Compute Nodes
mit je zwei Xeon 5160 „Woodcrest“ Chips
(4 Kerne) und verfügt über einen NFS File
Server mit einer Kapazität von 15 TB.
Bild 1: Stromlinien der Durchströmung eines Staubsaugergebläses mit den Komponenten (von oben nach unten): Laufrad, Diffusor,
Umlenkkanal und Rückführgitter, Elektromotor, Motorgehäuse (grau). Bilder: ANSYS Germany
Wenn der Staubsauger nur heiße Luft produziert anstatt den Staub vom Wohnzimmerboden aufzusaugen, dann kann es um
die aerodynamische Effizienz des lärmenden Haushaltsgehilfen nicht besonders gut
bestellt sein.
Universität Erlangen intensiv mit Untersuchung und Optimierung von Radialgebläsen in Staubsaugern. Zentrales Werkzeug
ist dabei die Strömungssimulation mit dem
CFD-Programm (Computational Fluid Dynamics) ANSYS CFX.
Wie groß der vom eingebauten Radialgebläse geförderte Luftstrom und der erzeugte Unterdruck ist – beides Parameter
für die Saugleistung – hängt von der aerodynamischen Auslegung des Gesamtsystems aus Gebläserad, Diffusor und Umlenkschaufeln ab.
Die richtige Adresse, wenn es um
Strömungssimulation geht
So merkwürdig es klingt: Staubsaugergebläse gehören zur Gattung der Turbomaschinen. Auf deren Erforschung und
Entwicklung hat sich eine Forschungs-
Seit einiger Zeit befasst
man sich am Lehrstuhl
für Strömungsmechanik (LSTM) der
18
Infoplaner 01/2010
Bild 2: Stromlinien der
Strömung durch ein Radialrad (blau) mit Spiralgehäuse (transparent).
Prozessintegration
wird groß geschrieben
ANSYS CFX wird am LSTM bereits seit Jahren erfolgreich für die numerische Strömungssimulation eingesetzt. Auf der Basis von Geometrien aus dem CAD-Programm Pro/ENGINEER erfolgt die Generierung der Simulationsmodelle mit ANSYS
ICEM CFD, das neben Werkzeugen für die
schnelle Netzgenerierung komplexer Geometrien alle für die Berechnung rotierender Maschinen benötigten Multiple Frame
of Reference-Werkzeuge enthält.
Netzgenerator und CFD-Programm sind in
die ANSYS Workbench eingebunden. Unter einer einheitlichen Bedienoberfläche
können hier unterschiedliche Applikationen (z.B. FEM, CFD, CEM) genutzt werden,
wodurch das Programm prädestiniert ist
für die Bearbeitung multi-disziplinärer Aufgabenstellungen. So werden beispielsweise mittels der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)
an den Rotorblättern von Windkraftanlagen die Wechselwirkungen zwischen Luft-
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Ist-Zuständen, der Kalibrierung von Simulationsverfahren/-modellen sowie der Verifizierung von Simulationsmethoden. Durch
Virtual Testing können die Anzahl der Prototypen ebenso wie nachträgliche Modifikationen signifikant reduziert werden,
Bild 3: Qualitative Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung
bei der Durchströmung eines Staubsaugergebläses (s. auch
Bild 1)
strömungen und den aus der Windkraft
resultierenden Verformungen untersucht.
Die Kombination macht’s
Zur Lösung der anstehenden Aufgabenstellungen hat sich am LSTM eine kombinierte Verfahrensweise herauskristallisiert.
So wird die Grundauslegung des Systems
basierend auf analytischen Betrachtungen
des Energieumsatzes der Strömung im
Laufrad vorgenommen, während die eigentliche Optimierung auf Basis der CFDSimulation erfolgt. Die abschließende Validierung schließlich geschieht über Messungen auf Normprüfständen.
Waren früher Versuche die Grundlage einer auf „Trial and Error“ basierenden iterativen Produktoptimierung, so wird dieses zeit- und kostenintensive Vorgehen inzwischen zunehmend durch das rechnerbasierte sog. Virtual Testing ersetzt. Tests
dienen heute vorrangig zur Aufnahme von
Komplexe Systeme mit
ANSYS CFX analysieren
Mit ANSYS CFX, aufgerufen über die
ANSYS Workbench, lassen sich komplexe
Systeme schnell und mit relativ geringem
Aufwand detailliert untersuchen. ANSYS
CFX bietet dazu umfassende Auswertungsund Darstellungsmöglichkeiten, die sich
mit der Power Syntax um eigene, in PERL
geschriebene, Post-Prozessing-Skripte fast
beliebig erweitern lassen.
Im Gegensatz zur Messung ermöglicht es
die Simulation, an jedem beliebigen Punkt
des Berechnungsraumes neben Temperatur, turbulente Schwankungen, Enthalpie
und Entropie auch abgeleitete Größen wie
Ablösungen und Versperrungen als Maß
für die tatsächliche Durchströmung des
Schaufelkanals zu ermitteln. Das Verständnis der Zusammenhänge und Abhängigkeiten wird auf diese Weise maßgeblich erweitert.
richter) zeigt eine sehr gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung.
Fazit
Die über zahlreiche Projekte ermittelte Abweichung zwischen Test und Simulation
liegt im Bereich von fünf Prozent und weniger. Durch diese gute Abbildung der Realität wird gewährleistet, dass die berechneten Verbesserungen nicht bloß in der
Theorie existieren.
Am LSTM-Erlangen konnten für Staubsaugergebläse Effizienzverbesserungen von
über 10 Prozent erreicht werden, je nach
Ausgangssituation sind aber auch Verbesserungen bis zu 50 nicht außer Reichweite. Verständlich, dass bei solchen Ergebnissen kein Mangel an Anfragen und Auf<<
trägen aus der Industrie besteht.
✒|
Autoren
Sowohl bei der Optimierung als auch der
Neuentwicklung legen die Strömungsspezialisten großen Wert darauf, dass zwecks
Vergleichbarkeit der Ergebnisse das Berechnungsmodell möglichst exakt dem physikalischen Versuchsaufbau entspricht. Im
Falle des Staubsaugergebläses wird, analog zum Versuch, die gesamte Messstrecke
abgebildet, beginnend mit dem Ansaugbereich, dem Gesamtsystem aus Lüfterrad,
Diffusor, Umlenkkanal, Rückführgitter und
Motor, sowie einem Ausströmgebiet.
Dr.-Ing. Philipp Epple, Mihai Miclea,
Optimierung oder Neubeginn
Bei der Optimierung existierender Systeme
spielt der Versuch eine zentrale Rolle, da
mit ihm Referenzwerte als Basis für die angestrebte Effizienzsteigerung ermittelt und
entsprechende Konstruktionsziele, üblicherweise eine Effizienzsteigerung bei gleichem Druck und gleicher Förderrate, formuliert werden können.
■ Informationtage
Prof. Dr.-Ing. Antonio Delgado,
Ulrich Feldhaus
www.lstm.uni-erlangen.de
Der Beitrag stammt von der ANSYS
Germany GmbH. ANSYS Germany ist ein
enger Partner der CADFEM GmbH und ist
das Kompetenzzentrum im Bereich der
Strömungssimulation mit ANSYS.
!
| Veranstaltungshinweis
ANSYS CFD
(Ausrichter: ANSYS Germany)
27. April 2010 in Dresden
28. April 2010 in Hannover
12. Mai 2010 in Würzburg
18. Mai 2010 in Nürnberg
19. Mai 2010 in Wien
23. Juni 2010 in Aachen
Bild 4: Die Simulation eines saugseitigen Kammerprüfstands
nach DIN 24.163 (Einlauf links über Prallsieb, danach Gleich-
ten Inverse Full System Mean Line Design,
einem inversen Auslegungsverfahren, ein
strömungsmechanisches Reverse Engineering der kompletten Systemeinheit anhand
virtueller Modelle durchgeführt. Auf Basis
der iterativ mit diesem Ansatz in ANSYS
CFX ermittelten Geometrien ist eine Validierung und iterative Verbesserung der
Konstruktion zur Erreichung der Spezifikationen möglich.
Geht es dagegen um ein komplett neues
Design, wird auf der Basis vorgegebener
Systemspezifikationen mit dem sogenann-
Details, Kosten, Anmeldung
www.ansys-germany.de
Infoplaner 01/2010
19
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Bis an die Grenzen des Versagens:
Integrative Simulation mit Digimat bei MIELE
Normalerweise sind die Momente im Leben eher selten, in denen einem das totale Versagen ein Lächeln aufs
Gesicht zaubert. In unserem Fall haben wir da eine Ausnahme gemacht. Wir erinnern uns an den Bericht im
Infoplaner 2009/02 zu einem Projekt mit dem führenden Hausgerätehersteller MIELE, das im Rahmen des
berufsbegleitenden Masterstudienganges an der esocaet stattgefunden hat. Im Januar dieses Jahres konnte
CADFEM Mitarbeiter Jochen Häsemeyer an der Hochschule Landshut erfolgreich die Ergebnisse seiner Arbeit
präsentieren und hat damit die letzte Hürde zum „Master of Engineering Applied Computational Mechanics“
genommen. Wir gratulieren ihm dazu!
Gegenstand der Untersuchungen waren
Bindenähte in spritzgegossenen Halbzeugen aus mit Glasfaser (GF) gefülltem Polymermaterial. Natürlich kam für dieses Material nur ein Einsatz der Softwarekombination ANSYS/Digimat in Frage. Denn im
Bild 1: Das mit der Version 4.0.1 neu erhältliche Modul digimat-MX vereinfacht erheblich das Erstellen von Digimat Materialmodellen und bietet eine konsistente Lösung für Datenspeicherung und –kommunikation.
Spritzguss hergestellte und mit GF gefüllte Polymer Bauteile entfalten ihre komplexen Eigenschaften erst durch die im Prozess aufgeprägte Mikrostrukturierung. Mit
Digimat ist es möglich, den Spritzguss in
der Strukturmechanik über eine anisotrop-
nichtlineare Materialbeschreibung zu berücksichtigen. Der Anwender erhält realitätsgetreue Simulationsmodelle für seine
Bauteile, in denen sogar die Bindenähte
mit abgebildet werden. Derartig kritische
Regionen können also unter Last untersucht werden. Und genau das haben wir
im letzten halben Jahr zusammen mit
MIELE getan.
Unser Interesse galt zunächst der gesamten Prozesskette, von der Herstellung der
Messproben über deren Messung bis hin
zur die Anpassung eines geeigneten Digimat Materialmodells. Der nächste Schritt
war die integrative Simulation, also die
Kopplung der Strukturmechanik an die Ergebnisse aus dem Spritzguss. Es hat sich in
der Praxis gezeigt, wie viele Expertisen in
dem gesamten Unterfangen gebündelt
werden müssen. Spritzguss ist in den Unternehmen zumeist ein Thema für die Werkzeugbauer. Für Material und Messung ist
dagegen die Werkstoffprüfung zuständig.
Letztlich ist es aber der Entwicklungsingenieur, der auf einen geeigneten Input von
beiden Seiten angewiesen
ist. Das erfordert eine gute
Kommunikation und Klärung der Abläufe.
Bild 2: Im letzten Jahr wurde im Rahmen einer esocaet Masterarbeit (siehe Infoplaner
2009/02) das Versagen von Bindenähten in Halbzeugen von MIELE genauer unter die
Lupe genommen (mit freundlicher Genehmigung durch Miele).
20
Infoplaner 01/2010
Was wir in unserem Projekt
noch per Hand erledigen
mussten, hat sich mit dem
im Januar 2010 erschienen
4.0.1 Release von Digimat
deutlich vereinfacht. Heute steht dem Anwender
das neue Modul digimatMX zur Verfügung, mit
dem die Erstellung von
nichtlinearen Mikro-Materialmodellen auf Grundla-
ge von Messdaten weitgehend automatisiert ist (Bild 1). Darüber hinaus bietet MX
die Möglichkeit zur zentralen und konsistenten Datenspeicherung. MX ist also auch
eine Datenbank mit entsprechender Suchfunktionalität und dient der Kommunikation innerhalb der Digimat Community. Mit
MX können die Expertisen klar getrennt
und damit sogar ausgelagert werden. Der
Materialexperte füttert die Datenbank, der
Anwendungsingenieur bedient sich aus
den dort abgelegten Modellen und fokussiert auf seine Aufgabe, nämlich das Design des Bauteiles.
Dass Digimat mit dem integrativen Ansatz
qualitativ wie quantitativ deutlich realistischere Ergebnisse liefert, konnten wir im
letzten Jahr in mehreren Kundenbenchmarks zeigen. Auch beim Projekt mit MIELE
brachen die Halbzeuge im Experiment und
in der Simulation mit Digimat an derselben
Stelle – nämlich an der Bindenaht (Bild 2
und Infoplaner 2009/02). Nun steht aber
die integrative Simulation über den Digimat/ANSYS Workbench Wizard bereits als
Standardverfahren zur Verfügung. Daher
genügte uns diese einfache Aussage für
den Rahmen einer Masterarbeit nicht. Wir
wollten auf einen Expertenlevel und uns
dem Versagen in den Halbzeugen tiefer gehend widmen.
Der Bindenahtbruch hat komplexe Ursachen. Zum Einen unterscheiden sich abhängig von den Prozessbedingungen die
Eigenschaften des Materials der Naht von
den mittleren Materialeigenschaften im
Bauteil. Ursache dafür können ein niedrigerer Fasergehalt oder der Einschluss kleiner Luftbläschen sein. Aber auch ein grundlegend unterschiedliches Verhalten des Matrixmaterials ist in der Bindenaht möglich.
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Bild 3: Mit Digimat kann das makroskopische Versagen von
Material auf die Mikrostruktur projiziert werden. Wählt man
einen Indikator wie zum Beispiel Tsai-Hill 2D, so ist es möglich
das Versagen entlang der Ausrichtung der Glasfasern, senkrecht zur Glasfaser und auf Scherung in der 12 Ebene unterschiedlich zu beschreiben.
Es ist deshalb von Vorteil, die Elemente an
der kritischen Stelle selektieren zu können,
um anschließend die Faserorientierungen
auf diese Elemente separat zu mappen (Bild
2). Die Digimat Materialien für das Halbzeug und die Bindenaht können dann getrennt definiert werden und es ist ein Leichtes, zum Beispiel den Fasergehalt in der
Bindenaht zu reduzieren. Mit der Version
4.0.1 ist dieses Mapping für Moldflow Midplane eine eingebaute Funktionalität in der
Software. Natürlich muss ein solches Modell immer noch an entsprechenden Zugproben mit Bindenähten kalibriert werden.
Damit kommt man zur zweiten Ursache,
dem diffizilen Verhalten des Versagens von
Composites, das von der Belastungsart abhängt. Man trifft auf die Schwierigkeit, dass
die Festigkeit parallel zur Glasfaser eine andere ist als senkrecht zur Faser. Indikatoren, die diesem Verhalten Rechnung tragen, sind aus der Laminattheorie hinreichend bekannt. Sie können in Digimat für
die lokalen Achsen der Glasfaserphase auf
dem Niveau der Mikrostruktur angewendet werden. Das Prinzip funktioniert, da
die lokalen Achsen die Hauptachsen der
Faserorientierung aus der Spritzgusssimulation sind.
Aus Gründen der Praktikabilität haben wir
diesen Ansatz für ein Versagen nach TsaiHill 2D überprüft (Bilder 3 und 4). Der
Indikator ist empfindlich auf Zugfestigkeit
parallel (σ11) und senkrecht (σ22) zur Glasfaser, sowie Scherung in der entsprechenden Ebene (σ12). Für die Kalibrierung sind
drei entsprechende Experimente an Proben mit möglichst perfekt ausgerichteten
Glasfasern erforderlich. Diese Experimente bilden gleichzeitig die Grundlage für das
Reverse Engineering der Materialeigenschaften. Definiert auf die GF Mikrostruktur versagt das Material auf Zug parallel
zur Faser bei 61%, senkrecht zur Faser bei
85% und auf Scherung bei 70% der vollen
Belastung. Im nächsten Schritt simuliert
man gekoppelt an den Spritzguss, wobei
der Indikator ƒA pro Element berechnet
und als Digimat Variable in ANSYS gespeichert wird. Die Auswertung erfolgt
über den skalaren Plot der Variable auf dem
Bauteil (Bild 4). Ist der Indikator gut kalibriert, lassen sich schnell und zuverlässig
Aussagen über kritische Stellen im Bauteil
treffen.
Im Rückblick lässt sich sagen, dass dieses
Projekt für CADFEM ein erster wirklich tiefer
Einstieg in alle Details der integrativen
Simulation war. Von der
Kalibrierung der Materialmodelle bis hin zur Definition und damit Auswertung
des Versagens konnten wir
viele für die Praxis wichtige
Erkenntnisse hinzu gewinnen. Dass damit eine gute
Grundlage für die Zukunft
geschaffen wurde zeigt sich
daran, dass MIELE auch in
2010 fortfahren wird, sich
mit dem Thema Digimat
auseinander zu setzen. Das
geschieht natürlich weiterBild 4: In der anisotrop nichtlinearen Digimat Rechnung tritt eine deutliche Plastifiziehin unter enger Betreuung
rung in der Bindenaht auf. Der Tsai-Hill 2D Indikator prognostiziert das Bauteilversa<<
seitens CADFEM.
gen an genau dieser Stelle.
✒|
Autoren
Dr. Jan Seyfarth, CADFEM GmbH
Tel. +49 (0) 80 92-70 05 86
E-Mail jseyfarth@cadfem.de
Jochen Häsemeyer, CADFEM GmbH
Dr.-Ing. Slav Dimitrov, CADFEM GmbH
Matthias Hollenhorst, MIELE
E-Mail matthias.hollenhorst@miele.de
www.miele.de
!
| Veranstaltungshinweise
■ Kostenfeies Webinar
Spritzgussbauteile in der Strukturmechanik – Integrative Kopplung mit Digimat
Grundlegende Informationen zur integrativen Simulation mit ANSYS und Digimat
12. Mai 2010, 10:00 – 11:00 Uhr
Details, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/webinare
■ Schnuppertraining
Digimat: Nichtlineare Berechnung von
Komposit-Materialien
Ganztägiger Workshop mit Vorstellung der
Digimat Module und gemeinsamen Übungen am Rechner.
10. Mai 2010 in Aadorf (CH)
18. Mai 2010 in Hannover
13. Juli 2010 in Grafing b. München
Details, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/schnuppertrainings
■ Kongress
kunststoffe+SIMULATION
05. – 06. Mai 2010 in München
www.hanser-tagungen.de/simulation
CADFEM stellt Digimat in einem Fachvortrag und an einem Infostand vor.
Infoplaner 01/2010
21
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Black & Decker ... & LS-DYNA
Die Entwicklung von modernen Elektrowerkzeugen für den Hausgebrauch, insbesondere aber für den professionellen Einsatz erfordert auch ein besonderes Augenmerk auf Robustheit und Haltbarkeit der Geräte.
Zur Sicherstellung dieser Attribute ist die computergestützte Simulation ein zentrales Werkzeug während des
gesamten Entwicklungsprozesses der Black & Decker GmbH.
Die Black & Decker Corporation mit Hauptsitz in Towson (Maryland), USA – gegründet 1910 – gehört mit einem Umsatzvolumen von 6,1 Milliarden US $ im Geschäftsjahr 2008 zu den führenden Elektrowerkzeugherstellern der Welt. Das Produktportfolio umfasst neben den Elektrowerkzeugen mit den Marken Black & Decker,
DeWALT, Delta und Porter Cable noch Befestigungs- & Schlosssysteme.
Bild 1: Ausschnitt aus der DeWALT-Bohr- und Meißelhammerfamilie. Bilder: Black & Decker
Standorte der DeWALT-Produktentwicklung
sind neben dem Hauptsitz in Towson,
Spennymoor (UK) mit dem Verantwortungsbereich Elektrohandsägen und Idstein
in der Nähe von Wiesbaden mit dem Geschäftsbereich Beton. Der Standort Idstein
ist vornehmlich mit der Entwicklung von
Bohrhämmern für den professionellen Einsatz betraut. Die DeWALT-Hammerreihe
umfasst vom kleinen 2,5 kg Akkugerät bis
zum großen 30 kg Abbruchhammer insgesamt ca. 20 Bohr- und Meißelhämmer
(Bild 1).
In der Produktpalette des DeWALT-Labels
stellt der Bohrhammer eines der technisch
komplexesten Produkt dar (Bild 2). Ein Bohrhammer besteht im Wesentlichen aus einem
elektrischen Antrieb mit Getriebe, einer Elektronikeinheit mit Schalter, einem Hammerantrieb mit Kupplung, dem Hammerwerk,
einem Außengehäuse mit Handgriff und
dem Werkzeughalter. Diese Subsysteme sind
im Betrieb härtesten Belastungen ausgesetzt. Die Komplexität eines Hammers gepaart mit der vom Kunden erwarteten Haltbarkeit eines Profigerätes stellt die besondere Herausforderung im Entwicklungsprozess von Bohrhämmern dar. Erschwerend
kommt in diesem Zusammenhang hinzu,
dass sich ein Bohrhammer durch die Arbeitweise des Mechanismus – dieser erzeugt
harte Schläge und ist starker Wärme- und
Schmutzbelastung ausgesetzt – zwangsläufig in einem definierten Zeitraum quasi
„selbst zerstört“ (Zeitfestigkeit).
22
Infoplaner 01/2010
Bild 2: Komplexes Design eines DeWALT-Bohrhammers
CAE bei DeWALT
Mit Hilfe von CAE wird in der DeWALT-Bohrhammerentwicklung das prospektive Produkt insbesondere auf Funktionalität, Funktionssicherheit und Haltbarkeit „überprüft“,
bevor physische Prototypen existieren. Die
Anwendung von CAE liegt dabei überwiegend im Bereich der Strukturmechanik,
d. h. in der Simulation von statischen und
dynamischen Belastungen des Bohr- bzw.
Meißelhammers aufgrund von Kräften, Beschleunigungen und Stößen. Weitere Anwendungsgebiete sind die Mehrkörper- und
Strömungssimulation. Innerhalb der strukturmechanischen Berechnungsaufgaben ist
LS-DYNA die mit Abstand wichtigste Software im Entwicklungsprozess der DeWALTBohr- und Meißelhämmer.
LS-DYNA wird bei der Black &
Decker GmbH weit über die klassische Falltestsimulation von
Geräten hinaus eingesetzt. Mit
LS-DYNA werden in der DeWALTBohrhammerentwicklung vielfältige strukturmechanische Fragestellungen zu den verschiedenen Hammerbaugruppen beantwortet. Besonders bei der
Hammerwerkauslegung in Hinblick auf unerwünschte Leerschläge des Gerätes können für
das Gerät schädliche Stosswellen in Bohrspindel und Futter simuliert werden. Weiterhin wird
die rechnerische Abbildung des gesamten
Hammerantriebstranges sowie die Durchführung umfassender Missbrauchsimulationen ermöglicht.
Um im „Spannungsfeld“ der verschiedenen Produktanforderungen wie Qualität,
Funktionalität, Entwicklungszeit und Produktkosten einen maximalen Nutzen aus
der Anwendung von CAE ziehen zu können, sind – neben der Festlegung des sinnvollen Einsatzmaßes und Einsatzgebietes die Einsatzzeitpunkte im Produktentwicklungsprozess zu koordinieren. Der Einsatz
von CAE im Produktentwicklungsprozess
wird in Abhängigkeit vom „Reifegrad“ des
Produktes in die Bereiche Konzept-, Produktentwicklungs- und Prototypentestphase unterteilt.
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Außenstruktur
Bei Gestaltung der Außenstruktur eines
Bohrhammers stehen, neben den ergonomischen und designspezifischen Aspekten,
Robustheit und Sicherheit des Gerätes im
Ein weiterer Aspekt hinsichtlich der Auslegung der Außenstruktur ist die Robustheit
des Gerätes bei missbräuchlicher Anwendung. Die Elektrogeräte sollten auch bedingt unsachgemäße Behandlungen schadlos überstehen.
Hammerwerk und
Hammerantrieb
Das pneumatische Hammerwerk hat die Aufgabe
den eigentlichen Schlag zu
erzeugen. Im Hammerbetrieb mit belastendem
Meißel trifft hierbei der
Schlagkörper auf den sogenannten Döpper, welcher
wiederum anschließend auf
den Meißel auftrifft. BefinBild 3: Typische Falltestsimulation eines Bohrhammers mit Antivibrationshandgriff
det sich jedoch kein Meißel
im Gerät oder ist dieser unbelastet (der Anwender erzeugt keine Druckkraft auf
den Hammer), kann es zu
Leerschlägen im Gerät kommen. Bei einem Leerschlag
wird die erzeugte Schlagenergie nicht in den Beton
„transferiert“ und „verbleibt“ somit im Gerät. Der
Döpper schlägt dabei ungebremst in die Spindel, woBild 4: Ergebnisse einer Hammerantriebsimulation für verschiedene Designs des Taudurch eine hochdynamische
melrings
Longitudinalschwingung (in
Achsrichtung) in dieser erzeugt wird. Aus dieser
Schwingung resultieren u.a.
hochfrequente Spannungsverläufe innerhalb der Spindelstruktur, die insbesondere an Querschnittssprüngen
der Struktur zu Mikroschädigungen im Bauteil führen
können. Zur Unterbindung
der Leerschläge besitzt ein
Hammerwerk eine sogenannte Fangeinrichtung für
den Döpper. Im praktischen
Bild 5: Ergebnisse einer Fügesimulation mit LS-DYNA für einen Werkzeughalter
Einsatz des Gerätes lassen
sich jedoch nicht alle Leerschläge vermeiVordergrund. So muss ein elektrisches
den, so dass diese Belastungsart bei der
Werkzeug einen Falltest aus einer defiAuslegung der Hammerwerksbauteile zu
nierten Höhe ohne größere Beschädigunberücksichtigen ist.
gen überstehen, d.h. das Gerät darf z.B.
nach einem Fall aus 1 m Höhe keine Risse
Der Hammerantrieb eines Bohr- bzw.
oder Spalte aufweisen, die das Berühren
Meißelhammers muss auf Dauerfestigkeit
von elektrisch leitenden Teilen ermöglichen
ausgelegt werden. In der Entwicklungsphase
würden.
ist es folglich notwendig, die Belastung der
einzelnen Bauteile zu kennen und sie auf
Dauerfestigkeit zu bewerten. Mit LS-DYNA
ist es möglich, die Simulation des Hammerantriebs in einem „Arbeitsgang“ durchzuführen. Unter der Verwendung von ausgewählten Gelenkdefinitionen (Joints),
manueller Definition der Flächenkontakte
(inkl. Reibung) und zeit- bzw. wegabhängiger Definition der weiteren Randbedingungen (wie z.B. Druck, Verschiebung etc.)
ist eine sehr leistungsfähige Abbildung des
Hammerantriebs mit elastischen Körpern
möglich. Sie erlaubt die Berechnung der erforderlichen Spannungsverläufe gleichzeitige für alle Bauteile und für einen vollen
Schlagzyklus. (Bild 4).
Werkzeughalter
Der Werkzeughalter – auch Futter genannt
– dient zur Aufnahme und Arretierung des
Bohrers bzw. des Meißels. Ein Futter unterliegt neben Reibungsverschleiß vielfältigen
Belastungen, die vornehmlich aus Hammerschlägen (insbesondere Leerschläge) und
missbräuchlicher Anwendung (Auszugsund Biegekräfte) resultieren. Vergleichbar
mit dem Hammerwerk werden Werkzeughalter ebenfalls mit LS-DYNA auf deren
Leerschlagbelastung überprüft (Bild 5).
Ebenso wird das Futter standardmäßig einer Missbrauchsimulation unterzogen, um
potentielle Strukturschwächen zu identifi<<
zieren.
✒|
Autor
Andreas Syma, Black & Decker GmbH
www.blackanddecker.com
i
| Information
Ansprechpartner LS-DYNA
Dr.-Ing. Matthias Hörmann, CADFEM Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41
E-Mail mhoermann@cadfem.de
Dieser Beitrag ist eine Zusammenfassung
des Vortrags „LS-DYNA in der Entwicklung
von professionellen Bohrhämmern“, den
Andreas Syma auf dem CADFEM Users’
Meeting 2009 in Leipzig gehalten hat.
Der vollständige Vortrag kann
heruntergeladen werden unter:
www.usersmeeting.com/syma.pdf
Infoplaner 01/2010
23
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Wenn ein LAMY Schreibgerät
auf den Boden fällt ...
... soll es nach Möglichkeit seine Funktionalität erhalten. Dies ist ein Qualitätsanspruch, den
nicht nur die Kunden an eine Premiummarke wie LAMY stellen, sondern vor allem auch der Hersteller
selbst. Deshalb beschäftigt man sich bei der C. Josef Lamy GmbH bereits intensiv mit der Fragestellung, wie
insbesondere sensible Geräte mit einer hohen „Fallwahrscheinlichkeit“, etwa Schreibgeräte für Kinder, schon
im Entwicklungsprozess auf dem Wege der Simulation auf ihr Aufprallverhalten hin untersucht und optimiert
werden können.
Lamy ist ein unabhängiges Familienunternehmen, das 1930 von C. Josef Lamy in
Heidelberg gegründet wurde. Seit 1952
gibt es die Marke LAMY, die ihre Innovationskraft bereits im ersten Jahr mit der völlig neuartigen Füllhalter-Serie LAMY 27 bewies. Und 1966 wurde dann mit dem
LAMY 2000 die unverwechselbare Formensprache von Lamy, das Lamy Design,
aus der Taufe gehoben.
Mit einer Jahresproduktion von über 6 Millionen Schreibgeräten und einem Umsatz
von mehr als 50 Millionen Euro ist Lamy
heute nicht nur Marktführer in Deutschland, sondern gehört auch zu den deutschen Designmarken, deren Produkte weltweit eine Sonderstellung einnehmen.
Innovativ ist Lamy nicht nur hinsichtlich Design und Funktionalität der Produkte. Auch
bei den Produktentwicklungsprozessen
setzt das Unternehmen schon heute Werkzeuge und Methoden ein, die bei vielen
anderen Herstellern noch weitgehend unbekannt sind.
Im Mittelpunkt eines gemeinsam mit
CADFEM durchgeführten Pilotprojektes
stand ein Drehbleistift für Kinder. Der Drehbleistift besteht aus einer Hülle aus Kunststoff und Holz, die im Inneren für die Minenführung eine Passform enthält, in die
die dünne Bleistiftmine eingelegt wird.
Durch Drehen des hinten sitzenden Würfels lässt sich die Mine vorwärts schieben.
Diese Minenführung ist buchstäblich „der
Knackpunkt“ des Schreibgerätes, denn hier
kann es bei entsprechenden Fallpositionen
zu einem Bruch kommen, was die Funktionalität des Gesamtsystems beeinträchtigt. Ein Re-Design des Drehbleistiftes und
im speziellen der Minenführung war aus
24
Infoplaner 01/2010
Bild 1: Geometrie und vernetztes Komplettmodell. Bilder: LAMY
Kostengründen ausgeschlossen, so dass
für die Optimierung des Aufprallverhaltens
in erster Linie die Verwendung eines alternativen Materialsystems in Betracht gezogen wurde.
Vernetzung in ANSYS Workbench,
Defeaturing mit ANSYS DesignModeler, Berechnung mit LS-DYNA
Das Werkzeug bei diesem gemeinsamen
Simulationsprojekt von CADFEM und Lamy
war ANSYS Explicit STR, das die Analyse
hochgradig nichtlinearer Phänomene in der
komfortablen ANSYS Workbench Umgebung erlaubt.
Das zu berechende Bauteil erscheint auf
den ersten Blick einfach. Auf den zweiten
Blick wird aber deutlich, dass der Dreh-
Bild 2: Der für Beschädigungen kritische Bereich der Minenführung
bleistift ein durchaus komplexes „Innenleben“ hat mit vielen kleinsten strukturmechanischen Details und Materialparametern. Trotzdem erforderte die Aufbereitung des sehr detailgetreuen Modells in
ANSYS Workbench nur zwei Tage. Gerade
die Bereiche, die hinsichtlich der Beschädigung der Minenführung als besonderes
kritisch eingestuft wurden, erforderten eine
extrem feine Vernetzung (Bild 2). Die weniger relevanten Bereiche wurden mit
ANSYS DesignModeler vereinfacht und
entsprechend gröber vernetzt. Die Berechnung des Models, das schließlich aus
über 400.000 Elementen bestand, nahm
zwei Stunden Berechnungszeit auf einer
Maschine mit vier CPUs in Anspruch. Hier
kam innerhalb ANSYS Workbench der
LS-DYNA Solver zum Einsatz.
Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich
Der kritische Bereich
Die Mine steckt im Bleistift in der bereits
erwähnten Minenführung. Diese wiederum läuft in einem Gewinde. Durch Drehen
der inneren Welle über den äußeren Würfel am Ende des Bleistiftes kann die Minen
dann vorwärts geschoben werden. Genau
dieser Bereich der Minenführung, nämlich
die Gleitblöcke, ist die kritische Zone für
eventuelle Beschädigungen.
Neben dem eigentlichen strukturmechanischen Verhalten der Komponenten galt das
besondere Interesse dem Materialverhalten der Minenführung. Gegenübergestellt
wurden die Werkstoffe zweier Anbieter.
Der eigentliche Falltest entsprach einem
vertikalen Aufprall (= maximale Kraftwirkung) mit der Spitze des Schreibgerätes aus
einer Höhe von einem Meter mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 4430 Millimeter pro Sekunde. Dieser findet auf eine
nachgiebige Unterlage statt, deren Eindrückverhalten experimentell untersucht
und in der numerischen Simulation berücksichtigt wurde.
Der große Vorteil eines virtuellen Falltests
gegenüber von Realtests ist, dass die Fallsituation permanent und auf exakt der
identischen Modelldatenbasis beliebig oft
und mit beliebig vielen Modifikationen wiederholt und unmittelbar verglichen werden kann.
Ergebnisse
Bei der Auswertung der Ergebnisse von Experiment und Simulation gab es folgende
Beobachtungen:
Die Minenführung und insbesondere die
Gleitblöcke werden bei einem Falltest hoch
beansprucht. Ein potentielles Versagen des
Gleitblockes ist bei Verwendung der ur-
sprünglichen Materialauswahl sehr wahrscheinlich. Hingegen zeigt sich bei Verwendung des alternativen Materials ein
qualitativ deutlich verbessertes Verhalten
mit einer sehr viel geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit. Zusätzlich konnte durch
den detaillierten Einblick in die Struktur in
der Simulation ein Verdrehen der Mine und
der Minenführung festgestellt werden.
lichen aus der Reduktion der Anzahl zeitintensiver Prototypentests (bei gleichzeitig besserem Detailverständnis) und der
gezielten Auswahl und Menge von
<<
Materialien resultieren.
Die Ergebnisauswertung machte zudem
deutlich, welche weiteren Stellen des Bleistifts besonders anfällig für Schädigungen
sind.
Dr.-Ing. Matthias Hörmann, CADFEM Grafing
Bei näherem Hinsehen ergaben sich speziell im Kontaktbereich des Gleitblockes
mit der Windung starke plastische Verformungen, die ein Bauteilversagen begünstigen. In der Druckzone war dieses Phänomen dagegen nicht zu beobachten.
✒|
Autoren
Steffen Schiele, CADFEM Grafing
www.lamy.de
i
| Information
Ansprechpartner ANSYS Explicit
und LS-DYNA
Dr.-Ing. Matthias Hörmann, CADFEM Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41
E-Mail mhoermann@cadfem.de
Die Ergebnisse deckten sich mit Messwerten aus dem Versuchslabor. (Bild 3).
!
| Veranstaltungshinweise
Diese hohe Übereinstimmung mit den Werten aus den Realtests macht die Simulation
nicht nur für die Optimierung des Aufprallverhaltens interessant, sondern zeigt
auch ihr Potenzial für andere Anwendungen, etwa für die Analyse des Biegeverhaltens oder des Zusammenspiels verschiedener Komponenten bei Zusammenbau und Nutzung der Schreibgeräte.
■ Kostenfreier Informationstag
In diesem – im wahrsten Sinne des Wortes
„Fall“ – konnten durch die Simulation zu
einem äußerst frühen Zeitpunkt im Entwicklungsprozess zusätzliche Erkenntnisse
zum Verhalten kleinster Details einzelner
Bauteile sowie der Gesamtsystems „Drehbleistift“ gewonnen werden.
Details, weitere Termine, Anmeldung
ANSYS Strukturmechanik
29. April 2010 in Nürnberg
05. Mai 2010 in Hamburg
18. Mai 2010 in Stuttgart
22. Juni 2010 in Hannover
30. Juni 2010 in Hanau
09. September 2010 in Dortmund
www.cadfem.de/infotage
■ Seminar
Einführung in die explizite Strukturmechanik mit ANSYS Explicit STR
01. – 02. Juni 2010 in Wien
Daraus lassen sich signifikante Zeit- und
Kostenvorteile ableiten, die im Wesent-
15. – 16. Juli 2010 in Grafing b. München
12. – 13. Oktober 2010 in Aadorf (CH)
25 – 26. November 2010 in Dortmund
■ Seminar
Einführung in LS-DYNA
26. – 28. Mai 2010 in Lausanne (CH)
23. – 25. Juni 2010 in Dortmund
01. – 03. September 2010 in Hannover
17. – 19. November 2010 in Stuttgart
Details, Kosten, Anmeldung
Bild 3: Situation an der Minenführung und am Gleitwürfel; Vergleich Messung und Simulation
www.cadfem.de/seminare
Infoplaner 01/2010
25
CADFEM
Weit weg & hoch hinaus
Dabei war eine Distanz von weiteren 330
km zu bewältigen.
Auch in mehreren Tausend Metern Höhe reicht das Auge
nicht aus, um die ganze Weite des Landes zu erfassen.
Kiripotib, Namibia, 05. Januar 1010
Das Wetter versprach zunächst nicht viel
Gutes. Am Vortrag war ein mächtiges Gewitter in der Wüste niedergegangen und
hatte viel Feuchtigkeit aus Angola mitgebracht. Nach dem Start um 9:00 in Kiripotib erschwerten tief hängende Wolken über
der Kalahari zunächst das Vorankommen.
Es ließen sich kaum Höhen über 2.500 Meter erreichen. Da die Kalahari im Schnitt etwa 1.000 Meter über dem Meer liegt und
kaum Gelegenheit zum Landen bietet, sind
solche Bedingungen nicht optimal.
Der erste Kurs führte nach Südwesten in
Richtung Mata Mata, einer Grenzstation
an der südafrikanische Grenze, die etwa
350 km von Kiripotib entfernt liegt. Die Bedingungen wurden zunehmend besser, da
hier eine trockenere Luftmasse dominierte. Je näher Mata Mata kam, desto besser
wurde das Wetter. Die Thermikwolken stiegen an auf bis zu 4.000 Meter mit Steigwerten um 3 Meter/sec, was Schnittgeschwindigkeiten um 130 km/h ermöglichte.
Nachdem Mata Mata erfolgreich umrundet war, führte der zweite Kurs nach
Helmeringhausen im Südwesten Namibias.
26
Infoplaner 01/2010
Der Kurs führte vorbei an der wohl bekanntesten Sehenswürdigkeit der südlichen
Kalahari, dem Brukkaros. Es handelt sich
dabei um einen vor 80 Millionen Jahren
entstandenen Vulkanberg. Der Himmel war
jetzt fast wolkenlos und die Sonne konnte über die Wüste ihre volle Kraft entfalten. Die Steigwerte legten zu auf bis zu
6 m/sec, was selbst für diese entlegenen
Wüstengebiete ein außergewöhnlicher
Wert ist. Die Aufwinde erreichten hier eine Höhe von bis zu 5.000 Metern, und so
konnte der zweite Wendepunkt bereits um
14:30 umrundet werden. Die Restdistanz
zum Heimatflugplatz war auf nunmehr 340
km geschrumpft und somit war die Vollendung meines ersten Streckensegelfluges
über 1.000 km eigentlich nur noch eine
Formsache.
Richtung Nordosten spielte das Wetter leider nicht mehr mit. Bereits 100 km vor dem
Ziel kündigten mächtige Wolken das nächste Tropengewitter aus Angola an. Gewitter sind für den Streckensegelflug ein meistens unüberwindliches Hindernis, wenn
sie nicht umflogen werden können. Es folgte ein zweistündiger Kampf mit den Naturgewalten und schließlich die Landung
südlich vom Heimatflugplatz im Segelflugzentrum Bitterwasser, um der hereinbrechenden Dunkelheit zuvor zu kommen.
Trotz der nicht vollendeten Strecke war es
ein grandioser Flug, der mir noch lange in
<<
guter Erinnerung bleiben wird.
Klaus Schönborn
CADFEM
CADFEM Mitarbeiter Klaus-Dieter Schönborn und der ehemalige CADFEM Diplomand Andreas Lutz haben
sich im Winter 2009/2010 außergewöhnliche Ziele ausgesucht, um Ihr Hobby, das Segelfliegen auszuüben:
Während der eine drei Wochen lang kreuz und quer über Namibia unterwegs war, segelte der andere in
Südamerika zwischen den Gipfeln der Anden und der Pazifikküste.
Chile, im Januar 2010
Als ein besonderes Studiums-Abschlussgeschenk an mich selbst und durch vielerlei glückliche Umstände konnte ich den
Winter im warmen Südamerika mit Segelfliegen zu verbringen. Um genau zu sein
in Santiago de Chile. Von ein paar Fotos
konnte ich erahnen welches Abenteuer
mich in den Anden erwarten würde. Doch
das ganz dann mit den eigenen Augen zu
sehen war schlichtweg überwältigend.
Die unbeschreiblichen Farben der Natur
und die Erfahrung, dicht an den größten
Bergen der Anden vorbeizufliegen z.B. am
knapp 7000 Meter hohen Aconcagua lässt
einen erst erkennen wie klein wir Menschen sind.
Über einer der entlegendsten Gegenden
der Erde gleitet man in der Abendstimmung zurück über die Skyline von Santiago. Krasse Gegensätze bestimmen diese
Gegend: arm und reich in unmittelbarer
Nachbarschaft einerseits. Andererseits eine Millionenstadt, die man verlässt um
dann Hunderte von Kilometern ohne Anzeichen von Zivilisationen zu überfliegen,
stattdessen plötzlich ein paar Kühe und Lamas an Stellen auf bis zu 4000 Höhe, wo
man ins Grübeln kommt, wie die Tiere dort
hingelangt sind.
Gletscher in ungeahntem Ausmaß, der Geruch der Vulkane und viele einzigartige Eindrücke mehr werde ich mein Leben nicht
<<
mehr vergessen.
✒|
Autoren
Klaus-Dieter Schönborn
CADFEM GmbH, Stuttgart
E-Mail kschoenborn@cadfem.de
www.cadfem.de
Andreas Lutz
Schempp-Hirt Flugzeugbau GmbH,
Kirchheim/Teck
E-Mail lutz@schempp-hirth.com
www.schempp-hirth.com
❑
| Bilder
Captimax – aerial picture by David Wall
privat
Andreas Lutz
Infoplaner 01/2010
27
ANSYS
ANSYS &
CADFEM
Ihr ANSYS Competence Center FEM
ANSYS ist heute der größte unabhängige Anbieter von CAE-Technologie weltweit und bietet seinen Anwendern die leistungsfähigsten Werkzeuge zu praktisch jedem Bereich der Simulationstechnik.
ANSYS Workbench
Die Vision von ANSYS wurde durch die ANSYS Workbench-Umgebung realisiert. Hierbei handelt es sich nicht einfach um ein Produkt, sondern um eine vollständige CAE-Umgebung. Sie integriert
Programme von ANSYS unter einer einheitlichen Arbeitsoberfläche
und öffnet die Ankopplung an Software anderer Anbieter.
Von CAD bis Datenmanagement
Von der CAD-Anbindung über Modellerstellung, physikalische Berechnung, Auswertung, Parametermanagement, Optimierung und
intelligentes Datenmanagement werden sämtliche Schritte im Simulationsprozess mit Hilfe der Workbench definiert und grafisch
anschaulich verknüpft. Die Datenverwaltung und das Schnittstellenmanagement zwischen den Programmen erfolgen automatisiert im Hintergrund und geben den Anwender dadurch mehr Zeit
für seine eigentlichen Aufgaben. Einmal definierte Simulationsprozesse beliebiger Komplexität können jederzeit erneut aktiviert
und mit minimalem Aufwand variiert werden. Natürlich ist ANSYS
Workbench 2.0 auch offen gegenüber Produkten von Drittanbietern.
CADFEM: Ihr ANSYS Competence Center FEM
CADFEM betreut seit über 25 Jahren die CAE-Technologie von
ANSYS, Inc. im deutschsprachigen Raum und als ANSYS Competence Center FEM Anwender aus Industrie und Forschung mit Software von ANSYS und komplementären Produkten. Seminare und
Anwendersupport, Consulting und Entwicklung sind Dienstleistungen von CADFEM für eine optimale Nutzung von CAE. <<
Der Name ANSYS steht für unabhängige führende
Simulationstechnologie für praktisch alle Physiken:
• Einzigartige Anwendungsbreite
- Implizite und explizite Strukturmechanik
- Strömungsmechanik
- Temperaturfelder
- Elektromagnetik
• Umfassende Funktionalität innerhalb jeder Physik
• Multiphysik: Direkte Kopplungsmöglichkeiten
Exklusiv in ANSYS
Workbench-Software und -Technologie sind ein Alleinstellungsmerkmal von ANSYS in der CAE-Industrie. Kein anderer Anbieter
bietet einen vergleichbaren Integrationsgrad für derart umfassende und leistungsstarke Simulationswerkzeuge.
• Skalierbarkeit nach individuellen Anforderungen:
Von konstruktionsnah bis High-End
Permanente Weiterentwicklung
ANSYS reinvestiert einen großen Teil der Umsatzerlöse in die Weiterentwicklung und den Ausbau der Software. Auf den Seiten 30 bis
35 stellen wir Ihnen junge Mitglieder der ANSYS Produktfamilie vor.
• ANSYS EKM: Verwaltung und Archivierung von
Simulationsdaten und -prozessen
28
Infoplaner 01/2010
• Offenheit und Flexibilität zur vertikalen Integration
und Kopplung mit anderen CAE-Systemen
www.cadfem.de/ansys
ANSYS
i
| Information
Ansprechpartner ANSYS Software
Deutschland
Dr.-Ing. Volker Bäumer
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-51
E-Mail vbaeumer@cadfem.de
Schweiz
Markus Dutly
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-02
E-Mail markus.dutly@cadfem.ch
Oder CAE-Line
(Freecall) 0800-CADFEM
(alternativ: 0800-1-22 33 36)
E-Mail sales@cadfem.de
Österreich
Alexander Dopf
Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-14
E-Mail alexander.dopf@cadfem.at
CADFEM kooperiert eng mit der ANSYS Germany GmbH (www.ansys-germany.de),
dem Competence Center CFD in Zentraleuropa mit dem Schwerpunkt Strömungssimulation.
• ANSYS Produkte:
www.cadfem.de/ansys
• ANSYS Seminare:
www.cadfem.de/seminare
• ANSYS Support:
www.cadfem.de/support
• ANSYS Infotage (kostenfrei):
www.cadfem.de/infotage
• ANSYS Webinare (kostenfrei):
www.cadfem.de/webinare
• ANSYS bedarfsgerecht mieten:
www.eCADFEM.com
• Hardware für ANSYS:
www.cadfem.de/hardware
• ANSYS Customization:
www.cadfem.de/entwicklung
Komplementäre CAE-Software zu ANSYS
Diese Produkte sind standalone oder als in ANSYS integrierte bzw. über Schnittstellen eng angebundene Lösungen erhältlich.
EXPLIZITE
STRUKTURMECHANIK
LS-DYNA mit LS-OPT und LS-PrePost stehen insbesondere für Simulationsanwendungen in den
Bereichen Crash und Metallumformung.
www.cadfem.de/ls-dyna
OPTIMIERUNG
optiSLang ist eine Software für die parametrische Sensitivitätsanalyse, multidisziplinäre Optimierung, Zuverlässigkeits- und Robustheitsbewertung sowie für die Robust Design Optimierung.
www.dynardo.de
MATERIALDESIGN
DIGIMAT ist als eigenständiges virtuelles Materiallabor einsetzbar, als Materialschnittstelle in
strukturmechanischen Rechnungen mit ANSYS und LS-DYNA oder als vollständiges Interface
zwischen Spritzgusssimulation und Strukturmechanik.
www.cadfem.de/materialdesign
LACKIERPROZESSE
VirtualPaintShop®
VirtualPaintShop (VPS), ursprünglich von CADFEM für die BMW Group entwickelt, ermöglicht
die rechnerische Simulation des gesamten Lackierprozesses von Fahrzeugkarosserien und anderer
Strukturen.
www.virtualpaintshop.com
BIOMECHANIK
Mit AnyBody kann die Mechanik des menschlichen Bewegungsapparates unter Berücksichtigung
der Muskeln analysiert werden. Damit sind z.B. Aussagen über Muskel- oder Gelenkkräfte, die
elastische Energie in Sehnen oder die antagonistische Muskelaktivität möglich. In der Kombination mit ANSYS können so auf Implantate und Prothesen wirkende Kräfte berechnet werden .
www.cadfem.de/anybody
BLECHUMFORMUNG
Die FTI Forming Suite ist ein modulares Programmpaket zur Bewertung der Umformbarkeit von
Blechbauteilen, zur Berechnung von Platinenzuschnitten, Platinenschachtelung, Schachtelung
von Folgeverbundprozessen und Optimierung von Materialkosten. FTI Forming Suite Produkte
sind standalone und CAD-integriert (u.a. CATIA) verfügbar.
www.cadfem.de/fti
Infoplaner 01/2010
29
ANSYS
Neue ANSYS Produkte
Elektromagnetische FEM-Feldsimulationen im
Niederfrequenzbereich für Elektromechanische
Anwendungen
Maxwell
Maxwell ist ein etabliertes FEM-Software-Werkzeug für die Berechnung von niederfrequenten elektrischen
und magnetischen Feldern. In Kombination mit ANSYS Workbench ist Maxwell insbesondere für die Simulation von elektrischen Antrieben (Elektromotoren, Elektromagnete etc.) zugeschnitten.
!
| Veranstaltungshinweise
■ Kostenfreies Webinar
Elektromagnetische Analysen
mit Maxwell und Systemsimulation
mit Simplorer
Details, Termine, Anmeldung
www.cadfem.de/webinare
■ Kostenfreier Informationstag
ANSYS Mechatronik
Details, Termine, Anmeldung
www.cadfem.de/infotage
Maxwell ist ein neuer Teil der ANSYS Suite
für die Auslegung von elektromechanischen
Systemen. Durch die Verzahnung der Einzelwerkzeuge und dem Austausch von
Daten mit ANSYS Mechanical und ANSYS
CFD sind komplexe Berechnungen von
elektromechanischen Systemen, z.B. thermische oder akustische Wechselbeziehungen, schnell und effizient in ANSYS Workbench möglich.
Maxwell ist das FEM-basierte Modul für die
Berechnung niederfrequenter elektrischer
und magnetischer Felder. Ergänzt wird es
im Bereich der analytischen Berechnung
von Elektromotoren durch RMxpert bzw.
von Spulensystemen durch PExpert sowie
zur Systemsimulation mit Simplorer.
Die Berücksichtigung von orthotropen
nichtlinearen magnetischen Materialeigenschaften und speziellen Laminatmodellen
für Elektrobleche erlaubt die genaue Be<<
stimmung von Verlusten.
30
Infoplaner 01/2010
Merkmale von Maxwell
■ Seminar
• 3D/2D-transiente nichtlineare FEMSimulationen mit Bewegungen und
angekoppelten externen Schaltungen
Simulation elektromagnetischer Felder
mit Maxwell
• Grundlagen der Magnetfeldsimulation
• Struktur und Bedienung
• Präzise Lösung von Wirbelstromaufgaben unter automatischer
Berücksichtigung von Skintiefen
• Statische Feldsimulationen an
• Analyse statischer nichtlinearer Magnetfelder und Ableitung von Parametern
für die Weiterverwendung in Systemsimulationen mit Kennfeldern
• Transiente Magnetfeldsimulation
ausgewählten Beispielen
• Feldsimulation im Frequenzbereich
an ausgewählten Beispielen
• Optimierung an ausgewählten Beispielen
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/seminare/maxwell
• Schneller und effektiver Aufbau und
Berechnung von Elektromotoren
Weitere Informationen
www.cadfem.de/maxwell
• Berücksichtigung orthotroper nichtlinearer magnetischer Materialeigenschaften und spezieller Laminatmodelle für Elektrobleche
i
| Information
Ansprechpartner zu Maxwell
Udo Killat, CADFEM Grafing
• Lösung elektrischer Feldaufgaben
(transient, Elektrostatik, Stromleitung)
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-23
E-Mail ukillat@cadfem.de
ANSYS
Neue ANSYS Produkte
Simulation von mechatronischen
und Multi-Domain Systemen
Simplorer
Simplorer ist eine leistungsstarke Simulationslösung für die Entwicklung von elektrischen, mechatronischen,
leistungselektronischen und elektromechanischen Systemen.
!
| Veranstaltungshinweise
■ Kostenfreies Webinar
ANSYS Lösung für die Leistungselektronik: Simplorer
• Multi-Domain Beispiele
• 3-Phasen-Wechselrichter mit PWMSteuerung an einer Asynchronmaschine
• IGBT-Schaltverhalten elektrisch-thermische Simulation mit MOR
• Asynchroner Windgenerator
Details, Termine, Anmeldung
www.cadfem.de/webinare
■ Seminar
Simplorer ist das Software-Werkzeug
von ANSYS zur Multi-Domain-Simulation.
Berücksichtigt werden können dabei sämtliche Aspekte eines Gesamtsystems, einschließlich Elektronik, Sensoren/Aktuatoren,
Motoren, Generatoren, Umrichtern, Steuerungen und eingebetteter Software.
Durch die umfangreiche und erweiterbare
Modellbibliothek (z.B. durch VHDL-AMS
Modellen aus Mechanik, Magnetik, Hydraulik, Pneumatik, Thermik) lässt sich die
Brücke über unterschiedlichste Physiken
schlagen.
Die Anwendung von Ordnungsreduktiosmethoden (MOR) erlaubt zudem die Nutzung von Verhaltensmodellen aus ANSYS
Mechanical und ANSYS CFD und damit die
präzise und effiziente Berechnung von
komplexen Systemen.
Typische Einsatzgebiete sind beispielsweise das thermische Management in einem
Batterie-Pack oder auch die Abbildung
kompletter Antriebsstränge bei Hybrid<<
oder Elektrofahrzeugen.
Merkmale von Simplorer
Systemsimulation mit Simplorer
und ANSYS Mechanical
• Modellierung von Schaltungen aus
der Leistungselektronik
• Grundlagen von Simplorer
• Modellreduktion
• Von ANSYS Mechanical nach Simplorer
• Multi-Domain: Berücksichtigung von
Systemen auf verschiedenen Ebenen
- Schaltung
- Blockdiagramm
- Zustandsautomat
- VHDL-AMS
- Mathematische Gleichungssysteme
- Co-Simulation mit FEM
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/seminare/simplorer
Weitere Informationen
www.cadfem.de/simplorer
• Analyse von Systemen bestehend aus
u.a. elektrischen, thermischen, mechanischen und hydraulischen Subsystemen
• Optimierung von Regelungen von
mechanischen Systemen (Vibrationsdämpfung)
i
| Information
Ansprechpartner zu Simplorer
Udo Killat, CADFEM Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-23
E-Mail ukillat@cadfem.de
Infoplaner 01/2010
31
ANSYS
Neue ANSYS Produkte
Integrierte Betriebsfestigkeitsanalyse
ANSYS nCode DesignLife
Bauteilbeanspruchungen analysieren und bewerten – durchgängig in einer Arbeitsumgebung, dies realisiert
ANSYS nCode DesignLife. Einheitliche Datenbanken für Material und Lasten sowie standardisierte Workflows
unterstützen den Anwender bei schnellen und zuverlässigen Aussagen zur möglichen Lebensdauer seiner
Bauteile.
!
| Veranstaltungshinweise
■ Seminar
Betriebsfestigkeitsanalyse mit
ANSYS und nCode DesignLife
• Phänomene der Werkstoffermüdung
• Berechnungskonzepte
• Numerische Betriebsfestigkeitsanalyse
• FE-Ergebnisse für die Betriebsfestigkeitsanalyse
• Nachweisbeispiele nach FKM und IIW
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/seminare/designlife
■ Seminar (produktneutral)
Angewandte Methoden der
Betriebsfestigkeit
• Phänomene der Werkstoffermüdung
• Berechnungskonzepte
Ziel einer Betriebsfestigkeitsanalyse ist die
Identifikation von potentiell kritischen Bereichen der Struktur und die Bestimmung
der Betriebsdauer bis es zu einem Anriss
kommt. Einflussfaktoren wie Material, LastZeit-Verlauf und Spannungszustand werden nach aktuellen Methoden ausgewertet und geben dem Anwender Hinweise
auf mögliche Schwachstellen.
Merkmale von ANSYS nCode DesignLife
Zusätzlich zu den allgemeinen spannungsund dehnungsbasierten Nachweiskonzepten können mit ANSYS nCode DesignLife
Lastszenarien editiert und zusammengestellt werden, die die Bewertung unterschiedlicher Einsatzprofile für die Struktur
erlauben. Die Auswirkungen von harmonischen und statistischen Belastungen (PSD)
können direkt im Frequenzbereich analy<<
siert werden.
• Nachweise unter Berücksichtigung
von ASME- und FKM-Richtlinie
• Numerische Betriebsfestigkeitsanalyse
• FE-Ergebnisse für die Betriebsfestigkeits-
• Über vordefinierte Workflows können
Standardanalysen schnell und einfach
durchgeführt werden
analyse
• Nachweisbeispiele nach FKM und DIN
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
• Durchgängige Parametrisierbarkeit in
ANSYS Workbench: Von der Geometrie bis zur berechneten Lebensdauer
www.esocaet.com/seminare
Weitere Informationen
www.cadfem.de/designlife
• Große Materialdatenbank im ANSYS
Workbench-Format
• Hohe Effizienz durch Filterung von
Zeitreihen und paralleles Rechnen
i
| Information
Ansprechpartner zu
• Erfassung aller denkbaren Lastszenarien: quasistatisch, transient, determiniert oder statisch
ANSYS nCode DesignLife
Rainer Rauch, CADFEM Stuttgart
Tel. +49 (0) 711-99 07 4-22
E-Mail rrauch@cadfem.de
32
Infoplaner 01/2010
ANSYS
Neue ANSYS Produkte
Mehrkörpersimulation (MKS)
ANSYS Rigid Dynamics
ANSYS Rigid Dynamics ist an sich keine neue Software. Die aktuelle Version enthält viele neue nichtlineartransiente Berechnungsmöglichkeiten, um in ANSYS Workbench Starrkörpersimulationen durchzuführen.
!
| Veranstaltungshinweise
NEU!
■ Webinar-Training
Mehrköpersimulation mit ANSYS
• Einführung und Grundlagen der MKS
• Mehrkörpersimulation in
ANSYS Workbench
• Selbständige Bearbeitung von Beispielen
• Kombination mit anderen ANSYS Tools
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/webinare/mks
■ Seminar
ANSYS Mehrkörpersimulation
flexibler und starrer Körper
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/seminare/mks
Weitere Informationen
Ziel der Starrkörpersimulation ist es schnell
und effizient Gelenk- und Lagerkräfte dynamisch beanspruchter Systeme zu bestimmen. Der Anwender erhält die Möglichkeit, schon sehr frühzeitig Bewegungsradien zu ermitteln und dadurch Baugruppen auf Kollision zu überprüfen.
Alle in der Starrkörperanalyse ermittelten
Belastungen können exportiert und an flexiblen Bauteilen aufgebracht werden.
Durch die Nutzung der Substrukturtechnik
(CMS) ist der Anwender zudem nicht nur
in der Lage, flexible und starre Bauteile in
transienten Berechnungen zu koppeln sondern auch Rechenzeiten enorm zu verkür<<
zen.
Merkmale von ANSYS Rigid Dynamics
www.cadfem.de/mks
• Schnelle und komfortable Berechnung
von Starrkörpersystemen
• Export von Belastungen aus der
Starrkörperanalyse und Aufbringung
an flexiblen Bauteilen für statisch
mechanische Analysen
• Kopplung starrer und flexibler Bauteile
in transienten Analysen
• Anwendung von Substrukturtechniken
auf flexible Bauteile zur Verkürzung
von Rechenzeiten
• Kopplung der Mehrkörpersimulation
mit anderen Disziplinen wie Optimierung oder Lebensdauerberechnungen
i
| Information
Ansprechpartner zu
ANSYS Rigid Dynamics
Oliver Siegemund, CADFEM Chemnitz
Tel. +49 (0) 371-33 42 62-15
E-Mail osiegemund@cadfem.de
Infoplaner 01/2010
33
ANSYS
Neue ANSYS Produkte
Faserverbundwerkstoffe
ANSYS Composite PrepPost
Die Simulation von Composite-Strukturen erfordert bezüglich Faserorientierung und Laminataufbau innovative und praxisorientierte Modellierungs- und Auswertungsmöglichkeiten. Basierend auf einem detaillierten
Anforderungskatalog aus der Industrie wurde ANSYS Composite PrepPost, eine effiziente Simulationsumgebung für geschichtete Composites, entwickelt.
!
| Veranstaltungshinweise
■ Kostenfreies Webinar
ANSYS Composite PrepPost
Details, Termine, Anmeldung
www.cadfem.de/webinare
■ Seminar
Composite simulieren mit
ANSYS Composite PrepPost
• Einführung in Composite Materialien
• Klassifikation und Eigenschaften von
Composite Materialien
• Definition von geschichteten Composites
in ANSYS
• Versagen-Kriterien
• Delamination
ANSYS Composite PrepPost bietet für die
Modellierung geschichteter CompositeStrukturen ein breites Spektrum an effizienten Funktionalitäten zur Material- und
Laminatdefinition.
Merkmale von ANSYS Composite
PrepPost
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
• Einzigartige Funktionalitäten
zur Materialdefinition
Weitere Informationen
Integriert in ANSYS Workbench 12 wird
mit ANSYS Composite PrepPost der große
Vorteil einer assoziativen CAD-Kopplung
genutzt. Design- und Vernetzungsvarianten können so sehr effizient durchgespielt
werden, da alle composite-spezifischen Features CAD-basiert und automatisierbar zu
definieren sind.
• Oriented Element-Set Konzept für
mehrfache Materialauflegerichtungen
ANSYS Composite PrepPost ist über Python
im Pre- und Postprocessing skriptfähig und
<<
damit vollständig automatisierbar.
• Einzigartige Möglichkeiten zur
Versagensanalyse von Composites
www.cadfem.de/seminare/composites
www.cadfem.de/composites
NEU!
■ Sommerakademie
Composites
• Effiziente Modellierung von Schalen
und Solids
19. – 23. Juli 2010
an der Fachhochschule Nordwestschweiz (IKT)
in Brugg bei Windisch (Schweiz)
• Drapieren und Abwicklung einzelner
Lagen
Details, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.ch/seminare/sommerakademie
• Übersichtliche Ergebnisdarstellung
als „Ply Book“
i
| Information
Ansprechpartner zu
ANSYS Composite PrepPost
Dr.-Ing. Matthias Hörmann, CADFEM Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41
E-Mail mhoermann@cadfem.de
34
Infoplaner 01/2010
ANSYS
Neue ANSYS Produkte
Aufbereitung von CAD-Geometrien
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler
Der ANSYS SpaceClaim Direct Modeler stellt in einer leicht zu erlernenden Umgebung hilfreiche Werkzeuge
zur FEM-gerechten Erstellung und Manipulation von CAD-Geometrien zur Verfügung.
!
| Veranstaltungshinweise
■ Kostenfreies Webinar
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler –
intuitive Bearbeitung von CAD-Geometrien
• Geometrie-Erstellung und Philosophie
• Reparatur und Modifikation
• Nachparametrisierung
Details, Termine, Anmeldung
www.cadfem.de/webinare
■ Seminar
Intuitive Geomterieerstellung und
-aufbereitung mit ANSYS SpaceClaim
Direct Modeler
• Geometrie-Erstellung
• CAD-Import/-Export
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler ermöglicht die Geometriereparatur und Modellerstellung auf sehr einfache Weise und
überzeugt durch eine intuitive Bedienung.
Dabei können Geometrien in direkt assoziativ und historienfrei manipuliert werden.
Merkmale von ANSYS SpaceClaim
Direct Modeler
• Geometrie-Reparatur
• Erstellung von Volumen- und Schalengeometrien
• Geometrie-Aufbereitung für FEM
- Manuell
- Defeautern
- Mittelflächenextraktion
• Reparatur von CAD-Geometrien
Die Oberfläche ist äußert schnell erlernbar,
da wenige selbsterklärende Werkzeuge die
Arbeit an CAD-Geometrien aus unterschiedlichsten Quellen unterstützen.
- Automatisch
- Balkenextraktion
- Parametrisierung
• Vereinfachung von CAD-Geometrien
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
• Nachträgliche Parametrisierung
von CAD-Geometrien
www.cadfem.de/seminare/spaceclaim
Weitere Informationen
Neben der Reparatur und Vereinfachung
von importierten CAD-Daten besitzt der
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler ein weiteres Alleinstellungsmerkmal: Die besondere Funktionalität zur Erstellung und Extraktion von Balken- und Schalenmodellen. Der ANSYS SpaceClaim Direct Modeler ist über eine assoziative Schnittstelle in
<<
ANSYS Workbench integriert.
• FE-spezifische Vorbereitung
von Geometrien:
- Festlegung von Flächen-Imprints
- Festlegung von Komponenten
- Erzeugung von Mittelflächen
von dünnwandigen Strukturen
- Extraktion von Innenvolumen für
Strömungsberechnungen
- Erzeugung von Hüllvolumen für
Strömungsberechnungen
www.cadfem.de/spaceclaim
i
| Information
Ansprechpartner zu
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler
Christian Meyer, CADFEM Grafing
• Erstellung und Extraktion von Balkengeometrie
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-25
E-Mail cmeyer@cadfem.de
Infoplaner 01/2010
35
ANSYS
Noch mehr herausholen aus ANSYS!
Je intensiver die Möglichkeiten, die eine Software bietet, genutzt werden, desto höher ist der „Return on
Investment“ für den Anwender. Das vielfältige ANSYS Seminarprogramm von CADFEM unterstüzt ANSYS
Kunden, frühzeitig, schnell und gezielt Know-how auf- und auszubauen.
Welchen Wert hat eine ANSYS Lizenz,
wenn derjenige, der sie nutzen soll, nicht
die entsprechenden Grundlagen erlernt
hat? Mit den CADFEM Einführungskursen
zu ANSYS erhalten Anwender eine solide
Ausgangsbasis, um viele Aufgaben sicher
und gut zu lösen. Im Bereich der Strukturmechanik sind sie in der Lage, Fragen
nach Verformungen und Spannungen für
lineare Systeme und für einfache nichtlineare Baugruppensysteme zu beantworten. Mittels Modalanalysen können sie
konstruktive Verbesserungsvorschläge für
schwingende Strukturen liefern.
Früher oder später folgen Aufgaben, die
Wissen erfordern, das den Umfang eines
Einführungskurses übersteigt und man
kommt an einen Punkt, an dem man sich
fragt, ob das eine oder andere nicht schneller oder einfacher geht. Dazu gehören z.B.
komplexes Materialverhalten, aufwändige
Kontakte in Baugruppen, Koppelung verschiedener Physiken und Aufgaben der Dy-
namik im Zeitbereich oder unter Berücksichtigung aufwändiger physikalischer Effekte wie Reibung. Nur das Ausprobieren
nach dem „Trial and Error Prinzip“ kostet
Zeit, die man im Berechnungsalltag oft nicht
hat.
Hier setzen die ANSYS Vertiefungsseminare von CADFEM zu Methodik, Material und Dynamik an. In diesen wird Fachwissen aufgebaut, um auch weitergehende komplexere Aufgabenstellungen auf Anhieb zielsicher bewältigen zu können.
Ausgewählte ANSYS Vertiefungsseminare
36
Nichtlineare Berechnungen
in der Strukturmechanik
Materialmodelle in ANSYS –
Grundlagen und Anwendung
Strukturdynamische
Berechnungen mit ANSYS
• Lösungseinstellungen nichtlinearer
Berechnungen
• Ergebnisauswertung
• Geometrische Nichtlinearitäten
• Stabilitätsuntersuchungen
• Metallplastizität
• Kunststoffe
• Kontaktberechnungen
•
•
•
•
•
•
• Eigenfrequenzen und Eigenformen
• Frequenzganganalyse – harmonische
Analyse
• Lineare und nichtlineare transiente
Berechnungen
• Theoretische Grundlagen – Integrationsverfahren für die DGL im Zeitbereich
Details, Termine, Kosten
www.cadfem.de/seminare/
nichtlinear
Details, Termine, Kosten
www.cadfem.de/seminare/
materialmodelle
Infoplaner 01/2010
Überblick über Materialklassen
Hyperelastisches Materialverhalten
Elastoplastisches Materialverhalten
Viskoelastisches Materialverhalten
Viskoplastisches Materialverhalten
Weitere Materialmodelle in ANSYS
Details, Termine, Kosten
www.cadfem.de/seminare/
strukturdynamik
ANSYS
ANSYS Tuning
Unabhängig von der Komplexität der
ANSYS Berechnungen bieten die ANSYS
Programmpakete eine Vielzahl an „Tricks“
Die Erzeugung von Modellen, die Organisation von Datentransfers oder die Aufbereitung von Ergebnissen gehören zu den
Aufgaben, die viel Zeit kosten, die dann oft
für die eigentliche Ingenieurtätigkeit fehlt.
Wussten Sie schon:
- wie einfach mit ANSYS Geometrieoperationen ausgeführt werden können?
„Simulationssoftware effizienter einsetzen“ ist eine Veranstaltungsreihe, die
Sie dabei unterstützt zeitintensive „Zusatzaufgaben“ ohne Qualitätsverlust zu
verkürzen und somit mehr Zeit und Raum
für Ihre eigentlichen Ingenieursaufgaben
<<
zu haben.
- dass sich Netze mit wenigen Handgriffen
so erzeugen lassen, dass Analysen schneller und stabiler laufen?
- dass über ein kurzes Skript der Funktionsumfang hinsichtlich Materialmodellen und Kontakten stark erweitert
werden kann?
und Funktionalitäten, die die Berechnungsarbeit ohne großen Mehraufwand leichter,
die Ergebnisse aussagekräftiger machen.
- dass ANSYS selbst für Variationen, die
eine Änderung der Geometrie notwendig machen vollautomatische Prozesse
bereitstellt, um Ihnen wichtige und unwichtige Parameter aufzuzeigen und
auch optimale und vor allem robuste Produktvarianten erzeugt?
i
| Information
Ansprechpartner Seminare
Deutschland
Deutschland
Marc Vidal
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-18
E-Mail mvidal@cadfem.de
Österreich
Bernhard Hößl
Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-11
E-Mail bernhard.hoessl@cadfem.at
Schweiz
Davide Valtorta
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-01
E-Mail davide.valtorta@cadfem.ch
www.cadfem.de/seminare
Ausgewählte Seminare der Reihen „Simulationssoftware effizienter einsetzen“
Von der Geometrie
zum optimalen Netz
Effektiver Einsatz von
Kommandoobjekten
Robust Design mit optiSlang
und Workbench
• Topologische Vereinfachung von
Geometrien
• Kopplung der Topologie für konforme
Netze
• Geometrieaufteilung für effizientere
Vernetzung
• Gemischte Tet-Hex-Vernetzung
• Strukturierte Vernetzung
• Modellierung von Prismenschichten
• Vernetzung von Schalenmodellen
• Adaption für nichtlineare Berechnungen
• Gradientenmodellierung für Feldaufgaben
• Lokalisieren der Ursachen von
Vernetzungsschwierigkeiten
• Workbench und Philosophie
• Grundeinführung in die Mechanical
APDL Oberfläche
• Diagnostik in ANSYS Workbench
• Erstellen von formatierten Tabellen in
Dateien mittels APDL
• Lastszenarien und Auswertung
• Reaktionskräfte
• Bestimmung von Schnittgrößen
• Einführung in APDL
• Tabular Loads
• Beispiel: Lastinterpolation
• Makroprogrammierung und Integration in Workbench
• Lastaustausch zwischen Analyseumgebungen mit ASCII-Daten
• Gradienten-basierte Optimierung
• Evolutionsstrategie und Genetische
Algorithmen
• Design of Experiment und Antwortflächenverfahren
• Adaptive Antwortflächenverfahren
• Pareto-Optimierung
• Sensitivitätsanalyse und Robustheitsanalyse
• Korrelationsanalyse
• Bestimmtheitsanalyse
• Zuverlässigkeitsanalyse Design for
Six Sigma
Details, Termine, Kosten
www.cadfem.de/seminare/
designmodeler
Details, Termine, Kosten
www.cadfem.de/seminare/
APDL
Details, Termine, Kosten
www.cadfem.de/seminare/
robustdesign
Infoplaner 01/2010
37
ANSYS
High Performance Computing (HPC)
mit ANSYS 12.1
Die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens wird maßgeblich von seiner Innovationskraft, der Funktionalität, Sicherheit, Qualität und Langlebigkeit seiner Produkte und von seiner Fähigkeit, diese schnell zur
Marktreife zu bringen, bestimmt. Die Rolle der Simulation wird hier generell immer wichtiger, wobei HPCAnwendungen in den Fokus rücken.
gelöst. Die dafür notwendigen DMPSolver (Distributed Memory Parallel) für
strukturmechanische Anwendungen
wurden in ANSYS 12.1 noch einmal deutlich verbessert. Für nichtlineare Kontaktprobleme steht jetzt z.B. ein neuer TrimAlgorithmus zur Verfügung, mit dem die
ANSYS HPC bei der Volkswagen AG: Gekoppelte
Simulation von Strömung und nichtlinearer
Strukturmechanik zur Bewertung der temperaturindizierten Spannungen eines
Abgaskrümmers. (Mit freundlicher
Genehmigung der Volkswagen AG)
Um gegenüber einer Versuchsanordnung mit Prototypen gleich zu ziehen,
erfordert eine Computersimulation eine
sehr detaillierte und realitätsnahe Modellbildung. Da die feine Vernetzung der zu
untersuchenden Struktur zu einem größeren Gleichungssystem führt, das bei der
Verarbeitung am Computer höhere Rechenzeiten und Speicheranforderungen beansprucht, können Berechnungen von besonders großen Modellen sogar Tage dauern.
Mit HPC – High Performance Computing
– kann hier gegengesteuert werden. ANSYS
hat den wachsenden Bedarf an HPCAnwendungen frühzeitig antizipiert und
bietet seinen Nutzern mit der Lizenzierung
ANSYS HPC eine enorm leistungsfähige
Lösung.
Wann ist HPC sinnvoll?
• Geschwindigkeit
Die Schnelligkeit von HPC basiert zunächst
auf der parallelen Bearbeitung der Analyse auf mehreren Prozessoren. Die gesamte Berechnungsaufgabe wird auf einer
Mehrprozessor-Workstation oder einem
Compute Cluster aufgeteilt und von den
verfügbaren Prozessorkernen gleichzeitig
38
Infoplaner 01/2010
Aufteilung der vorhandenen Kontaktbereiche im FE-Modell auf die einzelnen Prozessorkerne (Domain Decomposition) wesentlich verbessert wurde. Dies senkt die
Latenzzeiten beim parallelen Lösen des Gleichungssystems und führt damit zu einer
ausgewogenen, gleichmäßigen Verteilung
im Cluster.
• Große Modelle
HPC Technologie versetzt den Anwender
in die Lage, sehr große Baugruppen mit einem hohen Detaillierungsgrad berechnen
zu können. Es ensteht dadurch kein Aufwand für eine Modellvereinfachung.
Kompromisse in Form eines groben Berechnungsmodells gehören damit der Vergangenheit an. Stattdessen wird die Struktur nahezu realitätsgetreu abgebildet, was
zu Systemen mit mehr als 20 Millionen Freiheitsgraden führen kann, die mit der HPC
Funktionalität von ANSYS 12.1 sehr gut
beherrschbar sind.
• Komplexe physikalische Aufgabe
Neben Schnelligkeit, Modellgröße und Genauigkeit spielt auch das physikalische Problem eine wichtige Rolle beim HPC-Einsatz.
Mit ANSYS HPC können auch Berechnungsaufgaben mit einem extrem hohen Komplexitätsgrad (z.B. Multiphysik) in einem
darstellbaren Zeitfenster bearbeitet werden.
• Optimierungsaufgaben
Die Anwendung von numerischen Optimierungsverfahren geht oft mit sehr großen
Rechenzeiten einher. Die Ursache dafür ist,
dass zur Bestimmung der sogenannten Response Surface, die man für die Ermittlung
des Minimums eines Optimierungsproblems
braucht, viele Stützstellen berechnet werden müssen. Es ist also keine Seltenheit,
dass 100 und mehr Berechnungsläufe gemacht werden müssen, um eine Optimierungsaufgabe zu lösen. Durch eine parallelisierte Analyse könnte sehr viel Rechenzeit eingespart werden.
Welche Voraussetzungen müssen nun
erfüllt sein, um HPC mit ANSYS 12.1
einsetzen zu können?
• Hardware Anforderungen
(CPU und RAM):
Um die Distributed Memory Parallel Solver
von ANSYS 12.1 effizient einzusetzen, wird
eine stark ausgebaute Workstation oder
auch ein Compute Cluster benötigt, ausgestattet mit den neuesten Prozessoren
von Intel oder AMD. Gut bewährt hat sich
der Nehalem 4-Kern Prozessor von Intel,
der in jede gängige Workstation oder Cluster Computer verbaut werden kann. Typischerweise werden pro Workstation bzw.
Cluster-Knoten 2 Nehalem Prozessoren verwendet, was zu 8 parallelen Prozessorkernen führt. Bei einer 8 Core Maschine sind
mindestens 32 GB RAM erforderlich um eine gute Performance des DMP Solvers zu
erzielen. Die Größe des erforderlichen
Hauptspeichers ist dabei vor allem von der
Aufgabenstellung abhängig.
ANSYS
• Interconnect und Message Passing
Interface (MPI)
Sehr entscheidend beim Einsatz von Compute Clustern ist die Vernetzung der einzelnen Compute Nodes untereinander.
Denn während der Berechnungsphase findet stets eine Datenkommunikation
zwischen dem Master-Rechner im Cluster
(= Head Node) und den Compute Nodes
statt. Das verwendete Message Passing
Interface (MPI) dient dabei als Kommunikationsprotokoll. Kommerzielle Versionen von
MPI gibt es von HP (HP-MPI), Microsoft
(MS-MPI) und Intel (Intel-MPI). MPI ist lauffähig auf Gigabit-Ethernet, Infiniband oder
jedem anderen Netzwerk, auf dem ein
WinSock Direct Treiber implementiert ist.
System Name
Site
System Family
System Model
Computer
Vendor
Application area
Installation Year
Operating System
Memory
Interconnect
Processor
kationssoftware, die andere für die Berechnungsdaten (Scratch- und Resultfiles).
Für die zentrale Speicherung von Daten
sind zusätzliche Storage Lösungen empfehlenswert.
• Software Anforderungen
Neben ANSYS 12.1 setzt HPC natürlich
auch ein geeignetes Betriebssystem voraus. Im Windows-Bereich verwendet man
Microsoft HPC Server 2008. Dies ist eine
Erweiterung von Windows Server 2008 für
parallelisierte Applikationen. Dieses Betriebssystem wird auf jedem Cluster Knoten installiert und sorgt für die gesamte
Kommunikation der einzelnen Cluster Knoten mit dem Head Node.
JUROPA
(Rang 13 weltweit)
FZ Jülich
Sun-Bull-ParTec Cluster
NovaScale R422-E2/Sun Blade 6048
system
Sun Constellation, NovaScale R422-E2,
Intel Xeon X5570, 2.93 GHz,
Sun M9/Mellanox QDR Infiniband/
Partec Parastation
Bull SA
Not Specified
2009
SUSE Linux
80806 GB
Infiniband
Intel EM64T Xeon X55xx (Nehalem-EP)
2930 MHz (11.72 GFlops)
Vienna Scientific Cluster
(Rang 156 weltweit)
TU Wien
Sun Blade System
Sun Blade X2270
Sun Blade X2270, Xeon X5550
2.66 Ghz, Infiniband QDR
Cluster verbunden ist. Hier wird auch das
Pre- und Postprozessing für die Berechnung
gemacht. Nach der Erstellung des Modells
wird der Rechenlauf zum HPC Cluster geschickt. ANSYS hat dafür mit dem RSM
(Remote Solve Manager) ein eigenes Tool
entwickelt. Der RSM übermittelt die Daten
an die Compute Nodes für die Berechnung
und holt die Berechnungsergebnisse
(Result Files) wieder auf den Workbench
Client zurück. Zudem verwaltet RSM auch
die ANSYS Job Queue (Warteschlange) wo
der Status aller ANSYS Jobs einsehbar ist.
<<
✒|
Autoren
Jens Otto, Peter Tiefenthaler,
Sun Microsystems
Research
2009
Cell OS
10464 GB
Infiniband
Intel EM64T Xeon X55xx (Nehalem-EP)
2660 MHz (10.664 GFlops)
Heinrich Richter, CADFEM Grafing
i
| Information
Benchmarks und Ausblick ANSYS 13
www.cadfem.de/hpc
Ansprechpartner ANSYS HPC
Eine zu geringe Datenübertragungsrate
kann die gesamte Performance eines
Clusters zerstören. Deshalb ist es sehr wichtig, sich neben CPU und Hauptspeicher
auch über das Interconnect des HPC Clusters zu informieren. Als Minimum verwendet man ein Interconnect mit einer
Übertragungsgeschwindigkeit von 1 GBit/
sec (Gigabit Ethernet). Es gibt aber auch
noch wesentlich schnellere Verbindungen
wie z.B. Infiniband 4x, mit der eine Datenübertragung von 40 Gbit/sec erreichbar
ist.
• Data Storage I/O
Bei großen Berechnungen fällt eine erhebliche Datenmenge an. Daher müssen
während der Berechnung auf jedem verwendeten Cluster-Knoten große Festplatten vorhanden sein. Meistens setzt man
zwei Platten pro Knoten ein: Eine als
Systemplatte für Betriebssystem und Appli-
Integrierte Tools (HPC Cluster Manager,
HPC Job Manager) sind beim Einrichten
des Clusters und beim Verwalten der Rechenjobs sehr hilfreich.
Peter Tiefenthaler, CADFEM Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-44
E-Mail ptiefenthaler@cadfem.de
Aktuelles Angebot
Die Alternative für den Clusterbetrieb mit
ANSYS HPC heißt Unix/Linux. Speziell bei
den sehr großen Hochleistungsclustern
ist oft Unix erste Wahl. Aktuell wird ANSYS
gerade auf dem Cluster JUROPA am
Forschungszentrum Jülich und dem Vienna Scientifit Cluster an der TU Wien
implementiert, also auf zwei der 500
schnellsten Compute Cluster weltweit (vgl.
www.top500.org und Tabelle).
Anbindung Client – Solver
(ANSYS RSM)
Wie funktioniert die Abarbeitung eines HPC
Jobs mit ANSYS Workbench? Zunächst
braucht man einen ANSYS Workbench
Client, quasi als „Frontend“, das mit dem
Gemeinsam mit IBM, Microsoft und Intel
bietet CADFEM derzeit ein ANSYS HPC-Upgrade Bundle zu attraktiven Konditionen an.
Informationen unter www.cadfem.de/hpc
oder bei Herrn Tiefenthaler
!
| Veranstaltungshinweis
Besuchen Sie uns auf der International
Supercomputing Conference vom
30. Mai – 3. Juni 2010 in Hamburg
am Stand 430 bei Microsoft
www.supercomp.de
Infoplaner 01/2010
39
ANSYS
ANSYS Workbench:
Noch flexibler durch Diffpack-Integration
Durch die Integration der Diffpack-Produktlinie des CADFEM-Partners inuTech in ANSYS Workbench können
in der gewohnten komfortablen Benutzerumgebung viele zusätzliche, insbesondere auch kundenspezifische
technisch-wissenschaftliche Phänomene simuliert werden. Dazu gehören bestimmte chemische Vorgänge,
die den bislang bekannten Rahmen der FEM-Analyse sprengen.
allel Toolbox (Parallelisierung von
Berechnungen), die
Diffpack Datafilter
Toolbox (Konvertierung z.B. von
ANSYS), die Diffpack Multilevel
Toolbox (Mehrgitterverfahren) oder
die Diffpack Adaptivity Toolbox (adaptive Verfeinerung
Bild 1: Der Workflow für die Integration von Diffpack in ANSYS Workbench
der Gitter). Das objektorientierte Konzept von Diffpack erEine Vielzahl von Phänomenen in Natur und
möglicht eine schnelle und flexible EntTechnik kann durch Differentialgleichungen
wicklung von Anwendungen für alle Arten
beschrieben werden. Die Diffpack Produktvon Berechnungsproblemen.
linie zur numerischen Modellierung und Lösung der verschiedensten Typen von DiffeWorkbench-Customization
rentialgleichungen setzt hier an. Diffpack,
Die in ANSYS verfügbare Simulationstechein Produkt der inuTech GmbH aus Nürnnologie deckt bereits ein enormes Löberg, ist eine auf der Programmiersprache
sungsspektrum für verschiedenste physiC++ basierende objektorientierte Klassenkalische Aufgabenstellungen aus allen Bebibliothek. Die Möglichkeiten von Diffpack
reichen der Ingenieurwissenschaften. Manerstrecken sich von der Lösung von stochache, meist benutzerspezifische Probleme,
stischen Differentialgleichungen bis hin zur
können jedoch über den Funktionsumfang
Implementierung von gekoppelten Systevon ANSYS hinausgehen, wie z.B. die Simen. Der Diffpack-Kernel enthält mehr als
mulation der chemischen Reaktionen im
600 Klassen zur Simulation und numerischen
Lösung von Differentialgleichungen. Beispiele hierfür sind die Finite Element Methode (FEM), die Finite-Differenzen-Methode (FDM) oder auch diverse Präkonditionierer und Solver für die resultierenden Gleichungssysteme. Soll eine Differentialgleichung mit Diffpack numerisch gelöst werden, kann der Benutzer die entsprechenden
Klassen einbinden und auf die bereits existierenden Funktionalitäten zugreifen. Für
die Entwicklung eines Diffpack-Solvers werden Kenntnisse in der objektorientierten Programmierung mit C++ benötigt.
Zusätzlich zum Diffpack-Kernel sind mehrere Toolboxen verfügbar: die Diffpack Par-
40
Infoplaner 01/2010
Solid, oder die Modellierung neuer Strahlungsmodelle. Durch die Integration eines
Diffpack-Solvers werden auch solche Aufgaben in ANSYS Workbench lösbar. Der
Anwender vernetzt sein Modell in gewohnter Weise in Workbench und definiert
Randbedingungen, Lasten und die Lösungseinstellungen. Im Anschluss kann in
Workbench der Diffpack-Solver gestartet
werden, der bereits für die entsprechende
Aufgabenstellung angepasst wurde. Nach
der Berechnung werden die Ergebnisse in
eine für Workbench lesbare .rst-Datei geschrieben. Diese Ergebnisdatei wird von
Workbench eingelesen, wodurch die Daten für die Auswertung zur Verfügung stehen. Darüber hinaus stehen die Ergebnisse als „Imported Load“ für weitere Analysen in ANSYS zur Verfügung.
Anwendungsbeispiel
Ausgehend von der kunden-spezifischen
Aufgabenstellung „Faser-Stabilisierung“
sollte ein 2D-Modell, basierend auf der Publikation „Model of Stabilization for PANBased Carbon fiber precursor bundles“ von
M.G. Dunham und D.D. Ediet; Center for
Advanced Engineering Fibers; Clemson University, für die Berechnung der Stoffmengenkonzentration und der
Wärmeentwicklung durch
eine Kette von chemischen
Reaktionen in einem Bündel von Fasern erstellt und
numerisch über die Zeit
berechnet werden. Für die
Lösung der Aufgabe sind
insgesamt vier gekoppelte Differentialgleichungen
zu lösen, drei für die chemischen Reaktionen und
eine für den Wärmetransport mit Diffusionsanteil.
Diffpack kommt bei dieser
Aufgabe für die Lösung
Bild 2: Die Beispielaufgabe, integriert in ANSYS Workbench, gelöst mit Diffpack
ANSYS
inuTech – Innovative Numerical Technologies
Die inuTech GmbH ist ein deutsches Beratungsunternehmen, das Software-, Entwicklungs- und Beratungsdienstleistungen
im mathematischen und ingenieur-wissenschaftlichen Bereich anbietet. inuTech entwickelt und vermarktet die Produkte
Diffpack und NLP++ (www.inutech.de/nlp) zur numerischen Modellierung, Simulation und nichtlinearen Optimierung und
verfügt über profunde Erfahrungen auf dem Gebiet der FEM-Technologie und der ingenieurwissenschaftlichen Beratungsdienstleistung.
Das Team von inuTech besteht aus derzeit 20 innovationsfreudigen und hoch qualifizierten Mitarbeitern, die jahrelange Forschungs- und Entwicklungserfahrung, u.a. auf den Gebieten mathematischer und numerischer Modellierung mit partiellen
Differentialgleichungen (PDEs), Optimierung und optimaler Steuerung vorweisen können. In diesen Anwendungsgebieten
zählt inuTech zu den weltweit führenden Dienstleistern.
Die umfangreichen Erfahrungen des Unternehmens in Forschung und Entwicklung
sowie seine intensive Kooperation mit der Industrie und wissenschaftlichen Institutionen (z.B. Fraunhofer, Max-Planck, Uni Bayreuth, Uni Erlangen, Uni Würzburg,
Virginia Polytechnic Institute and State University) gewährleisten innovative und
praxisrelevante, auf den Kunden zugeschnittene Lösungen.
Optimierung eines AIRBUS - A400M Flügel
Zu den weltweit über 300 Industriekunden von inuTech zählen u. a. AREVA NP
GmbH, AIRBUS Deutschland GmbH, Air Force Research Lab, ANSYS Inc., Cadence,
CADFEM GmbH, Canon, Daimler AG, Embratel, Glas Trösch, Harman/Becker Automotive Systems, Intel Corporation, LMS International, Lockheed Martin, Mitsubishi
Materials, NASA, Nippon Steel Corporation, PTC, Robert Bosch GmbH, Schaeffler
Technologies GmbH, Siemens Medical Solutions, Siemens Magnet Technology,
ThyssenKrupp Stahl AG, TriQint Semiconductor, XEROX und ZF Friedrichshafen AG.
Die inuTech Expertise umfasst insbesondere:
• Numerische Modellierung und Lösung von Differentialgleichungen und mathematischen Optimierungsproblemen
• Entwicklung von kundenspezifischer Simulations- und Optimierungssoftware
• Durchführung von Schulungen in angewandter und numerischer Mathematik, Mathcad, Diffpack, NLP++ und numerische Methoden in den angewandten Wissenschaften
• Umfangreiche Programmiererfahrung (Fortran, C, C++, C#, Java, .NET, Visual Basic, Python, etc.)
inuTech GmbH
Fürther Strasse 212
90429 Nürnberg
Germany
Tel: +49 (0) 911-32 38 43-0
E-Mail info@inutech.de
www.inuTech.de
www.diffpack.com
| Zusatzinformation |
dieser Differentialgleichungen zum Einsatz.
Der mit Diffpack entwickelte chemische
Solver benötigt lediglich die Netzinformationen, eine Liste der Parameter für die Beschreibung der Physik sowie einige Werte
zur Voreinstellung für den Ablauf des Solvers.
Nimmt man an, dass das Bündel von Faser
ein homogenes Material ist, so lässt sich
das 2D-Modell in ANSYS als „Solid“ modellieren und wird in ANSYS Workbench
entsprechend vernetzt. Für die Definition
der Randbedingungen, der Lasten, der pro-
blemspezifischen Parameter und diverser
Parameter für den Diffpack-Solver wird ein
problemabhängiger Eingabeassistent in die
ANSYS Workbench-Benutzeroberfläche integriert. Somit ist der Anwender in der Lage, sein physikalisches Problem vollständig
über Eingaben in ANSYS Workbench zu
definieren. Nach Übergabe dieser Daten
an den Diffpack-Solver startet im Hintergrund die Berechnung der Ergebnisse, welche dann wiederum in ANSYS Workbench
visualisiert werden. In Bild 2 ist ein Screenshot von Workbench zur Berechnung der
Temperaturverteilung aufgrund der che-
mischen Reaktionen in einem homogenen
Faserbündel nach einer transienten Berechnung dargestellt. Die mit Hilfe eines
Diffpack-Solvers berechneten Knotentemperaturen können weiterverwendet werden, z.B. für die Lösung eines strukturme<<
chanischen Problems.
✒|
Autor
Frank Vogel, inuTech GmbH
Tel. +49 (0) 911-32 38 43-10
E-Mail frank.vogel@inutech.de
Infoplaner 01/2010
41
ANSYS
Die CADFEM Toolbox – eine neue Idee
zur Erweiterung der Funktionalität von
ANSYS & ANSYS Workbench
CADFEM gibt hier einen kurzen Ausblick auf einen „Werkzeugkasten“ für ANSYS und ANSYS Workbench:
Die CADFEM Toolbox. Sie wird aktuell von CADFEM auf Wunsch verschiedener Kunden entwickelt.
Die Intention ist, zum einen zusätzliche Werkzeuge in ANSYS zur Verfügung zu stellen, die die tägliche
Berechnungsarbeit vereinfachen und zum anderen bestimmte kundenspezifische Funktionalitäten in ANSYS
Workbench einzubinden.
Die Funktionalitäten der CADFEM Toolbox
werden als OpenSource-Musterlösungen
angeboten und erlauben den Anwendern
somit eine flexible und freie Anpassung an
eigene Bedürfnisse. Um interessierten Anwendern den Zugang zur enthaltenen Technologie so einfach wie möglich zu gestalten, werden entsprechende Einführungsseminare angeboten. Eine darüber hinausgehende Beratung zur Anwendung oder
Weiterentwicklung kann in Form von Consulting-Projekten erfolgen.
Eine erste Version der CADFEM Toolbox soll
bis Mitte 2010 realisiert werden und steht
interessierten Kunden ab dann zur Verfügung. In die erste Version werden zunächst
zwei Hauptprogramme integriert. Der Entwicklungsplan sieht dann eine jährliche Erweiterung und kontinuierliche Weiterentwicklung der Toolbox vor.
Schweißsimulation mit
VirtualWeldShop
Als erstes Werkzeug wird die von CADFEM
entwickelte Lösung zur Simulation des
Schweißprozesses Virtual Weld Shop (VWS)
Bild 1: Schweißsimulation mit VWS/S: 5-Lagen-Naht
42
Infoplaner 01/2010
in die CADFEM Toolbox aufgenommen.
Das VWS stellt dem Benutzer anwendungsspezifische Methoden und Routinen
zur Simulation von Verzug und Eigenspannungen bei Schweißprozessen zur Verfügung.
Bei der Anwendung profitiert der Benutzer von der Kombination aus der vertrauten komfortablen Handhabung von ANSYS
Workbench und einer von Spezialisten für
Spezialisten entwickelten Simulationslösung für den Prozess des Schweißens.
Materialparameter aus dem
Voce Curve Fitting Tool
Darüber hinaus wird das ebenfalls von
CADFEM entwickelte „Voce Curve Fitting
Tool“ der zweite Bestandteil der Startversion der CADFEM Toolbox. Das „Voce
Curve Fitting Tool“ ermittelt aus Messwertdaten (σ-ε(ρ)) die Materialparameter
für nicht-lineare isotrope Verfestigungsmodelle, die dann in ANSYS Workbench
verwendet werden können. Auch hier versetzt die Integration des Tools in die Workbench Umgebung den Anwender in die Lage, bisher nur aufwändig ermittelbare Materialparameter, die
aus dem Angleichen der Kurve
entstanden sind, schnell und einfach in den Materialmanager der
Workbench zu implementieren.
Als weiteres Werkzeug werden
Skripte (Makros) in die Toolbox
integriert, die in dem ANSYS Mechanical/Simulation-Umfeld dem
Benutzer einige sich immer wiederholende Aufgaben abnehmen oder vereinfachen sollen.
Hierzu zählen zum Beispiel Ma-
Bild 2: CADFEM Voce Curve Fitting Tool
kros, die das Selektieren nach speziellen
Kriterien (Flächeninhalt, Volumen) ermöglichen oder automatisch alle Im ANSYS
Workbench-Baum definierte Bilder in ein
Verzeichnis speichern. Dank der langjährigen Erfahrung in der Entwicklung von speziellen Softwareroutinen für und um ANSYS
durch das einschlägige Team von CADFEM,
das eng mit dem eigenen Consulting-Bereich zusammenarbeitet, ist es eine schnelle, effiziente und zuverlässige Umsetzung
des CADFEM Toolbox Konzeptes gewährleistet. Zug um Zug werden weitere Werkzeuge auf einfache und kostengünstige
Weise eingebunden und den CADFEM
<<
Kunden zugänglich gemacht.
✒|
Autor
Autor und Ansprechpartner
ANSYS Workbench Customization
Stefan Gotthold, CADFEM Berlin
Tel. +49 (0) 30-4 75 96 66-24
E-Mail sgotthold@cadfem.de
CADFEM
CADFEM Consulting
Hydro-Acoustic Simulation of a Hydraulic Hammer
Transient Sound Emission Analysis During Offshore Pile Driving of Monopiles
Task
In the swiftly growing offshore wind industry, sound emission especially under water
is a growing concern. In order to determine the peak sound pressure at certain
locations in advance a detailed numerical
simulation of the transient driving impact
and the related hydroacoustics is necessary.
As an example a large monopole with
conical shape (total length 50 m, diameters 3 m – 4,75 m, wall thickness 50 mm)
was investigated which was installed with
the hydraulic MENCK hammer MHU 800S.
The impact energy is 820 kJ which generates an impact force of 85 MN. The final
penetration depth of the pile is 20 m and
the water depth is 22 m.
Solution
Using the ANSYS® Workbench™ environment, a flexible dynamics model was set
up to assess the underwater noise emission from hammer impact, through the pile
and into the surrounding area.
FE model:
• Nonlinear contacts
• ANSYS acoustic elements simulate water
environment
• Transient vibration/acoustic analysis of
impact sound
• Two-way algorithm (strong, matrix coupling) simultaneously calculates the interaction of Fluid & Structure (FSI) for structural displacement and sound pressure
values
Customer Benefit
High noise levels are easily accessed
through this simulation. Hence appropriate noise protection systems can be developed such enclosing the pile in a “bubble
curtain” or an auxiliary pile with air cambers, treatment of the pile surface or other
<<
solutions.
❑
| Pictures
Figures by Courtesy of Menck GmbH. Photo
composition by Jan-Stefan Knick, CADFEM
Results:
GmbH. The ANSYS, Inc. awarded this photo
composition in the 2009 ANSYS Multiphy-
• Axial displacement produces radial bending vibration in the pile. Sound vibration within the pile is responsible for
sound emission
• Also shown at right are the three simulated microphone signals
sics Online Gallery Competitio.
www.ansys.com/corporate/gallery
i
| Information
Contact
Dr. Marold Moosrainer, CADFEM Grafing
Phone +49 (0) 80 92-70 05-45
E-Mail mmoosrainer@cadfem.de
www.cadfem.de/consulting
Infoplaner 01/2010
43
ANSYS
Mikromechanische Untersuchung von faserverstärkten Kunststoffen mit ANSYS HPC
Faserverstärkte Kunststoffe liegen in vielen Branchen im Trend. Entsprechend der rapide gestiegenen
Nachfrage wird auch die Forschung weiter intensiviert. ANSYS, insbesondere speziell auch die High Performance Computing (HPC) Anwendung, eignet sich hier als Werkzeug für die detaillierte Modellierung einzelner Faserbündel und der umgebenden Matrix. Entwicklungsingenieure erhalten so einen detaillierten Einblick in das mikromechanische Verhalten der Werkstoffe, aus dem ein optimales Werkstoffdesign abgeleitet
werden kann.
die faserverstärkten Kunststoffe auszeichnen machen sich u.a. der klassische Maschinenbau, der Fahrzeugbau oder auch
der Flugzeugbau mit anspruchsvollen Anwendungen zu Nutze.
Bild 1: 2/2 Twill Gewebelaminat
Die Werkstoffgruppe der faserverstärkten
Kunststoffe ist gekennzeichnet durch topologisch nicht zusammenhängende Fasern und der Matrix, die die Fasern umschließt. Durch die unterschiedliche Anordnung der Fasern und verschiedene Faserbzw. Matrixmaterialen können innovative
Werkstoffe erzeugt werden, die sich in
ihren mechanischen Eigenschaften, aber
auch in ihren Kosten gravierend unterscheiden. Die Flexibilität in Verbindung mit
großer Stabilität bei geringem Gewicht, die
Bild 2: Periodische Einheitszelle
44
Infoplaner 01/2010
Eine spezielle Gruppe der faserverstärkten
Kunststoffe sind Gewebelaminate, ein Geflecht aus Kohlestofffasern. Bild 1 zeigt ein
Gewebelaminat mit einer 2/2 Twill Bindung,
das hier näher untersucht wird. Es besteht
aus verwebten Faserbündeln, die in der
Fachsprache als Kette (blau) bzw. Schuss
(grün) bezeichnet werden. Die Faserbündel sind vom Matrixmaterial umgeben, womit eine zusammenhängende Struktur entsteht. Die Matrix ist in Bild 1 grau-transparent eingefärbt.
Mikromechanik der Werkstoffe
Die makromechanischen Eigenschaften von
Gewebelaminaten sind einerseits abhängig von den geometrischen Abmessungen
und der topologischen Anordnung der
Faserbündel und anderseits von elastischen
Materialeigenschaften der Matrix und der
Faserbündel. Diese zahlreichen Parameter
ermöglichen auf mikroskopischer Skala ein
gezieltes Design eines Werkstoffes hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften. Stetig steigende Rechnerleistungen
und eine hervorragenden Parallelisierbarkeit von Simulationsläufen mit ANSYS standen Pate für die Analyse von Werkstoffen
mittels FEM und begründeten so das junge Wissenschaftsgebiet der Mikromechanik.
Das Konzept der mikromechanischen Untersuchung von Werkstoffen beruht auf
der Annahme, dass sich ein repräsentatives Volumen im Werkstoff periodisch wiederholt. Die Auswahl des repräsentativen
Bild 3: Finite Elemente Netz (Matrix ausgeblendet)
Bild 4: Festigkeitsbewertung der Faserbündel mittels Tsai Wu
Kriterium
Bild 5: Festigkeitsbewertung der Matrix mittels der Von Mises
Spannung
Volumens hängt vom untersuchten Werkstoff ab und wird häufig auch „Einheitszelle“ genannt. Bild 1 und 2 zeigen eine
Einheitszelle für ein 3-schichtiges Gewebelaminat. Dabei wird jedes einzelne Faserbündel und die umgebene Matrix als eigenständiges Volumen modelliert und vernetzt, was einen tiefen Einblick in die Mechanik der Werkstoffe möglich macht.
ANSYS
Parallelisierung mit ANSYS HPC
Eine empirische Ermittlung der Einflüsse
dieser zahlreichen Parameter über praktische Versuche ist äußerst kosten- und zeitintensiv. High Performance Computing
(HPC) Simulationen sind eine sehr effiziente Alterantive dazu. ANSYS bietet mit
dem Produkt ANSYS HPC durch das Parallelisieren eines Jobs auf mehrere Prozessoren die Möglichkeit, die Rechenzeit radikal
zu verringern. Im konkreten Fall konnte die
Berechnung eines nichtlinearen Modells
mit 5 Millionen Freiheitsgraden durch den
Einsatz von 8 Prozessoren in nur 30 Minuten durchgeführt werden. Die Zeitersparnis macht sich insbesondere dadurch bemerkbar, dass eine Vielzahl komplexester
Modellvariationen innerhalb kürzester Zeit
analysiert und verglichen werden kann.
gesteigert werden konnte. Bild 6 zeigt
nochmals die Einheitszelle des 3-schichtigen Gewebelaminates, wobei die mittlere
Laminateinzelschicht relativ zur obersten
und untersten Schicht verschoben ist. (vgl.
Bild 2)
Bild 7: Deformationsplot des Gewebelaminates mit Anordnung der mittleren Laminateinzelschicht nach Abbildung 2
(Matrix ausgeblendet)
Bild 8: Deformationsplot des Gewebelaminates mit Anord-
FEM-Modell und Spannungsbewertung
Die Vernetzung des Modells erfolgte mittels Tetraeder mit dem quadratischen Ritz
Ansatz. In Bild 3 ist exemplarisch das FEMNetz der Faserbündel dargestellt, wobei die
Matrix ausgeblendet ist.
Für die Festigkeitsbewertung musste die
Spannungsauswertung der Faserbündeln
und der Matrix getrennt erfolgen. Die
Festigkeitsbewertung der Faserbündel
erfolgte mittels des bereits in ANSYS integrierten Tsai Wu Kriteriums für faserverstärkte Kunststoffe. Bild 4 zeigt den inversen Laststeigerungsfaktor des Tsai Wu Kriteriums innerhalb der Faserbündel. Für die
Festigkeitsbewertung der Matrix wurde die
„Mises Spannung“ verwendet (Bild 5).
nung der mittleren Laminateinzelschicht nach Abbildung 6
(Matrix ausgeblendet)
Bild 9: Zugsteifigkeit in Abhängigkeit der relativen Positionierung von je 2 benachbarten Schichten
Ergebnisauswertung
Auf der Basis des parametrisch aufgebauten FEM-Modells können in ANSYS über
die vollautomatische Steifigkeits- und Festigkeitsermittlung verschiedene topologische Konfigurationen und Geometrieabmessungen der Faserbündel untersucht
Diese bereits geringfügige relative Verschiebung von zwei benachbarten Einzelschichten führt zu einem signifikant anderen Deformations- und Festigkeitsverhalten
des Gewebelaminates. In Bild 7 ist der Deformationsplot eines Gewebelaminates mit
„unverschobener“ mittlerer Einzelschicht
dargestellt und das Gewebelaminat selbst
zeigt eine ausgeprägte Wellenbildung. Wird
nun die mittlere Laminateinzelschicht wie
in Bild 6 angeordnet, so wird die Wellenbildung des Gewebelaminates verhindert.
Dies wird durch einen Deformationsplot in
Bild 8 demonstriert. Diese beschriebene Deformationsbehinderung beeinflusst sowohl
die Steifigkeit als auch die Festigkeit des
Gewebelaminates. In Bild 9 ist die Zugsteifigkeit und in Bild 10 ist die Zugfestigkeit
des Gewebelaminates für verschiedene Positionierungen der mittleren relativ zur untersten Einzelschicht aufgetragen. Beide
Abbildungen zeigen, dass durch eine richtige relative Positionierung von je zwei benachbarten Einzelschichten des Gewebelaminates die Steifigkeit und Festigkeit deutlich gesteigert werden kann. Während mit
diesem innovativen Ansatz eine theoretische Steifigkeitserhöhung um 6 % erzielt
werden kann, beträgt die theoretische
<<
Festigkeitserhöhung sogar 73 %.
✒|
Autor
Andreas Lobner
E-Mail andreas.lobner@gmx.at
Der Beitrag ist eine Zusammenfassung der
Diplomarbeit am Institut für Leichtbau und
Struktur-Biomechanik an der TU Wien.
!
Bild 6: Verschobene Mittelschicht
| Veranstaltungshinweis
Bild 10: Zugfestigkeit in Abhängigkeit der relativen Positionie-
■ Seminar
rung von je 2 benachbarten Schichten
Kunststoffe und ihre Berechnung
werden. Unter diesen zahlreichen Konfigurationen wurde ein innovativer Ansatz
gefunden, durch den die Steifigkeit und
Festigkeit des Gewebelaminates deutlich
10. – 11. August 2010 in Stuttgart
Details, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/seminare
Infoplaner 01/2010
45
Grundlagen & Technologie
3D-Kunststoffdruck:
Materialsimulation auf multiplen Skalen
Seit etwa 20 Jahren wird im 3D-Kunststoffdruck intensiv an generativen Verfahren geforscht, bei welchen
üblicherweise ein Grundmaterial in Schichten aufgetragen und anschließend selektiv verfestigt wird. Aus
CAD-Daten werden in der Baujobvorbereitung fortlaufende Bauteilquerschnitte berechnet, an die
Anlagensteuerung gegeben und dann Schicht für Schicht produziert. So können auch komplexe Strukturen
ohne Mehraufwand gefertigt werden. Die Herausforderungen liegen zum Einen in der Optimierung der
Materialeigenschaften zum Anderen im noch geringen Prozessverständnis und der damit einhergehenden
geringen Wiederholgenauigkeit.
Im Rahmen eines von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Projektes sollten das Prozessverständnis für den 3DKunststoffdruck erweitert sowie die mechanischen Eigenschaften der erzeugten
Bauteile verbessert werden. Um die Materialeigenschaften zu modellieren und durch
Variation der Parameter zu optimieren, wurde eine Mikro-Makro-Simulation des Werkstoffs erstellt. Zur Simulation des Prozesses und des Werkstoffes kamen die Simulationsprogramme ANSYS und Digimat zum
Einsatz. Dabei wurde in einem ersten Schritt
das Materialsystem mit Digimat MF modelliert und so mittels Reverse Engineering
einige Werkstoffkennwerte, wie beispielsweise der Elastizitätsmodul des Binders, ermittelt. Diese Daten werden anschließend
verwendet, um mit Digimat FE erzeugte
Materialmodelle in ANSYS auf ihre mechanischen Eigenschaften hin zu untersuchen.
Schritt 1: Simulation mit Digimat MF
Das nach dem 3D-Drucken feste Material
(PolyPorA) besteht zu 57,5 % aus Pulver
des Kunststoffes Polymethylmethacrylat
(PMMA), das mit 7,5 % Binder verklebt
wird. Aufgrund der Schüttdichte der Kugeln besteht eine Restporosität von 35 %.
Die Materialeigenschaften des PMMA (EModul = 3200 MPa; Poisson-Zahl =
0,3), der Poren (E-Modul << 1, PoissonZahl = 1) und des Gesamtmaterials PolyPorA (σΒ = 3,2 MPa; εΒ = 1,1 %; EModul = 400 MPa.) sind bekannt,
während die des Binders mittels Reverse
Engineering ermittelt werden mussten. Mit
Hilfe der Daten konnte ein Materialmodell
zur Homogenisierung aufgestellt werden,
welches allerdings noch keine unterschiedlichen Korngrößen berücksichtigte.
Durch Abgleich der Simulationsdaten von
PolyPorA mit denen des Experiments konnten die Eigenschaften des Binders mit
E-Modul = 18 MPa und Poisson-Zahl
ν = 0,3 bestimmt werden.
Die in Bild 1 dargestellten Kurven zeigen
die Ergebnisse der Simulation aus Digimat
MF. Deutlich ist zu erkennen, dass die Festigkeit des Binders geringer ist als die des
Gesamtmodells und insbesondere als die
des PMMA. Die Grafik veranschaulicht zudem die sehr unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der Komponenten.
Die Spannungs-Dehnungs-Kurve des PMMA
zeigt die für gängiges PMMA übliche Festigkeit. Völlig konträr sind dagegen die Eigenschaften von Luft, für die ein E-Modul
von << 1 MPa vorgegeben wurden, da
Dehnung quasi unendlich aufgenommen
werden kann. Die Festigkeit des Binders hat
ebenfalls einen sehr niedrigen Wert und ist
gemeinsam mit der hohen Porosität ausschlaggebend für die insgesamt geringe
Festigkeit des Gesamtmaterials PolyPorA.
Diese Eigenschaft war so erwartet worden
und wurde durch REM-Aufnahmen der
Bruchfläche eines Zugstabes aus PolyPorA
bestätigt (Bild 2). Es ist deutlich zu erkennen, dass das Material immer an den Bindungsstellen der Kugeln, also im Binder,
bricht.
Bild 1: Spannungs-Dehnungs-Diagramm der einzelnen Komponenten aus Digimat MF
46
Infoplaner 01/2010
Schritt 2: Simulation mit Digimat FE
Um ein Materialmodell zu erzeugen, das
als repräsentative Geometrie in ANSYS eingeladen werden kann, wird das Programmmodul Digimat FE verwendet. Dieses ermöglicht die Erstellung dreidimensionaler Modelle, welche als STEP- oder
IGES-Format ausgegeben und in andere
Programme, wie ANSYS oder CATIA, importiert werden können. Die Verteilung der
Grundlagen & Technologie
von 47,1 % lagen
ca. 5 % der Partikel
ungebunden vor.
Dies hatte einen
negativen Einfluss
auf die Festigkeit, da
diese Partikel zwar
theoretisch den Spannungsquerschnitt im
Zugversuch erhöhten, jedoch im Experiment keine Kraft
übertragen konnten,
da ihnen die Verbindung zu den anderen Partikeln fehlte.
Bild 2: REM-Aufnahme der Bruchfläche eines PolyPorA-Zugstabes
Phasen wird analog zu den in Digimat verwendeten gewählt, jedoch kann eine experimentell ermittelte Korngrößenverteilung für das PMMA-Pulver vorgegeben sowie die Pulverkörner mit Binderflüssigkeit
umhüllt werden. So können die entstehenden Zwischenräume realitätsnah als
Luft modelliert werden. Es wurden zwei
Modelle erstellt, welche beide eine Porosität von 35 % hatten, der Binder- und
PMMA-Anteil variierten jedoch, da in Serienanlagen der Randbereich der Bauteile
mit erhöhtem Bindereintrag gedruckt wird.
Bild 3 zeigt ein Modell mit einem Bindereintrag von 7,5 % analog zu Digimat MF.
Zur Erstellung solcher Modelle können verschiedenste Parameter, wie beispielsweise
Partikelgröße, Korngrößenverteilung, Bindereintrag und Porosität, variiert werden.
Anschließend kann in ANSYS deren Einfluss auf die Materialeigenschaften untersucht werden. Die in Digimat FE erstellten
Modelle zeigen ein interessantes Charakteristikum: Nicht alle Partikel liegen im Endmaterial gebunden vor. Bei einem Füllgrad
Simulation mit ANSYS
Die Materialstruktur wurde als STEP-Datei
aus Digimat exportiert und in ANSYS geladen. Nach der Vorgabe der Randbedingungen konnte das repräsentative Volumenelement mit Kräften belastet und der
Kraftverlauf über die Partikel abgebildet
werden. Durch Belastung unterschiedlicher
Modelle aus Digimat konnten die Auswirkungen unterschiedlicher Porositäten, Bindereinträge, Korngrößen und -verteilungen modelliert und eine geeigenete Strategie zur Optimierung der Bauteileigenschaften abgeleitet werden.
Zusammenfassung und Ausblick
Es wurde ein Simulationsmodell in Digimat
aufgebaut, welches die Mikrostruktur und
weitere Werkstoffeigenschaften abbilden
kann. So wurden beispielsweise die mechanischen Eigenschaften des Binders bestimmt
sowie repräsentative Volumenelemente mit
einem Füllgrad von bis zu 52 % erzeugt.
Diese wurden ersten Untersuchungen in
ANSYS unterzogen, um den Kraftverlauf
über die Partikel abzubilden.
Zukünftig muss das Modell erweitert werden. Das schließt sowohl die Erstellung weiterer Materialstrukturen als auch deren Untersuchung in ANSYS analog zur bisherigen Vorgehensweise ein. Des Weiteren
muss ein Makro-Modell aufgesetzt werden, welches die Schwundproblematik anhand eines Temperaturfeldes und des
schichtweisen Aufbaus umsetzt. Hierfür ist
die Verwendung kinetischer Modelle an<<
gedacht.
✒|
Autoren
Imke Nora Kellner, Michael F. Zäh,
IWB Anwenderzentrum Augsburg
www.iwb-augsburg.de
i
| Information
Ansprechpartner zu Digimat
Dr. Jan Seyfarth, CADFEM Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-86
E-Mail jseyfarth@cadfem.de
!
| Veranstaltungshinweis
Seminar
Multiskalensimulation für Ingenieure
4. Mai 2010 in Grafing b. München
Das Seminar richtet sich an Ingenieure und
Materialhersteller, die sich mit dem detaillierten Verständnis von Werkstoffen befassen. Die Teilnehmer bekommen ein anschauliches, grundlegendes Verständnis für
die Multiskalensimulation. Das Seminar bietet zunächst den theoretischen Überblick
über die gängigen Simulationsmethoden
auf den unterschiedlichen Skalen (Nano/
Mikro/Makro). Der Hauptfokus liegt im Weiteren auf der praktischen Umsetzung der
Kopplung zwischen der Mikrostruktur von
Materialien und dem Werkstoffverhalten
auf Bauteilebene (Makro). Für die Demonstration der praktischen Beispiele werden
die Programme Materials Studio, Digimat
und ANSYS Workbench genutzt.
Details, Kosten, Anmeldung
Bild 3: Materialmodell in Digimat FE und REM-Aufnahme des PolyPorA-Materials
www.cadfem.de/seminare
Infoplaner 01/2010
47
Grundlagen & Technologie
Nichtlinearitäten in der strukturmechanischen
FEM-Berechnung
In der Mechanik-Ausbildung der Ingenieure sind zumindest anfänglich alle Zusammenhänge linear.
Damit dies gilt, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
• Gleichgewicht am unverformten System
• kleine Verdrehungen (Rotationen)
• linear-elastisches Materialverhalten
Nichtlineares Material, große Rotationen, Kontakt: Einbringung eines Implantates aus Formgedächtnismetall in die Gehörschnecke Cochlea
Wenn von einer dieser Voraussetzungen
abgewichen wird, hat man es mit einem
nichtlinearen Problem zu tun. Die Betrachtung des Gleichgewichts am verformten System, die Theorie 2. Ordnung,
englisch auch Stress Stiffening genannt,
führt am einzelnen Stab dazu, dass die
Längskräfte Einfluss auf die Momente desselben Stabes haben. Bereits bei Rahmen
48
Infoplaner 01/2010
haben aber die Momente des einen Stabes Einfluss auf die Längskräfte des anderen, sodass sich insgesamt ein System ergibt, dessen Gleichungen iterativ gelöst
werden. Diese Theorie wird regelmäßig im
Bauwesen eingesetzt, um stabilitätsgefährdende Einflüsse einschließlich Imperfektionen zu berücksichtigen. Sie ist außerdem die Grundlage für die lineare Beul-
analyse, bei der die kritische Last durch Lösen eines Eigenwertproblems bestimmt
wird, wobei angenommen wird, dass bis
dahin das Verhalten linear ist.
Treten vor dem Versagen größere Drehungen auf, muss der Einfluss der Winkelfunktionen berücksichtigt werden. Für beliebig große Drehungen kann dies über die
Grundlagen & Technologie
doch, dass die Längenänderung gleich
minus Ausgangslänge ist, der Körper mithin die Länge 0 aufweist, obwohl er noch
Volumen hat.
Beulmusterwechsel als Ursache für ein Konvergenzproblem
Beziehung zwischen Dehnungen und Verschiebungen (Green‘sche oder GreenLagrange-Dehnungen) oder durch Bezug
auf ein mitdrehendes Koordinatensystem
mathematisch formuliert werden. Die Notwendigkeit dafür beginnt schon bei wenigen Grad Verdrehung im System; bei dünnwandigen Bauteilen gilt auch die Faustregel, dass große Rotationen zu berücksichtigen sind, wenn die Durchbiegung
größer als die Dicke wird. Zuerst hat bei
überbestimmt gelagerten Systemen die
Durchbiegung einen Einfluss auf die Längskräfte, größere Drehungen führen zu einer
wesentlichen Änderung der Geometrie.
Beulform eine Anregung für eine ungünstige Imperfektion bekommen.
Stabilitätsprobleme können mit einer Theorie großer Drehungen ohne einschränkende Voraussetzungen berechnet werden.
Auch ist es möglich, nach einem ersten
Beulen, nach dem die Last noch weiter erhöht werden kann, die Berechnung fortzusetzen und in den nachkritischen Bereich
zu gelangen. Dies ist z.B. bei ausgesteiften
Blechkonstruktionen der einzig zuverlässige Weg, die maximal aufnehmbare Last zu
bestimmen. Über ein Eigenwertproblem
kann man hier nur noch eine Vorstellung
von deren Größenordnung und aus der
Bei großen Dehnungen geht man davon
aus, dass es für die Dehnungsänderung
gleichgültig sein sollte, ob eine wesentliche
Vordehnung existiert oder nicht. Für den
Dehnungszuwachs wird die Längenänderung daher auf die aktuelle Länge bezogen.
Durch Integrieren kommt man auf ein logarithmisches Dehnmaß (wie der „Umformgrad“). Der Unterschied ist besonders
im Druckbereich auffällig. Wenn die lineare, die Ingenieurdehnung gegen -1 geht,
geht die logarithmische Dehnung gegen
-∞. Das scheint vernünftig, bedeutet es
Kommt es bei Überschreiten der kritischen
Last zu einem Lastabfall bei Zunahme des
Weges, würde dies bei einer kraftgesteuerten Berechnung zur Nichtkonvergenz
führen. Weiter kommt man mit Pfadverfolgungsalgorithmen wie dem Bogenlängenverfahren in verschiedenen Ausprägungen.
Von Stabilitätsproblemen betroffen sind
vor allem schlanke oder dünnwandige Bauteile.
Für den Anwender eines Berechnungsprogrammes ist von Bedeutung, das verwendete Dehnmaß und das zugeordnete Spannungsmaß zu kennen, weil SpannungsDehnungs-Linien in der Regel passend zur
verwendeten Theorie eingegeben werden
müssen. Zur logarithmischen oder HenckyDehnung gehört die Cauchy-Spannung,
die sich eindimensional aus Kraft durch
Fläche im verformten Zustand ergibt und
daher auch „wahre“ Spannung genannt
wird.
Große Rotationen und große Dehnungen
werden kombiniert durch Anwendung
eines logarithmischen Maßes auf die
Green‘schen Verzerrungen oder durch
Summation von Inkrementen im mitdrehenden Bezugssystem.
Bei der Berechnung mit Finiten Elementen
treten bei großen Dehnungen leicht starke
Elementverzerrungen auf, die zur Ergebnisverschlechterung und zu Konvergenzproblemen führen. Dem kann begrenzt
durch eine an die erwartete Verformung
angepasste Vernetzung begegnet werden.
Ansonsten helfen Rezoning (Glattziehen
des Netzes bei Beibehaltung des topologischen Zusammenhanges) und Remeshing
(Neuvernetzung auf der Basis der verformten Geometrie). Dabei muss jedoch beachtet werden, dass das verformte System
Spannungen aufweist, die so von einem
Netz zum anderen übertragen werden müssen (Mapping), dass weiterhin Gleichgewicht herrscht. Gleiches gilt für Variablen,
die die Vorgeschichte des Materials enthalten (z.B. plastische Dehnungen).
Die Fülle der Materialgesetze ist inzwischen
kaum noch überschaubar. Man unterscheidet jedoch folgendes grundsätzliche
Verhalten:
• Hyperelastizität für gummiartige
Materialien
Gleiches System, verschiedene Theorie: hell: linear,
Vergleich von Spannungs- und Dehnungsmaßen bei gleichem
dunkel: große Drehungen
Kraft-Weg-Verlauf
Es ist üblich, Spannungen durch Ableitungen eines Energiefunktionals nach den
Dehnungen zu bestimmen. Dadurch werden die Materialparameter schnell unan-
Infoplaner 01/2010
49
Grundlagen & Technologie
schaulich und die Parameterbestimmung
schwierig. Ein Problem bei der Berechnung
stellt dar, dass diese Materialien zwar stark
verformt werden können, dabei ihr Volumen aber nicht ändern, also inkompressibel sind. Das bedeutet, dass es keinen konstitutiven Zusammenhang zwischen Druck
und Volumendehnung gibt, was bei Finiten Elementen zu numerischen Schwierigkeiten führt. Zur Umgehung benötigt man
spezielle Elementformulierungen. Von steifen Materialen umschlossene Gummibauteile bleiben trotzdem problematisch.
Verhaltung unzureichend ist, kann mit kinematischer Verfestigung der BauschingerEffekt beschrieben werden.
• Kriechen
Vergleich zyklischer Spannungs-Dehnungs-Linien bei kinematischer und isotroper Verfestigung
• Visko-Elastizität
• Elasto-Plastizität
Das Verhalten eines Bauteils ist vom zeitlichen Verlauf der Lastaufbringung abhängig. Verstreicht nach der Entlastung jedoch
eine hinreichend lange Zeit, wird die ursprüngliche Form wieder eingenommen.
In der linearen Visko-Elastizität wird der Zusammenhang zwischen Spannungen und
Dehnungen weiterhin durch den Elastizitäts- bzw. durch Schub- und Kompressionsmodul beschrieben, die jedoch zeitabhängig werden.
Diese Theorie wurde speziell für Metalle
entwickelt. Bis zum Erreichen einer Fließgrenze verhält sich das Material linear elastisch. Danach treten plastische, d.h. bleibende, Dehnungen auf und die Entlastung
erfolgt auf einem anderen Spannungs-Dehnungs-Pfad als die Belastung. Zur Theorie
gehören:
Visko-elastisches Verhalten ist temperaturabhängig. Typisch ist die Verwendung einer Analogie zwischen Temperatur und Geschwindigkeitseinfluss. Dabei wird der Temperatureinfluss durch Umrechung in eine
Pseudo-Zeit (womit die effektive Geschwindigkeit verändert wird) mittels einer so
genannten Shift-Funktion, z.B. der WLFGleichung (nach Williams, Landel, Ferry)
berücksichtigt.
Stark visko-elastisch verhalten sich z.B.
Schäume. Visko-Elastizität tritt aber auch
bei den gummiartigen Materialien auf
(Visko-Hyperelastizität, wobei die Parameter des Energiefunktionals zeitabhängig
werden), bei Kunststoffen (der auf die
Streckung der ungeordneten langen Molekülketten entfallende Anteil, die EntropieElastizität, ist elastisch und zeitabhängig)
und sogar bei Glas in bestimmten Temperaturbereichen.
Der gern genannte frequenzabhängige Elastizitätsmodul ist eigentlich ein Effekt der
Visko-Elastizität. Trotzdem kann bei Analysen im Eigenfrequenzbereich die Verwendung eines frequenzabhängigen E-Moduls sinnvoll sein.
50
Infoplaner 01/2010
· Die Fließbedingung
Sie gibt an, wann bei einem mehrdimensionalen Spannungszustand Fließen eintritt, typischerweise indem aus dem mehrachsigen Spannungszustand eine Vergleichsspannung berechnet und der aktuellen Spannung aus einer Fließkurve gegenübergestellt wird. Bei den Fließbedingungen unterscheidet man vor allem solche, die vom hydrostatischen, also allseitig gleichen Spannungsanteil abhängen
(z.B. Drucker-Prager), und solche, bei denen das nicht der Fall ist (z.B. von Mises).
Letztere Gruppe ist für kompakte Metalle
geeignet, erstere für körnige Materialien
wie Granulate, Pulver und Böden.
Kriechen bezeichnet das zeitabhängige Entstehen bleibender Dehnungen und wird
beobachtet bei Metallen bei höheren Temperaturen, vielen anderen Werkstoffen, besonders aber bei Kunststoffen. Gleichungen für Kriechen geben die Kriechgeschwindigkeit an, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur, der Spannung und
entweder der Zeit oder der Dehnung. Ersteres ist einfacher, Letzteres bei wesentlicher Laständerung richtiger.
Eine weitere Nichtlinearität stellt Kontakt
dar. Dabei sind die Festhaltungen oder die
Übergangsbedingungen zwischen zwei
Körpern von der Verformung abhängig.
Schwierigkeiten sind die effektive Kontaktsuche, damit nicht alle überhaupt möglichen Kontaktpaarungen abgearbeitet werden müssen, die Feststellung, ob ein Punkt
direkt senkrecht über oder unter einem
Flächenstück liegt, die Bestimmung von
Abstand oder Eindringung und die Berechnung der Kraft, die notwendig ist, um
eine Eindringung zu verhindern. Die Behandlung von Finiten Elementen mit Mittenknoten ist auch nur mit speziellen Algorithmen möglich.
· Die Fließregel
Sie gibt an, wie die plastischen Dehnungsinkremente von den Spannungskomponenten abhängen.
Nichtlinearitäten führen zu nichtlinearen
Gleichungen, die nicht direkt, sondern iterativ, vor allem mit dem Newton-RaphsonVerfahren gelöst werden. Dabei wird über
eine Tangentenmatrix, die die Ableitung
der Knotenkräfte nach den Knotenverschiebungen darstellt, eine Folge von linearen Gleichungssystemen zur Bestimmung der Veränderung der Verschiebung
definiert und gelöst, bis Konvergenz eintritt – oder auch nicht.
· Die Verfestigungsregel
Sie gibt an, wie sich im Mehrdimensionalen die aktuelle Fließgrenze ändert. Bei der
Verfestigungsregel ist zum einen die Beschreibung der Fließkurve von Bedeutung,
zum anderen die Unterscheidung zwischen
isotroper und kinematischer Verfestigung,
was einen extremen Einfluss auf das zyklische plastische Verhalten hat. Während
isotrope Verfestigung allein für zyklisches
Spätestens da sind die Anwender von Berechnungsprogrammen gut beraten, etwas
von der Theorie der Phänome, die oben
nur angerissen worden sind, zu wissen. Es
gibt Zusammenhänge zwischen physikalischem und mathematischem Verhalten,
zwischen physikalischer und numerischer
Stabilität. Stabilitätsprobleme treten auch
nicht nur auf, wenn man nach ihnen sucht,
sondern drohen – numerisch wie physika-
Grundlagen & Technologie
Literaturtipp
Professor Rust ist u.a. Autor des Lehrbuches
„Nichtlineare Finite-Elemente-Berechnungen - Kontakt, Geometrie, Material“
1. Auflage 2009 erschienen bei Vieweg + Teubner
2009. XII, 293 S. Mit 203 Abb. u. 7 Tab. Br.
ISBN: 978-3-8351-0232-3
www.vieweg-teubner.de
Über das Buch
Das Buch beschreibt die numerische Berechnung von Nichtlinearitäten in der Strukturmechanik, d.h. große Drehungen,
große Dehnungen (geometrische Nichtlinearitäten), nichtlineares Materialverhalten, besonders Plastizität und zeitabhängiges Verhalten, und Kontakt. Darauf aufbauend werden auch Stabilitätsprobleme und Traglastberechnungen behandelt.
Dabei wird am Beispiel einfacher Systeme die Problematik erläutert, formelmäßig erfasst, in den Kontext der Finiten Elemente eingebunden und bis zum Dreidimensionalen verallgemeinert. Die einzelnen Schritte werden detailliert bis hin zu Zahlenbeispielen dargestellt. Das Buch richtet sich sowohl an Studierende als auch an Ingenieure in der Praxis, die entweder die
Methode weiterentwickeln oder die Hintergründe bestehender Programme verstehen wollen.
Aus dem Inhalt
Geometrisch nichtlineares Verhalten - Stabilitätsprobleme - Lastinkrementierung - Theorie und Numerik der linearen ViskoElastizität und der Elasto-Plastizität - Kriechen - Kontakt: Kontaktmodellierung - Kontaktbedingung - Kontakt-Kinematik Kontaktfeststellung
Zielgruppe
• Studierende des Maschinenbaus und des Bauingenieurwesens im Hauptstudium
• Ingenieure in der Berufspraxis, die mit FE-Programmen arbeiten und diese effektiver nutzen wollen.
| Zusatzinformation |
lisch – in der Mechanik prinzipiell dann,
wenn Druckspannungen auftreten, und
wo ist das nicht der Fall?
Die Nutzer sollten auch wissen, was die
Theorie umfasst, die sie mit einer Option
einschalten, und worin sich Werkstoffgesetze unterscheiden. Man sollte deren
Grundgleichungen kennen und für Spezialfälle auch lösen können, damit man zur
Parameterbestimmung in der Lage ist. Auch
wenn man dazu Optimierungsverfahren
benutzt, sollte man die Größenordnung
der Lösung kennen, sonst ist ein Scheitern
vorprogrammiert. Bei Kontakt schließlich
sollte man wissen, dass ein Statuswechsel
(offen/geschlossen) nicht differenzierbar
ist, sodass man hier vom Newton-Verfahren nicht viel erwarten kann. Je nach Methode ist daher die Wahl der Kontaktsteifigkeit oder das Festlegen von Toleranzen
eine Gratwanderung zwischen Konvergenz-
problemen und zu großen Fehlern. Auch
die Vernetzung und die Kontaktdefinition
entscheiden mit über Erfolg und Misserfolg.
i
| Information
Nichtlinear ist, wenn es nicht konvergiert,
jedenfalls nicht auf Anhieb. Wohl dem, der
durch Kenntnis der Theorie und der Algo<<
rithmen gezielt vorgehen kann.
✒|
Autor
Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Rust,
Fachhochschule Hannover
wilhelm.rust@fh-hannover.de
Hinweis
Dieser Beitrag ist Teil einer aktuellen Serie
Wilhelm Rust war jahrelang CADFEM Mit-
zur FEM in der Fachzeitschrift CAD-CAM
arbeiter und ist heute Professor für Simula-
Report und erfolgt mit freundlicher Geneh-
tionsverfahren im Maschinenbau an der
migung der Redaktion.
Fachhochschule Hannover. Dort ist er auch
www.plm-it-business.com
verantwortlich für den Master-Studiengang
„Maschinenbau – Entwicklung“. Zudem ist
er Lehrbeauftragter an der esocaet (European School of Computer Aided Engineering
Technologies) für die Studienmodule „Geometric Nonlinearities“ und „Contact“.
Infoplaner 01/2010
51
CADFEM
Leipzig 2009
ANSYS Conference & 27. CADFEM Users’ Meeting 2009 im Rückblick
Mit 270 Vorträgen, über 30 Kompaktseminaren, mehr als 30 Unternehmen
in der CAE-Ausstellung und ungezählten Fachgesprächen in entspannter und
freundlicher Atmosphäre setzte die
Veranstaltung in einem wirtschaftlich
schwierigen Umfeld ein großes Ausrufezeichen hinter den Stellenwert der
Simulation im Allgemeinen und ANSYS
im Besonderen.
Kunden und Interessierte machten ausgiebig Gebrauch von diesem wohl einzigartigen technischen Informationsangebot
52
Infoplaner 01/2010
zum Stand der Simulation in der Produktentwicklung. Nach „Feierabend“ trat dann
die Technologie etwas in den Hintergrund
und die Teilnehmer tankten beim „Get together“ sowie der großen Abendveranstaltung in der Leipziger Moritzbastei neue
Kräfte für den Folgetag.
Die CD-ROM mit den Unterlagen von über
90% der Vorträge und Workshops kann
mit dem Formular auf Seite 56 dieses Hef<<
tes bestellt werden.
!
| Veranstaltungshinweis
Bitte vormerken:
CADFEM, ANSYS Germany und Ansoft bedanken sich ganz herzlich bei allen Teilnehmern, den Sponsoren HP, Intel, Microsoft und Dell und den Ausstellern für den
Besuch und die Unterstützung der Veranstaltung!
ANSYS Conference & 28. CADFEM
Users’ Meeting
3. – 5. November 2010
Aachen, Eurogress
www.usersmeeting.com
CADFEM
www.usersmeting.com
Fotos: Jan-Stefan Knick
20 Jahre friedliche Revolution
Weitere Informationen:
Eine Stecknadel hätte man im großen Plenarsaal des Congress Center Leipzig auf
den Boden fallen hören können, als Pfarrer Christian Dietrich in seinem Abschlussvortrag bei der ANSYS Conference & dem
27. CADFEM Users’ Meeting von der Ereignissen berichtete, die sich vor 20 Jahren in Leipzig zutrugen.
Dietrich war einer der Initiatoren der Leipziger Montagsdemonstrationen vor der Nikolaikirche. Er schilderte in eindrucksvoller
Weise aus der Perspektive eines Zeitzeugen
von den vielen kleinen und großen Widrigkeiten des Alltags in der Zeit vor der Wende, mit denen sich immer mehr Menschen
nicht mehr abfinden wollten, was letztendlich zur friedlichen Revolution und zur Wiedervereinigung Deutschlands geführt hat.
Dietrich stellte sogar einen Bezug zur Simulation her: Er stellte das Handeln der
DDR-Führung als die „Perversion der Simulation“ dar, denn statt des eigentlichen
www.archiv-buergerbewegung.de
www.jugendopposition.de
http://oktoberfruehling.blogspot.com
Zwecks von Simulation, nämlich einen
Sachverhalt der Wirklichkeit anzunähern,
wurde mit Lüge und Gewalt ein Reich der
Freiheit, Gerechtigkeit und des Wohlstand
simuliert. Die 1989-Revolution setzte dieser Simulation ein Ende.
Der Vortrag von Pfarrer Christian Dietrich
kann auf folgender Adresse herunter geladen werden:
www.usersmeeting.com/fileadmin/acum/
<<
2009/dietrich.pdf
Infoplaner 01/2010
53
CADFEM Empfehlungen / Veranstaltungen
Veranstaltungen April bis September 2010
7. Jenaer Akustiktag
28. April 2010
FH Jena
JEC Composites
13. – 15. April 2010
Paris, Porte De Versailles
ANSYS Fachtagung
Fluid-Struktur-Interaktion
06. Mai 2010
München
CADFEM ist Aussteller in
der Fachausstellung.
CADFEM ist Aussteller an Stand P69
www.cadfem.de/jec
www.fh-jena.de/contrib/fb/mb/
sites/Akustiktag.htm
www.ansys-germany.com
PCIM Europe 2010
Hannover Messe 2010
19. – 23. April 2010
Hannover, Messegelände
Power Conversion
Intelligent Motion
04. – 06. Mai 2010
Nürnberg, Messezentrum
CADFEM ist Aussteller
in Halle 12, Stand 516
19. – 20. Mai 2010
Messe Karlsruhe
CADFEM ist Aussteller in der
Aktionshalle an Stand A4
CADFEM ist Aussteller in
Halle 17, Stand F50
www.cadfem.de/hannovermesse
MECHATRONIC KARLSRUHE
www.pcim-europe.de
www.mechatronic-karlsruhe.com
kunststoffe + SIMULATION 2010
05. – 06. Mai 2010
München
ANSYS Conference
& 5. CADFEM Austria
Users’ Meeting
CADFEM ist Aussteller
in der Fachausstellung und
hält einen Vortrag.
22. – 23. April 2010
Wien, Schloss Schönbrunn
ISC 2010 – International
Supercomputing Conference
30. Mai – 3. Juni 2010
Hamburg, CCH
CADFEM ist Aussteller am
Microsoft-Stand 430
www.usersmeeting.at
www.hanser-tagungen.de/simulation
www.supercomp.de
SWISS Symposium für
virtuelle Produktentwicklung
3. Grazer Symposium Virtuelles
Fahrzeug
EUCOMAS
22. April 2010
Hochschule für Technik
Rapperswil (HSR)
06. – 07. Mai 2010
Graz
CADFEM ist Aussteller in
der Fachausstellung
http://ipek.hsr.ch
54
Infoplaner 01/2010
www.gsvf.at
European Conference on Materials
and Structures in Aerospace
07. – 08. Juni 2010
Berlin
CADFEM ist Aussteller in der Fachausstellung und hält einen Vortrag.
www.eucomas.de
CADFEM Empfehlungen / Bücher
ANSYS Conference
& 15. Schweizer CADFEM
Users’ Meeting
17. – 18. Juni 2010
Zürich, Hotel Zürichberg
Multiphase Flows – Simulation,
Experiment and Application
22. – 24. Juni 2010
Dresden, Forschungszentrum Rossendorf
COMPOSITES EUROPE
5. Europäische Fachmesse & Forum
für Verbundwerkstoffe, Technologie
und Anwendungen
14. – 16. September 2010
Essen, Messegelände
CADFEM ist Aussteller in Halle 5, Stand C78
www.usersmeeting.ch
www.ansys-germany.de
www.composites-europe.com
STANZTEC
LiMA
HUSUM WindEnergy
22. – 24. Juni 2010
Pforzheim, Messe
Fachmesse & Symposium für Leichtbau
im Maschinen- und Anlagebau im Rahmen der Sächsischen Industrie- und
Technologiemesse SIT
23. – 25. Juni 2010
Chemnitz, Messegelände
21. – 25. September 2010
Husum, Messegelände
www.lima-chemnitz.de
www.husumwindenergy.com
CADFEM ist Aussteller an Stand A 30
www.stanztec-messe.de
Neue Zeitschrift des expert verlags:
Computer Aided Medical Engineering (CAME)
Das Ziel der Zeitschrift „Computer Aided
Medical Engineering (CAME)“ ist es, aufzuzeigen wie sich etablierte Ingenieursmethoden, im speziellen CAE, auf das
neue Anwendungsgebiete der Medizin
übertragen lassen. Die Zeitschrift zeigt an
aktuellen Beiträgen Einsatzgebiete der
Simulationsmethoden in der Medizin,
den heutigen Stand der Technik und gibt
Ausblicke, welches Nutzungspotential
sich erschließen lässt.
Der Gemeinschaft der Entscheider, Forscher und Anwender der Simulationsmethoden in der Medizintechnik wird so ein
Forum geboten, dass den Wissenserwerb
<<
und -austausch verbessert.
CADFEM ist Aussteller an Stand 2F18
CAME
Heft 1, 1. Jahrgang 2010
Herausgeber:
CADFEM GmbH
Christoph Müller, M.Sc.
Leiter Biomechanik,
85567 Grafing b. München
PD Dr. med. Laszlo Kovacs
Leiter der Forschungsgruppe CAPS,
Ltd. OA und stellv. Klinikdirektor,
Klinik und Poliklinik für Plastische und
Handchirurgie, Klinikum rechts der Isar,
Technische Universität München
Umschlagentwurf:
Dipl.-Ing. Johannes Wippler
Verlag:
expert verlag, Postfach 2020,
71268 Renningen
ISSN 2190-0698
www.expertverlag.de
| Zusatzinformation |
Infoplaner 01/2010
55
Bestellformular
Fachbücher und Lernsoftware
Die folgenden und weitere Produkte können auch im CADFEM Online-Shop erworben werden: www.cadfem.de/shop
Produkte zu ANSYS
„FEM für Praktiker – Grundlagen“ Band 1,
8. Auflage (2007), EUR 89,00
„FEM für Praktiker – Strukturdynamik“ Band 2,
5. Auflage (2008), EUR 84,00
„FEM für Praktiker – Temperaturfelder“ Band 3,
5. Auflage (2009), EUR 83,00
„FEM für Praktiker – Elektrotechnik“ Band 4,
2. Auflage, (2009), EUR 84,00
Konstruktionsbegleitende Berechnung
mit ANSYS DesignSpace, FEM-Simulation für Konstrukteure,
EUR 49,90
ANSYS/ED Rev. 10.0 (10.000 Knoten / 1.000 Elemente)
Programm CD, EUR 178,50
CADFEM Users’ Meeting 2007 Conference Proceedings
CD-ROM mit einem Großteil der Vorträge, EUR 21,40
CADFEM Users’ Meeting 2008 Conference Proceedings
CD-ROM mit einem Großteil der Vorträge, EUR 21,40
CADFEM Users’ Meeting 2009 Conference Proceedings
CD-ROM mit einem Großteil der Vorträge, EUR 96,30
Produkte zu LS-DYNA
LS-DYNA/ED (10.000 Knoten)
Programm CD mit LS-DYNA, LS-PrePost, verfügbar auf allen
gängigen Plattformen,
Jahresmiete $ 154,70
LS-DYNA Hochschule
Programm CD mit LS-DYNA, LS-PrePost, LS-Opt, verfügbar
auf allen gängigen Plattformen, unlimitierte CPU-Anzahl,
Jahresmiete $ 1.547,00
Produkte zu FKM-Richtlinien
FKM-Richtlinie Bruchmechanik, deutsch:
„Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“
3. Ausgabe 2006,
EUR 220,00
FKM-Richtlinie Festigkeit, deutsch:
„Rechnerischer Festigkeitsnachweis“
5. erweiterte Ausgabe 2003,
EUR 200,00
Hinweise
Alle Preise Stand März 2010. Alle Preise verstehen sich inklusive der ges. MwSt. und zuzüglich Versandkosten. Angebote freibleibend. Die Bestellung ist verbindlich, der Kaufvertrag kommt bei Büchern mit Zusendung an den Kunden zustande. Bei Softwarelieferungen muss der Kunde durch
Entsiegeln der Packung einen gesonderten Lizenzvertrag akzeptieren oder die Ware zurückschicken. Kunden, die nicht Unternehmer sind, steht
ein zweiwöchiges Widerrufsrecht zu. Achtung: Für Schweiz und Österreich gelten andere Preise! Nähere Informationen erhalten Sie bei der CADFEM
(Suisse) AG, Schweiz bzw. der CADFEM (Austria) GmbH, Österreich.
Absender
__________________________________________________________
Firma / Hochschule
__________________________________________________________
Abteilung / Institut
__________________________________________________________
Name, Vorname
__________________________________________________________
Titel
__________________________________________________________
Straße
__________________________________________________________
PLZ (Straße) und Ort
__________________________________________________________
Postfach
__________________________________________________________
PLZ (Postfach) und Ort
__________________________________________________________
Telefon
__________________________________________________________
Fax
__________________________________________________________
Land
__________________________________________________________
E-Mail
__________________________________________________________
Datum / Unterschrift
Bitte ausfüllen und per Post oder Fax senden an:
CADFEM GmbH · Marktplatz 2 · 85567 Grafing b. München · Telefon +49 (0) 80 92-70 05-0 · Fax +49 (0) 80 92-70 05-77
56
Infoplaner 01/2010
www.cadfem.de
A D R E S S E N C A D F E M U N D PA RT N E R
CADFEM GmbH
Zentrale Grafing
Marktplatz 2
85567 Grafing b. München
Deutschland
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-0
Fax +49 (0) 80 92-70 05-77
E-Mail info@cadfem.de
www.cadfem.de
Geschäftsstelle Berlin
Breite Straße 2a
13187 Berlin
Deutschland
Tel. +49 (0) 30-4 75 96 66-0
Fax +49 (0) 30-4 75 96 66-21
Geschäftsstelle Chemnitz
Cervantesstraße 89
09127 Chemnitz
Deutschland
Tel. +49 (0) 371-33 42 62-0
Fax +49 (0) 371-33 42 62-99
Geschäftsstelle Dortmund
Carlo-Schmid-Allee 3
PHOENIX-West Park
44263 Dortmund
Deutschland
Tel. +49 (0) 231-4 77 30-71 41
Fax +49 (0) 231-4 77 30-71 44
Geschäftsstelle Hannover
Pelikanstr. 13
30177 Hannover
Deutschland
Tel. +49 (0) 511-39 06 03-0
Fax +49 (0) 511-39 06 03-25
Geschäftsstelle Stuttgart
Leinfelder Str. 60
70771 Leinfelden-Echterdingen
Deutschland
Tel. +49 (0) 711-99 07 45-0
Fax +49 (0) 711-99 07 45-99
Schweiz
CADFEM (Suisse) AG
Zentrale Aadorf
Wittenwilerstraße 25
8355 Aadorf
Schweiz
Tel. +41 (0) 52-368-01-01
Fax +41 (0) 52-368-01-09
E-Mail info@cadfem.ch
www.cadfem.ch
Geschäftsstelle Mittelland
Privatstrasse 8
4563 Gerlafingen
Schweiz
Tel. +41 (0) 32-675-80-70
Fax +41 (0) 32-675-80-74
Bureau Lausanne
Avenue de Cour 74
1007 Lausanne
Suisse
Tel. +41 (0) 21-601-70-80
Fax +41 (0) 21-601-70-84
Österreich
CADFEM (Austria) GmbH
Wagenseilgasse 14
1120 Wien
Österreich
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73
Fax +43 (0)1-5 87 70 73-19
E-Mail info@cadfem.at
www.cadfem.at
Tschechien/Slowakei
SVS FEM s.r.o. (CADFEM CZ)
Skrochova 42
61500 Brno
Tschechische Republik
Tel. +42 (0) 543-254 554
Fax +42 (0) 543-254 556
E-Mail info@svsfem.cz
www.svsfem.cz
Polen
MESco (CADFEM PL)
ul.Górnicza 20A
42-600 Tarnowskie Gory
Polen
Tel. +48 (0) 3 27 68 36-36
Fax +48 (0) 3 27 68 36-35
E-Mail info@mesco.com.pl
www.mesco.com.pl
Member of
Worldwide Partners
www.technet-alliance.com
Russland
CADFEM CIS
46, Suzdalskaya str.
111672 Moscow
Russland
E-Mail info@cadfem-cis.ru
www.cadfem-cis.ru
Deutschland
DYNARDO GmbH
Luthergasse 1d
99423 Weimar
Deutschland
E-Mail kontakt@dynardo.de
www.dynardo.de
inuTech GmbH
Fürther Straße 212
90429 Nürnberg
Deutschland
E-Mail info@inutech.de
www.inutech.de
virtualcitySYSTEMS GmbH
Zellescher Weg 3
01069 Dresden
Deutschland
E-Mail info@virtualcitysystems.de
Finnland
Componeering Inc.
Itämerenkatu 8
00180 Helsinki
Finnland
E-Mail esacomp@componeering.com
www.componeering.com
Indien
CADFEM Engineering Services India
PVT Ltd.
H. No: 48, 1st Floor
Parkview Enclave
Old Bowenpally
Hyderabad – 500 009
Indien
E-Mail info@cadfem.in
www.cadfem.in
USA
CADFEM Representation
CU-ICAR Partnership Office
5 Research Drive
Greenville, SC 29607
USA
E-Mail rwang@cadfem.de